PCB vizitka z NFC: 18 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Ko sem prišel ob koncu študija, sem pred kratkim moral iskati šestmesečno prakso na področju elektronike. Da bi naredil vtis in čim bolj povečal možnosti, da bom zaposlen v družbi svojih sanj, sem se zamislil, da bi naredil svojo vizitko. Želel sem narediti nekaj edinstvenega, uporabnega in sposobnega pokazati svoje sposobnosti oblikovanja elektronskih vezij, ki jim jih bom izročil.

Pred tremi leti sem med brskanjem po Instructables našel zelo zanimiv projekt Joep1986 z naslovom "Digital Business Card With NFC". Ta projekt je vključeval vstavljanje oznake NFC v vizitko iz papirja za izmenjavo kontaktnih podatkov s telefonom, opremljenim s tehnologijo NFC. Ta projekt se mi je zdel zelo navdihujoč in mislil sem, da bom generično oznako NFC zamenjal s prilagojenim vezjem svojega izuma.

Tako sem prišel na idejo, da bi na tiskanem vezju ustvaril svojo lastno vizitko, ki bi lahko v trenutku poslala svoj profil LinkedIn na pametnem telefonu zaposlovalca z uporabo tehnologije NFC.

Ta Instructable zajema vse korake, ki sem si jih zamislil, oblikoval in ustvaril svojo vizitko PCB z NFC, od izračuna parametrov antene do programiranja čipov NFC prek teksturirane oblike PCB.

1. korak: Potrebna specifikacija, orodja in spretnosti

Boste potrebovali:

Potrebna orodja:

• spajkalnik
• orodje za predelavo vročega zraka
• spajkalna pasta
• spajkalni tok
• spajkalna žica
• pinceta za dolg nos
• pinceta s križnim zaklepanjem
• izopropilni alkohol
• Q-namig
• zobotrebec
• telefon z NFC

Izbirna (vendar priročna) orodja:

• Odsesavalec dima
• Veličastno steklo

Spretnosti:

Sposobnost spajkanja SMD

Račun za materiale:

Sestavni del	Paket	Referenca	Količina	Dobavitelj
NFC čip 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Rumena LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 Ω upor	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF kondenzator	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

2. korak: Tehnologija NFC

Kaj je NFC?

NFC je kratica za Komunikacija bližnjega polja. To je radijska tehnologija kratkega dosega, ki omogoča komunikacijo med napravami, ki so v neposredni bližini (<10 cm). NFC sistemi temeljijo na tradicionalnem visokofrekvenčnem (HF) RFID, ki deluje pri 13, 56 MHz.

Trenutno standard NFC podpira različne hitrosti prenosa podatkov do 424 kbit/s. Osnovni mehanizem komunikacije NFC med dvema napravama je enak tradicionalnemu RFID s frekvenco 13, 56 MHz, kjer obstajata tako glavni kot pomožni. Poveljnik se imenuje oddajnik ali bralnik/zapisovalec, suženj pa oznaka ali kartica.

Kako deluje ?

NFC vedno vključuje pobudnika in tarčo: pobudnik (oddajnik) aktivno ustvarja RF polje, ki lahko napaja pasivni cilj (oznako) z uporabo elektromagnetne indukcije med dvema zankama:

Antene oddajnika in oznake so povezane preko elektromagnetnega polja in ta sistem je najbolje videti kot transformator z zračnim jedrom, kjer bralnik deluje kot primarno navitje, oznaka pa kot sekundarno navitje: izmenični tok, ki teče skozi primarni tuljava (oddajnik) inducira polje v zraku in inducira tok v sekundarni tuljavi (oznaka). Oznaka lahko uporablja tok iz polja za napajanje: v tem primeru za dostop do nje ni potrebna baterija, niti v načinu branja niti v načinu pisanja. Čip oznake NFC črpa vso potrebno moč za delovanje iz magnetnega polja, ki ga ustvari bralnik, preko svoje zančne antene.

Kje se uporablja NFC?

NFC je rastoča tehnologija, ki potrebuje brezžično povezavo elektronskih naprav. NFC je bil široko integriran v pametne telefone za interakcijo s fizičnimi napravami, združljivimi z NFC, in za zagotavljanje novih storitev, kot je brezstično plačevanje.

Ker oznakam NFC ni treba vključiti vira napajanja, ker jih lahko napaja energija, ki jo oddaja bralnik, imajo lahko zelo preproste oblike, kot so neovirane oznake, nalepke, kartice ali celo obroči.

Zelo mi je bilo všeč dejstvo, da oznake NFC ne vgrajujejo onesnaževalnih gumbnih celic za delovanje, ampak namesto tega uporabljajo samo energijo oddajnika.

3. korak: NFC čip

NFC IC

Čip NFC je srce vizitke.

Moja zahteva je bila:

• majhen paket SMD
• dovolj pomnilnika za povezavo do mojega profila na LinkedInu
• vgrajen modul za pridobivanje energije

Ko sem primerjal več modulov NFC, sem se odločil za NTAG NT3H1101 IC podjetja NXP. Glede na njegov podatkovni list:

"NTAG I2C je prvi izdelek družine NTAG NTAG, ki ponuja brezstične in kontaktne vmesnike (glej sliko 1). Poleg pasivnega brezkontaktnega vmesnika, ki je skladen z NFC Forum, ima IC vmesnik za stik I2C, ki lahko komunicira z mikrokrmilnikom, če NTAG I2C se napaja iz zunanjega napajalnika. Dodatni zunanji napajalnik SRAM, preslikan v pomnilnik, omogoča hiter prenos podatkov med vmesnikoma RF in I2C in obratno, brez omejitev cikla pisanja pomnilnika EEPROM. Značilnosti izdelka NTAG I2C nastavljiv zatič za zaznavanje polja, ki omogoča sprožitev zunanje naprave, odvisno od aktivnosti na vmesniku RF. Izdelek NTAG I2C lahko napaja tudi zunanje naprave (z nizko porabo energije) (npr. mikrokrmilnik) prek vgrajenega vezja za zbiranje energije."

4. korak: Izračun induktivnosti antene

Za komunikacijo in napajanje mora oznaka NFC imeti anteno. Postopek oblikovanja antene se začne z enakovrednim modelom čipa NFC in zančne antene:

kje:

• Voc je napetost odprtega tokokroga, ki jo povzroča magnetno polje v zančni anteni
• Ra je enakovreden upor zančne antene
• La je enakovredna induktivnost zančne antene
• Rs je serijsko enakovreden upor čipa NFC
• Cs je serijsko enakovredna uglaševalna kapaciteta čipa NFC

Anteno lahko opišemo z induktorjem La z zelo majhnim uporom za izgubo Ra. Ko oddajnik v zančni anteni inducira magnetno polje, se vanj sproži tok in na njegovih sponkah se pojavi napetost odprtega tokokroga Voc. Čip NFC lahko opišemo z vhodnim uporom Rs in vgrajenim uglaševalnim kondenzatorjem Cs.

Serijski upori Ra in R se seštejejo za zadnji enakovreden model vezja, sestavljenega iz integriranega vezja NFC in njegove zančne antene:

NFC IC upor Rs skupaj z antenskim uporom Ra in vgrajenim kondenzatorjem Cs tvori resonančno vezje RLC z induktorjem La antene. Več informacij o resonančnih vezjih RLC je razloženih v spletnih vadnicah za elektroniko.

Rezonančna frekvenca zaporednega vezja RLC je podana s formulo:

kje:

• f je resonančna frekvenca (Hz)
• L je enakovredna induktivnost vezja (H)
• C je ekvivalentna kapacitivnost vezja (F)

Edini neznani parameter enačbe je vrednost induktivnosti L. Ta je tako izoliran, da se lahko izračuna:

Če vemo, da je delovna frekvenca NFC 13, 56 MHz in da je nastavitveni kondenzator NT3H1101 50 pF, se izračuna induktivnost L:

Za resonanco na frekvenci NFC mora imeti antena za vizitko PCB skupno induktivnost 2, 75 μH.

5. korak: Določitev oblike antene: geometrijski izračuni (1. metoda)

Oblikovanje zančne antene na tiskanem vezju s posebno induktivnostjo je možno in mora upoštevati geometrijske omejitve. Antena je lahko različnih oblik: pravokotna, kvadratna, okrogla, šesterokotna ali celo osmerokotna. Za vsako obliko ustreza posebna formula, ki daje enakovredno induktivnost glede na velikost, število zavojev, širino tirov, debelino bakra in številne druge parametre …

Za oblikovanje svoje vizitke sem se odločil za pravokotno anteno, katere geometrija je naslednja:

kje:

• a0 & b0 so skupne mere antene (m)
• aavg & bavg so povprečne mere antene (m)
• t je debelina tira (m)
• w je širina tira (m)
• g je vrzel med tiri (m)
• Nant je število zavojev
• d je enakovreden premer tira (m)

Za to posebno geometrijo je enakovredna induktivnost Lant podana s formulo:

kje:

Za lažje izračune sem ustvaril računsko orodje, ki temelji na Excelu in samodejno izračuna ekvivalentno induktivnost antene glede na različne geometrijske parametre. Ta datoteka mi je prihranila veliko časa in truda pri iskanju prave geometrije antene.

Imel sem ekvivalentno induktivnost Lant = 2, 76 μH (dovolj blizu) z naslednjimi parametri:

• a0 = 50 mm
• b0 = 37 mm
• t = 34, 79 µm (1 oz)
• š = 0,3 mm
• g = 0,3 mm
• Nant = 5

Če ste alergični na matematiko in izračune, obstajajo druge metode, ki so podrobno opisane v naslednjih korakih. Še vedno je pomembno iti skozi izračune, če želite izvedeti več o osnovah zasnove antene;)

6. korak: Določanje oblike antene: spletni kalkulatorji (2. metoda)

Alternativa dolgim izračunom v prejšnjem koraku je obstoj spletnih kalkulatorjev geometrije anten. Te kalkulatorje izdelujejo posamezniki ali strokovnjaki in so namenjeni poenostavitvi zasnove anten. Ker je težko preveriti, katere izračune izvajajo ti spletni kalkulatorji, je zelo priporočljivo uporabiti kalkulatorje, ki prikazujejo uporabljene reference in formule, ali tiste, ki so jih razvila specializirana podjetja.

STMicroelectronics v svoji spletni aplikaciji eDesignSuite ponuja tak kalkulator, ki strankam pomaga pri vključevanju izdelkov ST v njihovo vezje. Kalkulator velja za vse aplikacije s tehnologijo NFC in ga je zato mogoče uporabiti za čip NFC podjetja NXP.

S predhodno izračunanimi geometrijskimi vrednostmi je nastala induktivnost, izračunana z aplikacijo eDesignSuite, 2,88 μH namesto pričakovane vrednosti 2,76 μH. Ta razlika je presenetljiva in dvomi o prej dobljenih rezultatih. Formula, ki jo uporablja aplikacija, ni znana in je nemogoče primerjati s predhodnimi izračuni.

Torej, katera od obeh metod daje pravilen rezultat?

Nobenega! Spletni kalkulatorji in formule so teoretična orodja za približevanje rezultata, vendar jih je treba za dosego pričakovanega rezultata dokončati s simulacijami s specializirano programsko opremo in resničnimi testi.

Na srečo so že simulirane in preizkušene rešitve NFC na voljo oblikovalcem elektronike in so predmet naslednjega koraka …

7. korak: Določanje oblike antene: odprtokodne antene (tretja metoda)

Da bi olajšali izvajanje svojih IC -jev NFC, nekateri proizvajalci ponujajo celovite rešitve za oblikovalce elektronike, na primer vodnike za oblikovanje, opombe o aplikacijah in celo datoteke EDA.

To je primer NXP, ki za svojo paleto integriranih vezij NFC NTAG ponuja celoten vodnik, ki vključuje reference za zasnovo antene NFC, orodje za izračun, ki temelji na excelu za pravokotne in okrogle antene, datoteke gerber in Eagle za različne razrede anten.

Razred določa obliko in faktorje velikosti antene. Večji kot je razred, manjša je antena. Za NFC NXP priporoča uporabo anten „razreda 3“, „razreda 4“, „razreda 5“ali „razreda 6“.

Odločil sem se, da se osredotočim na pravokotne antene razreda 4, katerih velikost se je zdela prilagojena moji vizitki, ki se nahaja znotraj določenega območja:

• Zunanji pravokotnik: 50 x 27 mm
• Notranji pravokotnik: 35 x 13 mm, centriran v zunanjem pravokotniku, s polmerom vogala 3 mm

Za ta razred NXP ponuja datoteke Eagle antene, ki so jih izdelali njihovi inženirji in so že vključene v nekatere njihove izdelke. Glavna prednost te zasnove je, da je bila že simulirana, popravljena in popolnoma optimizirana. Preskusne metode, popravki in optimizacije so predstavljeni tudi v dokumentu, ki je na voljo.

Odločil sem se, da bom to odprtokodno zasnovo uporabil kot model in ustvaril svojo različico, ki jo bo implementirala v knjižnico, namenjeno projektu.

8. korak: Ustvarjanje knjižnice Eagle

Če želite na Eagle narisati elektronsko vezje vizitke, morate imeti simbole in prstne odtise uporabljenih komponent. Manjkala sta le antena in oznaka NFC, zato sem jih moral ustvariti in vključiti v knjižnico za projekt.

Začel sem z oblikovanjem antene s kopiranjem pravokotne odprtokodne antene razreda 4, ki jo ponuja NXP. Spremenil sem le položaj priključkov in jih postavil na dolžino antene. Nato sem paket povezal s simbolom tuljave in dodal oznake z imenom in vrednostjo:

Nato sem zasnoval čip NFC z uporabo podatkov v podatkovnem listu. Poimenoval sem, velikost in sestavil 8 zatičev komponent, da tvorijo odtis paketa XQFN8 velikosti 1, 6 * 1, 6 mm. Nazadnje sem paket povezal s simbolom NTAG in dodal oznake z imenom in vrednostjo:

Za več informacij o knjižnicah Eagle in ustvarjanju komponent ponuja Autodesk vadnice na svojem spletnem mestu.

9. korak: Shema

Ustvarjanje elektronske sheme poteka na EAGLE PCB.

Po uvozu predhodno ustvarjene knjižnice "PCB_BusinessCard.lbr" se v shemo dodajo različne elektronske komponente.

Integrirano vezje NFC NT3H1101, edina aktivna komponenta vezja, je povezano s pasivnimi komponentami z uporabo opisov njegovih zatičev v podatkovnem listu:

• Zanka z zanko 2, 75 μH je priključena na zatiče LA in LB.
• Izhod za pridobivanje energije VOUT se uporablja za napajanje čipa NFC in je zato priključen na njegov pin VCC.
• Kondenzator 220 nF je priključen med VOUT in VSS, da se zagotovi delovanje med RF komunikacijo.
• Nazadnje LED in njegov serijski upor poganja VOUT.

Vrednost upora LED se izračuna z ohmovim zakonom glede na parametre LED in napajalno napetost:

kje:

• R je upor (Ω)
• Vcc je napajalna napetost (V)
• Vled je naprej napetost LED (V)
• Iled je tok naprej LED (A)

10. korak: Oblikovanje tiskane plošče: Spodnja stran

Za oblikovanje svoje vizitke sem želel doseči nekaj treznega, kar pa lahko pokaže, kako iznajdljiv sem v življenju in vedno v mislih z novo idejo. Izbral sem zasnovo žarnice z žarilno nitko, simbol nove ideje, katere svetloba lahko osvetli siva področja problema. Všeč mi je bilo tudi dejstvo, da lahko zaposlovalec z lahkoto poveže moj profil na LinkedInu, ki se pojavi na njegovem telefonu, z novo dobro idejo za njegovo podjetje.

Začel sem z oblikovanjem žarnice, ki seva, v programski opremi za vektorsko risanje Inkscape. Risba se izvozi v dveh datotekah BitMap, prva vsebuje samo žarnico, druga pa le svetlobne žarke.

Nazaj v Eagle sem uporabil import-bmp ULP za uvoz slik BitMap, ki jih je ustvaril Inkscape, v risbo Eagle. Ta ULP ustvari datoteko SCRIPT, ki nariše majhne pravokotnike zaporednih slikovnih pik z enako barvo, ki skupaj ustvari sliko.

• Zasnova žarnice je uvožena na 22. sloju "bPlace" in bo prikazana na sitotisku tiskanega vezja v beli barvi, nad črno masko za spajkanje.
• Risba svetlobnih žarkov je uvožena na 16. plast "Bottom" in se bo obravnavala kot bakrena proga, prekrita s črno spajkalno masko.

Uporaba bakrene plasti za sliko omogoča igranje z debelino tiskanega vezja in s tem ustvarjanje teksturnih in barvnih učinkov, ki jih na tiskanem vezju običajno ni mogoče. Umetniške plošče je mogoče narediti s takšnimi zvijačami in zelo sem bil navdušen nad nekaterimi projekti pcb-art.

Nazadnje sem narisal obrise vezja in dodal svoj moto "Vedno nova ideja." na 22. plasti "bPlace".

11. korak: Oblikovanje tiskane plošče: zgornja stran

Ker je zgornja stran plošče brez komponent, sem lahko prosto našel eleganten način označevanja mojih klasičnih kontaktnih podatkov: priimek, ime, naslov, e -poštni naslov in telefonsko številko.

Še enkrat sem se igral z različnimi plastmi tiskanega vezja: začel sem z opredelitvijo delne ravnine tal. Nato sem uvozil besedilo, ki vsebuje moje kontaktne podatke, na 29. sloju "tStop", ki nadzoruje spajkalno masko za zgornjo stran. Superpozicija talne ravnine in besedila na sloju "tStop" povzroči, da se črke pojavijo na tleh brez spajkalne maske, kar daje besedilu lep sijoč kovinski vidik.

Zakaj pa ne postavite talne ravnine na celotno vizitko?

Postavitev induktivne antene na tiskanem vezju zahteva posebno pozornost, saj radijski valovi ne morejo skozi kovine in nad ali pod anteno ne sme biti bakrenih ravnin.

Naslednji primer prikazuje dobro izvedbo, kjer sta prenos energije in komunikacija med bralnikom in oznako NFC primerna, ker nobena bakrena ravnina ne prekriva antene.

Naslednji primer prikazuje slabo izvedbo, kjer elektromagnetni tok ne more teči skozi anteno. Ozemljitvena ravnina na eni strani tiskanega vezja blokira prenos energije med bralnikom in anteno oznake NFC:

Korak 12: Usmerjanje na PCB

Začel sem tako, da sem vse različne komponente postavil na spodnjo stran tiskanega vezja.

LED je nameščena na žarilno nitko žarnice, ostale komponente pa so na najbolj diskreten način razporejene na dnu žarnice.

Žice, ki povezujejo različne pasivne komponente med seboj ali z oznako NFC, so zaradi estetskih razlogov prednostno postavljene pod črte, ki vlečejo žarnico.

Na koncu je antena nameščena na dnu vezja, okrog gesla, in z dvema tankima žicama povezana z integriranim vezjem NFC.

Zasnova tiskanega vezja je zdaj končana!

13. korak: Ustvarjanje datotek Gerber

Datoteke Gerber so standardna datoteka, ki jo uporablja programska oprema industrije tiskanih vezij za opis slik tiskanih vezij: bakrene plasti, maska za spajkanje, legenda itd.

Ne glede na to, ali se odločite za izdelavo svojega tiskanega vezja doma ali zaupate postopek izdelave strokovnjaku, je nujno, da ustvarite datoteke Gerber iz tiskanega vezja, ki je bilo prej izdelano na Eaglu.

Izvoz datotek Gerber iz Eagle je zelo preprost z vgrajenim procesorjem CAM: datoteko CAM sem uporabil za dvoslojno tiskano vezje Seeed Fusion, ki vsebuje vse nastavitve tega proizvajalca in številne druge. Več informacij o Gerberjevi generaciji s to datoteko najdete na Seeedovi spletni strani.

Procesor CAM ustvari datoteko.zip "NFC_BusinessCard.zip", ki vsebuje 10 datotek, ki ustrezajo naslednjim slojem tiskanega vezja poslovne kartice NFC:

Podaljšanje	Plast
NFC_BusinessCard. GBL	Spodnji baker
NFC_BusinessCard. GBO	Spodnji sitotisk
NFC_BusinessCard. GBP	Spodnja spajkalna pasta
NFC_BusinessCard. GBS	Spodnja spajkalna maska
NFC_BusinessCard. GML	Mill Layer
NFC_BusinessCard. GTL	Vrhnji baker
NFC_BusinessCard. GTO	Vrhunska sitotisk
NFC_BusinessCard. GTP	Top Spajkalna pasta
NFC_BusinessCard. GTS	Top Soldermask
NFC_BusinessCard. TXT	Vrtalna datoteka

Da bi bili prepričani, da bo tiskano vezje videti točno tako, kot sem želel, sem datoteke Gerber naložil v spletni pregledovalnik Gerber EasyEDA. Temo sem spremenil v črno, površinsko obdelavo pa v srebrno, da sem po izdelavi vizualiziral končno zasnovo.

Bil sem zelo zadovoljen z rezultatom in se odločil za proizvodni korak …

14. korak: Naročanje tiskanih vezij

Ker sem želel kakovostno obdelati svoje vizitke, sem proces izdelave zaupal profesionalcu.

Mnogi proizvajalci PCB -jev zdaj ponujajo zelo konkurenčne cene: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay in mnogi drugi … Nasvet: Za primerjavo cen in storitev, ki jih ponujajo različni proizvajalci PCB -jev, svetujem uporabo spletnega mesta PCB Shopper, ki se mi zdi zelo priročen.

Pri izdelavi mojih vizitk sem upošteval pomembno podrobnost: številni proizvajalci tiskanih vezij si dovolijo, da označijo številko naročila na sitotisku PCB. Ta številka, čeprav majhna, je moteča, zlasti kadar mora biti tiskano vezje estetsko. Na primer, imel sem to slabo presenečenje za moja božična drevesa iz PCB v vrednosti 1 USD, naročeno na SeeedStudio.

Iz izkušenj sem vedel, da Elecrow nima te slabe navade, zato sem se odločil, da izdelovanje svojih kart zaupam temu proizvajalcu in naročil sem 10 vizitk za 4,9 USD z naslednjimi nastavitvami:

• Plasti: 2 plasti
• Mere: 54*86 mm
• Različna oblika tiskanega vezja: 1
• Debelina tiskanega vezja: 0,6 mm (najtanjša na voljo)
• Barva tiskanega vezja: Črna
• Površinska obdelava: HASL
• Castellated Hole: Ne
• Teža bakra: 1 oz (kot je izbrano v formuli induktivnosti antene)

Dva tedna pozneje sem prejel svoje PCB -je popolnoma narejene in brez nadležne številke naročila, označene na sitotisku. Zaenkrat je čas za spajkanje teh plošč!

Korak 15: Spajkanje čipa NFC

Sodniška nagrada na natečaju PCB