PCB posjetnica s NFC -om: 18 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Dolaskom na kraj studija, nedavno sam morao potražiti šestomjesečnu praksu u oblasti elektroničkog inženjerstva. Da bih ostavio utisak i povećao svoje šanse da budem zaposlen u društvu svojih snova, došao sam na ideju da napravim vlastitu posjetnicu. Želeo sam da napravim nešto jedinstveno, korisno i sposobno da pokažem svoje veštine projektovanja elektronskih kola kome ću to predati.

Prije tri godine, pregledavajući Instructables, pronašao sam vrlo zanimljiv projekt Joep1986 pod nazivom "Digital Business Card With NFC". Ovaj projekt uključivao je ugradnju NFC oznake u papirnu posjetnicu za razmjenu kontaktnih podataka s telefonom opremljenim NFC tehnologijom. Smatrao sam da je ovaj projekt vrlo inspirativan i mislio sam zamijeniti generičku NFC oznaku prilagođenim sklopom svog izuma.

Ovako sam došao na ideju o stvaranju vlastite posjetnice na štampanoj ploči, sposobne u trenu poslati moj LinkedIn profil na pametnom telefonu regrutera koristeći NFC tehnologiju.

Ovaj Instructable pokriva svaki korak koji sam slijedio kako bih zamislio, dizajnirao i stvorio svoju PCB vizitkartu sa NFC -om, od proračuna parametara antene do programiranja NFC čipova kroz teksturirani dizajn PCB -a.

Korak 1: BOM, potrebni alati i vještine

Trebat će vam:

Potrebni alati:

• lemilica
• alat za preradu toplog vazduha
• lemna pasta
• lemni fluks
• žica za lemljenje
• pinceta za dugi nos
• ukrštene pincete
• izopropil alkohol
• Q-tip
• čačkalica
• telefon sa NFC -om

Opcijski (ali zgodni) alati:

• Usisavač dima
• Veličanstveno staklo

Vještine:

Vještine SMD lemljenja

Opis materijala:

Komponenta	Paket	Reference	Quantity	Dobavljač
NFC čip 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Žuta LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 Ω otpornik	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF kondenzator	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Korak 2: NFC tehnologija

Šta je NFC?

NFC je kratica za Near Field Communication. Radi se o radio tehnologiji kratkog dometa koja omogućava komunikaciju između uređaja koji se drže u neposrednoj blizini (<10 cm). NFC sistemi su zasnovani na tradicionalnom visokofrekventnom (HF) RFID -u, koji radi na 13, 56 MHz.

Trenutno NFC standard podržava različite brzine prijenosa podataka do 424 kbit/s. Princip rada NFC komunikacije između dva uređaja je isti kao i tradicionalni RFID od 13, 56 MHz, gdje postoji i master i slave. Master se naziva emiter, ili čitač/pisač, a rob je oznaka ili kartica.

Kako to radi ?

NFC uvijek uključuje inicijatora i metu: inicijator (odašiljač) aktivno generira RF polje koje može napajati pasivni cilj (oznaku) koristeći elektromagnetsku indukciju između dvije antene petlje:

Antene odašiljača i oznake povezane su elektromagnetskim poljem, a ovaj sistem se najbolje može posmatrati kao transformator sa jezgrom u zraku gdje čitač djeluje kao primarni namot, a oznaka kao sekundarni namot: izmjenična struja koja prolazi kroz primarni zavojnica (Emiter) inducira polje u zraku, inducirajući struju u sekundarnom zavojnici (Tag). Oznaka može koristiti struju iz polja za napajanje: u ovom slučaju nije potrebna baterija za pristup, niti u načinu čitanja niti u načinu pisanja. Čip NFC oznake crpi svu potrebnu snagu za rad iz magnetskog polja koje generira čitač kroz svoju petlju antenu.

Gdje se koristi NFC?

NFC je rastuća tehnologija s potrebom za bežičnim povezivanjem elektroničkih uređaja. NFC je široko integriran u pametne telefone radi interakcije s NFC kompatibilnim fizičkim uređajima i pružanja novih usluga poput beskontaktnog plaćanja.

Budući da NFC oznake ne moraju integrirati izvor napajanja jer se mogu napajati energijom koju emitira čitač, one mogu poprimiti vrlo jednostavne faktore kao što su oznake bez napajanja, naljepnice, kartice ili čak prstenovi.

Zaista mi se svidjela činjenica da NFC oznake ne ugrađuju ćelije zagađujućih dugmadi za rad, već umjesto toga koriste samo energiju predajnika.

Korak 3: NFC čip

NFC IC

NFC čip je srce posjetnice.

Moj zahtev je bio:

• mali SMD paket
• dovoljno memorije za vezu do mog LinkedIn profila
• ugrađeni modul za prikupljanje energije

Nakon usporedbe nekoliko NFC modula, odlučio sam se za NTAG NT3H1101 IC kompanije NXP. Prema njegovom tehničkom listu:

"NTAG I2C je prvi proizvod NXP -ove NTAG porodice koji nudi i beskontaktno i kontaktno sučelje (vidi sliku 1). Osim pasivnog beskontaktnog sučelja kompatibilnog s NFC Forumom, IC ima i I2C kontaktno sučelje koje može komunicirati s mikrokontrolerom ako NTAG I2C se napaja iz vanjskog izvora napajanja. Dodatni vanjski napajani SRAM preslikan u memoriju omogućava brz prijenos podataka između RF i I2C sučelja i obrnuto, bez ograničenja ciklusa upisivanja EEPROM memorije. Karakteristike proizvoda NTAG I2C pin za detekciju polja koji se može konfigurirati, koji daje okidač vanjskom uređaju ovisno o aktivnostima na RF sučelju. NTAG I2C proizvod može napajati i vanjske uređaje (male snage) (npr. mikrokontroler) putem ugrađenog kruga za prikupljanje energije."

Korak 4: Izračunavanje induktivnosti antene

Za komunikaciju i napajanje NFC oznaka mora imati antenu. Postupak projektiranja antene započinje ekvivalentnim modelom NFC čipa i njegove petlje antene:

gdje:

• Voc je napon otvorenog kola induciran magnetskim poljem u anteni petlje
• Ra je ekvivalentni otpor petlje antene
• La je ekvivalentna induktivnost petlje antene
• Rs je serijski ekvivalentni otpor NFC čipa
• Cs je serijski ekvivalentni tuning kapacitet NFC čipa

Antenu može opisati induktor La s vrlo malim otpornikom gubitaka Ra. Kada emiter u petlji antene inducira magnetsko polje, u njemu se inducira struja i na njegovim stezaljkama pojavljuje se napon otvorenog kruga Voc. NFC čip može se opisati ulaznim otpornikom Rs i ugrađenim kondenzatorom za podešavanje Cs.

Serijski otpornici Ra i R sumirani su za posljednji ekvivalentni model kola koji se sastoji od NFC integriranog kola i njegove petlje antene:

NFC IC otpornik Rs zajedno s antenskim otpornikom Ra i ugrađenim kondenzatorom Cs čini rezonantno kolo RLC s induktorom La antene. Više informacija o RLC rezonantnim krugovima objašnjeno je u online vodičima za elektroniku.

Rezonantna frekvencija serijskog RLC kola data je formulom:

gdje:

• f je rezonantna frekvencija (Hz)
• L je ekvivalentna induktivnost kola (H)
• C je ekvivalentni kapacitet kruga (F)

Jedini nepoznati parametar jednadžbe je vrijednost induktiviteta L. Ovaj je toliko izoliran da se može izračunati:

Znajući da je radna frekvencija NFC -a 13, 56 MHz i da je kondenzator za podešavanje NT3H1101 50 pF, izračunava se induktivitet L:

Da bi rezonirala na NFC frekvenciji, antena za vizitkartu na PCB -u mora imati ukupnu induktivnost od 2, 75 μH.

Korak 5: Definiranje oblika antene: Geometrijski proračuni (1. metoda)

Projektiranje petlje antene na PCB -u sa specifičnom induktivnošću je moguće i mora poštivati geometrijska ograničenja. Antena može imati različite oblike: pravokutne, kvadratne, okrugle, šesterokutne ili čak osmerokutne. Za svaki oblik odgovara određena formula koja daje ekvivalentnu induktivnost ovisno o veličini, broju zavoja, širini tragova, debljini bakra i mnogim drugim parametrima …

Za dizajn svoje posjetnice odabrao sam pravokutnu antenu čija je geometrija sljedeća:

gdje:

• a0 & b0 su ukupne dimenzije antene (m)
• aavg & bavg su prosječne dimenzije antene (m)
• t je debljina kolosijeka (m)
• w je širina kolosijeka (m)
• g je razmak između kolosijeka (m)
• Nant je broj zavoja
• d je ekvivalentni promjer kolosijeka (m)

Za ovu specifičnu geometriju ekvivalentna induktivnost Lant je dana formulom:

gdje:

Da bih olakšao proračune, stvorio sam Excel-ov proračunski alat koji automatski izračunava ekvivalentnu induktivnost antene prema različitim geometrijskim parametrima. Ova mi je datoteka uštedjela mnogo vremena i napora da pronađem pravu geometriju antene.

Imao sam ekvivalentnu induktivnost Lant = 2, 76 μH (dovoljno blizu) sa sljedećim parametrima:

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

Ako ste alergični na matematiku i proračune, postoje i druge metode koje su detaljno opisane u sljedećim koracima. Još je važno proći kroz proračune kako biste saznali više o osnovama dizajna antene;)

Korak 6: Definiranje oblika antene: mrežni kalkulatori (druga metoda)

Alternativa dugim proračunima u prethodnom koraku je postojanje online kalkulatora geometrije antena. Ove kalkulatore izrađuju pojedinci ili profesionalci, a namjera im je pojednostaviti dizajn antena. Budući da je teško provjeriti koje kalkulacije rade ovi internetski kalkulatori, toplo se preporučuje upotreba kalkulatora koji prikazuju reference i formule koje se koriste, ili one koje su razvile specijalizirane kompanije.

STMicroelectronics nudi takav kalkulator u svojoj internetskoj aplikaciji eDesignSuite kako bi pomogao korisnicima da integriraju ST proizvode u svoj krug. Kalkulator je važeći za sve aplikacije sa NFC tehnologijom, pa se stoga može koristiti za NFC čip kompanije NXP.

S prethodno izračunatim geometrijskim vrijednostima, rezultirajući induktivitet izračunat aplikacijom eDesignSuite iznosi 2, 88 μH umjesto očekivane vrijednosti od 2, 76 μH. Ova razlika je iznenađujuća i dovodi u pitanje rezultat koji je prethodno postignut. Formula koju koristi aplikacija je nepoznata i nemoguće je napraviti usporedbu s prethodno izvršenim proračunima.

Dakle, koja od ove dvije metode daje tačan rezultat?

Nema! Mrežni kalkulatori i formule teorijski su alati za približavanje rezultata, ali moraju biti dopunjeni simulacijama sa specijaliziranim softverom i stvarnim testovima kako bi se dobio očekivani rezultat.

Srećom, već simulirana i testirana NFC rješenja stavljena su na raspolaganje dizajnerima elektronike i predmet su sljedećeg koraka …

Korak 7: Definiranje oblika antene: otvorene antene (3. metoda)

Kako bi olakšali implementaciju svojih NFC IC -ova, neki proizvođači pružaju cjelovita rješenja za dizajnere elektronike, poput vodiča za dizajn, bilješki o aplikacijama, pa čak i EDA datoteka.

Ovo je slučaj NXP-a, koji za svoj asortiman NFC integriranih krugova NTAG nudi potpuni vodič koji uključuje reference za dizajn NFC antena, Excel-ov proračunski alat za pravokutne i okrugle antene, gerber i Eagle datoteke za različite klase antena.

Klasa definira oblik i faktore veličine antene. Što je veća klasa, manja je antena. Za NFC, NXP preporučuje upotrebu antena “Klasa 3”, “Klasa 4”, “Klasa 5” ili “Klasa 6”.

Odlučio sam se usredotočiti na pravokutne antene klase 4, čija se veličina činila prilagođenom mojoj posjetnici, a koje će se nalaziti unutar zone definirane bilo:

• Vanjski pravokutnik: 50 x 27 mm
• Unutrašnji pravokutnik: 35 x 13 mm, centriran u vanjski pravokutnik, s radijusom ugla 3 mm

Za ovu klasu, NXP nudi Eagle datoteke antene koje su izradili njihovi inženjeri i već integrirane u neke od njihovih proizvoda. Glavna prednost ovog dizajna je što je već simuliran, ispravljen i potpuno optimiziran. Metode ispitivanja, ispravke i optimizacije predstavljene su u dokumentu koji je takođe dostupan.

Odlučio sam koristiti ovaj dizajn otvorenog koda kao model i stvoriti vlastitu verziju kako bih ga implementirao u biblioteku posvećenu projektu.

Korak 8: Stvaranje biblioteke Eagle

Da biste nacrtali elektroničko kolo posjetnice na Eagle -u, potrebno je imati simbole i otiske prstiju korištenih komponenti. Nedostajali su samo antena i NFC oznaka, pa sam ih morao stvoriti i uključiti u biblioteku za projekt.

Počeo sam s dizajniranjem antene kopiranjem pravokutne otvorene antene klase 4 koju pruža NXP. Promijenio sam samo položaj konektora i postavio ih na dužinu antene. Zatim sam paket povezao sa simbolom zavojnice i dodao oznake s imenom i vrijednošću:

Zatim sam dizajnirao NFC čip koristeći podatke navedene u tehničkom listu. Nazvao sam, dimenzionirao i spojio 8 pinova komponenti kako bi se formirao otisak 1, 6 * 1, 6 mm paketa XQFN8. Konačno, povezao sam paket sa simbolom NTAG -a i dodao oznake imena i vrijednosti:

Za više informacija o bibliotekama Eagle i kreiranju komponenti, Autodesk nudi vodiče na svojoj web stranici.

Korak 9: Šema

Izrada elektroničke sheme vrši se na EAGLE PCB -u.

Nakon uvoza prethodno kreirane biblioteke "PCB_BusinessCard.lbr", različite elektroničke komponente dodaju se u shemu.

NFC NT3H1101 integrirano kolo, jedina aktivna komponenta kruga, povezano je s pasivnim komponentama pomoću opisa njegovih pinova navedenih u tablici s podacima:

• Antena petlje od 2, 75 μH spojena je na LA i LB pinove.
• Izlaz za prikupljanje energije VOUT koristi se za napajanje NFC čipa i stoga je spojen na njegov VCC pin.
• Kondenzator od 220 nF spojen je između VOUT -a i VSS -a kako bi se zajamčio rad tijekom RF komunikacije.
• Konačno, LED i njegov serijski otpornik napaja VOUT.

Vrijednost otpora LED diode izračunava se sa ohmovim zakonom prema parametrima LED diode i naponu napajanja:

gdje:

• R je otpor (Ω)
• Vcc je napon napajanja (V)
• Vled je LED napredni napon (V)
• Iled je LED napredna struja (A)

Korak 10: Dizajn PCB -a: Bottom Face

Za dizajn svoje posjetnice želio sam postići nešto trijezno, ali to može pokazati koliko sam inventivan u životu i uvijek s novom idejom na umu. Odabrao sam dizajn žarulje sa žarnom niti, simbol nove ideje čije svjetlo može osvijetliti siva područja problema. Svidjela mi se i činjenica da je regruter mogao lako povezati moj profil na LinkedInu koji se pojavio na njegovom telefonu s novom dobrom idejom za njegovu kompaniju.

Počeo sam sa dizajniranjem sijalice koja zrači na softveru za vektorsko crtanje Inkscape. Crtež se izvozi u dvije BitMap datoteke, prva koja sadrži samo žarulju, a druga samo zrake svjetlosti.

Nazad na Eagle, koristio sam import-bmp ULP za uvoz BitMap slika koje je generisao Inkscape u Eagle crtež. Ovaj ULP generira SCRIPT datoteku koja iscrtava male pravokutnike uzastopnih piksela identične boje koji u kombinaciji ponovno stvaraju sliku.

• Dizajn sijalice uvezen je na 22. sloj "bPlace" i pojavit će se na sitotisku PCB -a u bijeloj boji, iznad crne maske za lemljenje.
• Crtež svjetlosnih zraka uvezen je na 16. sloj "Bottom" i smatrat će se bakrenom trakom prekrivenom maskom za crno lemljenje.

Korištenje bakrenog sloja za sliku omogućuje igru s debljinom PCB -a i na taj način stvara efekte teksture i boje koji su obično nemogući na PCB -u. Umjetničke ploče mogu se izraditi takvim trikovima, a ja sam bio jako inspiriran nekim projektima za PCB umjetnost.

Na kraju sam nacrtao konture kruga i dodao svoj moto "Uvijek nova ideja." na 22. sloju "bPlace".

Korak 11: Dizajn PCB -a: Gornja strana

Kako je gornja strana ploče lišena komponenti, bio sam slobodan pronaći elegantan način da označim svoje klasične kontakt podatke: prezime, ime, naslov, e -mail i telefonski broj.

Još jednom sam se igrao s različitim slojevima PCB -a: počeo sam definiranjem djelomične ravnine tla. Zatim sam uvezao tekst koji sadrži moje kontakt podatke na 29. sloju "tStop", koji kontrolira masku lemljenja za gornju stranu. Superpozicija ravnine tla i teksta na sloju "tStop" uzrokuje pojavljivanje slova na tlu bez maske za lemljenje, dajući tekstu lijep sjajni metalni aspekt.

Ali zašto ne biste stavili prizemni sloj na cijelu posjetnicu?

Raspored induktivne antene na PCB -u zahtijeva posebnu pažnju jer radio talasi ne mogu prolaziti kroz metale, a iznad ili ispod antene ne smije biti bakrenih ravnina.

Sljedeći primjer pokazuje dobru implementaciju, gdje su prijenos energije i komunikacija između čitača i NFC oznake prikladni jer nema bakrenih ravnina koje preklapaju antenu.

Sljedeći primjer pokazuje lošu implementaciju, gdje elektromagnetski tok ne može protjecati kroz antenu. Uzemljivačka ploča s jedne strane PCB -a blokira prijenos energije između čitača i antene NFC oznake:

Korak 12: Usmjeravanje PCB -a

Počeo sam postavljanjem svih različitih komponenti na donju stranu PCB -a.

LED dioda je postavljena na žarulju sa žarnom niti, a ostale komponente su raspoređene na naj diskretniji mogući način u podnožju sijalice.

Žice koje povezuju različite pasivne komponente jedna s drugom ili s NFC oznakom po mogućnosti se postavljaju ispod linija koje iscrtavaju žarulju iz estetskih razloga.

Konačno, antena je postavljena na dnu kola, oko gesla, i spojena na NFC integrirano kolo pomoću dvije tanke žice.

Dizajn PCB -a je sada gotov!

Korak 13: Generiranje Gerber datoteka

Gerber datoteke su standardna datoteka koju koristi softver industrije štampanih ploča za opisivanje slika PCB -a: bakreni slojevi, maska za lemljenje, legenda itd …

Bilo da se odlučite za proizvodnju PCB -a kod kuće ili povjerite proizvodni proces profesionalcu, bitno je generirati Gerber datoteke s PCB -a koji je prethodno napravljen na Eagle -u.

Izvoz Gerberovih datoteka iz Eagle-a vrlo je jednostavan pomoću ugrađenog CAM procesora: koristio sam CAM datoteku za dvoslojnu tiskanu ploču Seeed Fusion koja sadrži sve postavke koje koristi ovaj proizvođač i mnoge druge. Više informacija o Gerber generaciji s ovom datotekom možete pronaći na Seeedovoj web stranici.

CAM procesor generira.zip datoteku "NFC_BusinessCard.zip" koja sadrži 10 datoteka koje odgovaraju sljedećim slojevima PCB -a NFC poslovne kartice:

Extension	Sloj
NFC_BusinessCard. GBL	Donji bakar
NFC_BusinessCard. GBO	Donja sitotisak
NFC_BusinessCard. GBP	Donja lemna pasta
NFC_BusinessCard. GBS	Donja maska za lemljenje
NFC_BusinessCard. GML	Mill Layer
NFC_BusinessCard. GTL	Vrh bakra
NFC_BusinessCard. GTO	Vrh sitotiska
NFC_BusinessCard. GTP	Top Solder Paste
NFC_BusinessCard. GTS	Top Soldermask
NFC_BusinessCard. TXT	Drill File

Da bih bio siguran da će PCB izgledati baš onako kako sam želio, postavio sam Gerber datoteke u EasyEDA -in online preglednik Gerber. Promijenio sam temu u crnu, a završnu obradu u srebrnu kako bih vizualizirao konačni dizajn nakon izrade.

Zaista sam bio zadovoljan rezultatom i odlučio sam nastaviti s proizvodnim korakom …

Korak 14: Naručivanje PCB -a

Kako sam želio kvalitetnu završnu obradu svojih posjetnica, proces proizvodnje povjerio sam profesionalcu.

Mnogi proizvođači PCB -a sada nude vrlo konkurentne cijene: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay i mnogi drugi … Savjet: Za usporedbu cijena i usluga koje nude različiti proizvođači PCB -a, savjetujem da koristite web stranicu PCB Shopper koja mi je vrlo zgodna.

Za izradu mojih posjetnica uzeo sam u obzir jedan važan detalj: mnogi proizvođači PCB -a dopuštaju sebi da označe broj narudžbe na PCB sitotisku. Ovaj je broj, iako mali, neugodan, osobito ako PCB mora biti estetski. Na primjer, imao sam ovo loše iznenađenje za svoja božićna drvca od PCB -a od 1 USD, naručeno na SeeedStudio.

Iz iskustva sam znao da Elecrow nema ovu lošu naviku, pa sam odlučio povjeriti izradu svojih kartica ovom proizvođaču i naručio sam 10 posjetnica za 4,9 USD sa sljedećim postavkama:

• Slojevi: 2 sloja
• Dimenzije: 54*86 mm
• Različiti dizajn PCB -a: 1
• Debljina PCB -a: 0, 6 mm (najtanji dostupan)
• PCB boja: crna
• Površinska obrada: HASL
• Kaštelana rupa: Ne
• Težina bakra: 1 oz (prema izboru formule induktivnosti antene)

Dve nedelje kasnije, dobio sam svoje štampane ploče savršeno napravljene i bez ikakvog dosadnog broja narudžbe označenog na sitotisku. Zasad je dobro, vrijeme je za lemljenje ovih ploča!

Korak 15: Lemljenje NFC čipa

Sudijska nagrada na PCB takmičenju