Vizitka PCB s NFC: 18 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Po príchode na záver štúdia som si nedávno musel hľadať šesťmesačnú stáž v oblasti elektrotechniky. Aby som urobil dojem a maximalizoval svoje šance na prijatie do spoločnosti svojich snov, napadlo ma vytvoriť si vlastnú vizitku. Chcel som urobiť niečo jedinečné, užitočné a schopné predviesť svoje schopnosti v oblasti navrhovania elektronických obvodov, komu to odovzdám.

Pred tromi rokmi som pri prehliadaní Instructables našiel veľmi zaujímavý projekt od Joep1986 s názvom „Digitálna vizitka s NFC“. Tento projekt zahŕňal vloženie štítku NFC do papierovej vizitky na zdieľanie kontaktných informácií s telefónom vybaveným technológiou NFC. Tento projekt sa mi zdal veľmi inšpiratívny a myslel som si, že nahradím generický tag NFC vlastným obvodom podľa môjho vynálezu.

Tak som prišiel s nápadom vytvoriť si vlastnú vizitku na doske s plošnými spojmi, schopnú v okamihu odoslať môj profil LinkedIn na smartfón náborového pracovníka pomocou technológie NFC.

Tento návod pokrýva každý krok, ktorý som dodržal, aby som si predstavil, navrhol a vytvoril svoju vizitku DPS s NFC, od výpočtov parametrov antény až po programovanie čipu NFC cez textúrovaný návrh DPS.

Krok 1: kusovník, potrebné nástroje a zručnosti

Budete potrebovať:

Potrebné nástroje:

• spájkovačka
• teplovzdušný nástroj na prepracovanie
• spájkovacia pasta
• tavidlo spájky
• spájkovací drôt
• pinzeta s dlhým nosom
• pinzeta s krížovým zámkom
• izopropylalkohol
• tip Q
• špáradlo
• telefón s NFC

Voliteľné (ale praktické) nástroje:

• Odsávač pár
• Veľkolepé sklo

Zručnosti:

SMD spájkovacie schopnosti

Kusovník:

Komponent	Balíček	Referencia	Množstvo	Dodávateľ
NFC čip 1 kB	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Žltá LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
Odpor 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
Kondenzátor 220 nF	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
DPS	-	-	1	Elecrow

Krok 2: Technológia NFC

Čo je to NFC?

NFC je skratka pre Near Field Communication. Jedná sa o rádiovú technológiu krátkeho dosahu, ktorá umožňuje komunikáciu medzi zariadeniami, ktoré sú držané v tesnej blízkosti (<10 cm). Systémy NFC sú založené na tradičných vysokofrekvenčných (HF) RFID, pracujúcich na frekvencii 13,56 MHz.

V súčasnosti štandard NFC podporuje rôzne rýchlosti prenosu dát až do 424 kbit/s. Princíp mechanizmu komunikácie NFC medzi dvoma zariadeniami je rovnaký ako v prípade tradičného RFID 13,56 MHz, kde je master aj slave. Master sa nazýva emitor alebo čitateľ/zapisovateľ a otrok je štítok alebo karta.

Ako to funguje ?

NFC vždy zahŕňa iniciátor a cieľ: iniciátor (vysielač) aktívne generuje RF pole, ktoré môže napájať pasívny cieľ (Tag) pomocou elektromagnetickej indukcie medzi dvoma slučkovými anténami:

Antény vysielača a štítku sú spojené pomocou elektromagnetického poľa a tento systém je možné najlepšie vnímať ako transformátor so vzduchovým jadrom, kde čítačka funguje ako primárne vinutie a značka ako sekundárne vinutie: striedavý prúd prechádzajúci primárnym cievka (vysielač) indukuje pole vo vzduchu a indukuje prúd v sekundárnej cievke (Tag). Štítok môže používať prúd z poľa na samotné napájanie: v tomto prípade nie je na prístup k nemu potrebná žiadna batéria, ani v režime čítania, ani v režime zápisu. Čip značky NFC čerpá všetku potrebnú energiu na prevádzku z magnetického poľa generovaného čítačkou prostredníctvom jeho slučkovej antény.

Kde sa používa NFC?

NFC je rastúcou technológiou s potrebou bezdrôtového pripojenia elektronických zariadení. NFC je široko integrovaný v smartfónoch, aby komunikoval s fyzickými zariadeniami kompatibilnými s NFC a poskytoval nové služby, ako je bezkontaktné platby.

Pretože štítky NFC nemusia integrovať zdroj energie, pretože môžu byť napájané energiou vyžarovanou čítačkou, môžu mať veľmi jednoduché tvarové faktory, ako sú štítky, nálepky, karty alebo dokonca prstene bez napájania.

Veľmi sa mi páčilo, že značky NFC nevkladajú na ovládanie znečisťujúce gombíkové bunky, ale namiesto toho používajú iba energiu vysielača.

Krok 3: Čip NFC

NFC IC

Srdcom vizitky je čip NFC.

Moja požiadavka bola:

• malý balík SMD
• dostatok pamäte na odkaz na môj profil na LinkedIn
• vstavaný modul na zber energie

Po porovnaní viacerých NFC modulov som sa rozhodol pre NTAG NT3H1101 IC od NXP. Podľa jeho technického listu:

„NTAG I2C je prvým produktom rodiny NTX spoločnosti NXP, ktorý ponúka bezkontaktné aj kontaktné rozhrania (pozri obrázok 1). Okrem pasívneho bezkontaktného rozhrania kompatibilného s NFC Forum je integrovaný obvod vybavený kontaktným rozhraním I2C, ktoré môže komunikovať s mikrokontrolérom, ak NTAG I2C je napájaný z externého zdroja napájania. Ďalší externe napájaný SRAM mapovaný do pamäte umožňuje rýchly prenos dát medzi rozhraniami RF a I2C a naopak, bez obmedzení cyklu zápisu pamäte EEPROM. Vlastnosti produktu NTAG I2C konfigurovateľný kolík detekcie poľa, ktorý poskytuje spúšť externému zariadeniu v závislosti od aktivít na RF rozhraní. Výrobok NTAG I2C môže tiež napájať externé (nízkoenergetické) zariadenia (napr. mikrokontrolér) prostredníctvom vstavaného obvodu zberu energie."

Krok 4: Výpočet indukčnosti antény

Na komunikáciu a napájanie musí mať štítok NFC anténu. Postup návrhu antény začína ekvivalentným modelom čipu NFC a jeho slučkovej antény:

kde:

• Voc je napätie otvoreného obvodu indukované magnetickým poľom v slučkovej anténe
• Ra je ekvivalentný odpor slučkovej antény
• La je ekvivalentná indukčnosť slučkovej antény
• Rs je sériovo ekvivalentný odpor čipu NFC
• Cs je sériovo ekvivalentná tuningová kapacita čipu NFC

Anténu je možné popísať induktorom La s veľmi malým stratovým odporom Ra. Keď je emitor v slučkovej anténe indukovaný magnetické pole, indukuje sa v ňom prúd a na jeho svorkách sa objaví napätie Voc v otvorenom obvode. Čip NFC je možné opísať vstupným odporom Rs a vstavaným ladiacim kondenzátorom Cs.

Sériové odpory Ra a R sú zhrnuté pre posledný ekvivalentný model obvodu pozostávajúceho z integrovaného obvodu NFC a jeho slučkovej antény:

NFC IC odpor Rs spolu s anténnym odporom Ra a vstavaným kondenzátorom Cs tvorí rezonančný obvod RLC s induktorom La antény. Ďalšie informácie o rezonančných obvodoch RLC sú vysvetlené v online návodoch pre elektroniku.

Rezonančná frekvencia sériového obvodu RLC je daná vzorcom:

kde:

• f je rezonančná frekvencia (Hz)
• L je ekvivalentná indukčnosť obvodu (H)
• C je ekvivalentná kapacita obvodu (F)

Jediným neznámym parametrom rovnice je hodnota indukčnosti L. Tento je tak izolovaný, aby sa dal vypočítať:

S vedomím, že prevádzková frekvencia NFC je 13,56 MHz a že ladiaci kondenzátor NT3H1101 je 50 pF, indukčnosť L sa vypočíta:

Aby rezonovala na frekvencii NFC, anténa vizitky plošných spojov musí mať celkovú indukčnosť 2, 75 μH.

Krok 5: Definovanie tvaru antény: geometrické výpočty (1. metóda)

Navrhnutie slučkovej antény na doske plošných spojov so špecifickou indukčnosťou je možné a musí rešpektovať geometrické obmedzenia. Anténa môže mať rôzne tvary: obdĺžnikové, štvorcové, okrúhle, šesťuholníkové alebo dokonca osemhranné. Pre každý tvar zodpovedá špecifický vzorec, ktorý udáva ekvivalentnú indukčnosť v závislosti od veľkosti, počtu závitov, šírky stôp, hrúbky medi a mnohých ďalších parametrov …

Na návrh svojej vizitky som použil obdĺžnikovú anténu, ktorej geometria je nasledovná:

kde:

• a0 a b0 sú celkové rozmery antény (m)
• aavg & bavg sú priemerné rozmery antény (m)
• t je hrúbka dráhy (m)
• w je šírka stopy (m)
• g je medzera medzi koľajami (m)
• Nant je počet zákrut
• d je ekvivalentný priemer dráhy (m)

Pre túto špecifickú geometriu je ekvivalentná indukčnosť Lant daná vzorcom:

kde:

Aby boli výpočty jednoduchšie, vytvoril som výpočtový nástroj na základe Excelu, ktorý automaticky vypočíta ekvivalentnú indukčnosť antény podľa rôznych geometrických parametrov. Tento súbor mi ušetril veľa času a úsilia pri hľadaní správnej geometrie antény.

Mal som ekvivalentnú indukčnosť Lant = 2, 76 μH (dostatočne blízko) s nasledujúcimi parametrami:

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

Ak ste alergický na matematiku a výpočty, existujú ďalšie metódy, ktoré sú popísané v nasledujúcich krokoch. Je stále dôležité prejsť výpočtami, aby ste sa dozvedeli viac o základoch konštrukcie antény;)

Krok 6: Definovanie tvaru antény: online kalkulačky (2. metóda)

Alternatívou k dlhým výpočtom, ku ktorým došlo v predchádzajúcom kroku, je existencia online kalkulačiek geometrie antény. Tieto kalkulačky vyrábajú jednotlivci alebo profesionáli a majú zjednodušiť návrh antén. Pretože je ťažké overiť, aké výpočty robia tieto online kalkulačky, dôrazne sa odporúča používať kalkulačky, ktoré ukazujú referencie a použité vzorce alebo vzorce vyvinuté špecializovanými spoločnosťami.

Spoločnosť STMicroelectronics ponúka vo svojej online aplikácii eDesignSuite takúto kalkulačku, aby pomohla zákazníkom integrovať produkty ST do ich obvodu. Kalkulačka je platná pre každú aplikáciu s technológiou NFC, a preto ju možno použiť pre čip NFC od NXP.

Pri predtým vypočítaných geometrických hodnotách je výsledná indukčnosť vypočítaná aplikáciou eDesignSuite 2, 88 μH namiesto očakávanej hodnoty 2, 76 μH. Tento rozdiel je prekvapivý a spochybňuje výsledok získaný predtým. Vzorec používaný aplikáciou nie je známy a nie je možné ho porovnať s predtým vykonanými výpočtami.

Ktorá z týchto dvoch metód teda poskytuje správny výsledok?

Žiadny! Online kalkulačky a vzorce sú teoretickými nástrojmi na aproximáciu výsledku, ale musia byť doplnené simuláciami so špecializovaným softvérom a skutočnými testami, aby sa dosiahol očakávaný výsledok.

Našťastie už simulované a testované riešenia NFC boli k dispozícii dizajnérom elektroniky a sú predmetom ďalšieho kroku …

Krok 7: Definovanie tvaru antény: Antény s otvoreným zdrojom (3. metóda)

Aby sa uľahčila implementácia ich integrovaných obvodov NFC, niektorí výrobcovia poskytujú kompletné riešenia pre dizajnérov elektroniky, ako sú napríklad príručky návrhu, poznámky k aplikácii a dokonca aj súbory EDA.

To je prípad spoločnosti NXP, ktorá ponúka pre svoj sortiment integrovaných obvodov NFC NTAG kompletného sprievodcu vrátane referencií na návrh antény NFC, nástroj na výpočet založený na Exceli pre obdĺžnikové a okrúhle antény, súbory Gerber a Eagle pre rôzne triedy antén.

Trieda definuje faktory tvaru a veľkosti antény. Čím väčšia trieda, tým menšia anténa. Pre NFC spoločnosť NXP odporúča používať antény „triedy 3“, „triedy 4“, „triedy 5“alebo „triedy 6“.

Rozhodol som sa zamerať na obdĺžnikové antény triedy 4, ktorých veľkosť sa zdala byť prispôsobená mojej vizitke a ktoré budú umiestnené v zóne definovanej buď:

• Vonkajší obdĺžnik: 50 x 27 mm
• Vnútorný obdĺžnik: 35 x 13 mm, so stredom vo vonkajšom obdĺžniku, s polomerom rohu 3 mm

Pre túto triedu poskytuje NXP súbory Eagle antény vyrobené ich inžiniermi a už integrované v niektorých ich produktoch. Hlavnou výhodou tohto dizajnu je, že už bol simulovaný, opravený a plne optimalizovaný. Testovacie metódy, opravy a optimalizácie sú uvedené v dokumente, ktorý je tiež k dispozícii.

Rozhodol som sa použiť tento open source dizajn ako model a vytvoriť si vlastnú verziu na implementáciu do knižnice venovanej projektu.

Krok 8: Vytvorenie Eagle Librairy

Aby bolo možné nakresliť elektronický obvod vizitky na Eagle, je potrebné mať k dispozícii symboly a odtlačky prstov použitých komponentov. Chýbala iba anténa a značka NFC, takže som ich musel vytvoriť a zaradiť do knižnice projektu.

Začal som navrhnutím antény skopírovaním obdĺžnikovej antény open-source triedy 4 od NXP. Zmenil som iba polohu konektorov a umiestnil ich na dĺžku antény. Potom som balík spojil so symbolom cievky a pridal štítky s názvom a hodnotou:

Ďalej som navrhol čip NFC pomocou údajov uvedených v jeho technickom liste. Pomenoval som, dimenzoval a dal dohromady 8 kolíkov komponentov, aby vytvorili stopu 1, 6 * 1, 6 mm v balení XQFN8. Nakoniec som balík spojil so symbolom NTAG a pridal štítky s názvom a hodnotou:

Viac informácií o knižniciach Eagle a vytváraní komponentov ponúka spoločnosť Autodesk na svojom webe návody.

Krok 9: Schéma

Elektronická schéma sa vytvára na EAGLE PCB.

Po importovaní predtým vytvorenej knižnice „PCB_BusinessCard.lbr“sa do schémy pridajú rôzne elektronické súčiastky.

Integrovaný obvod NFC NT3H1101, jediný aktívny komponent obvodu, je pripojený k pasívnym komponentom pomocou popisov jeho pinov uvedených v jeho technickom liste:

• Smyčková anténa 2, 75 μH je pripojená k pinom LA a LB.
• Výstup VOUT na zber energie slúži na napájanie čipu NFC, a preto je pripojený k jeho kolíku VCC.
• Medzi VOUT a VSS je zapojený kondenzátor 220 nF, aby bola zaručená prevádzka počas RF komunikácie.
• Nakoniec LED a jeho sériový odpor napája VOUT.

Hodnota odporu LED sa vypočíta podľa ohmovho zákona podľa parametrov LED a napájacieho napätia:

kde:

• R je odpor (Ω)
• Vcc je napájacie napätie (V)
• Vled je predné napätie LED (V)
• Iled je dopredný prúd LED (A)

Krok 10: Dizajn DPS: Spodná strana

Pri navrhovaní svojej vizitky som chcel dosiahnuť niečo triezve, ale to môže ukázať, ako som v živote vynaliezavý a vždy mám na mysli nový nápad. Vybral som si dizajn žiarovky, symbolu novej myšlienky, ktorej svetlo môže osvetliť sivé oblasti problému. Tiež sa mi páčilo, že náborový pracovník môže ľahko spojiť môj profil LinkedIn zobrazujúci sa v jeho telefóne s novým dobrým nápadom pre jeho spoločnosť.

Začal som návrhom žiarivej žiarovky na softvéri na kreslenie vektorov Inkscape. Kresba sa exportuje do dvoch súborov BitMap, pričom prvý obsahuje iba žiarovku a druhý iba svetelné lúče.

Späť na Eagle, použil som import-bmp ULP na import bitmapových obrázkov generovaných Inkscape do výkresu Eagle. Tento ULP generuje súbor SCRIPT, ktorý kreslí malé obdĺžniky postupných pixelov s rovnakou farbou, ktoré kombinujú a obnovujú obraz.

• Dizajn žiarovky je importovaný na 22. vrstvu „bPlace“a objaví sa na silkscreen PCB v bielej farbe, nad maskou čiernej spájky.
• Kresba svetelných lúčov je importovaná na 16. vrstvu „Spodok“a bude považovaná za medenú stopu pokrytú maskou čiernej spájky.

Použitie medenej vrstvy na obrázok umožňuje hrať s hrúbkou DPS a vytvárať tak textúry a farebné efekty, ktoré sú na DPS bežne nemožné. Umelecké tabule sa dajú robiť aj pomocou týchto trikov a veľmi ma inšpirovali niektoré pcb-art projekty.

Nakoniec som nakreslil obrysy okruhu a pridal svoje heslo „Vždy nový nápad“. na 22. vrstve „bPlace“.

Krok 11: Dizajn DPS: horná strana

Pretože horná strana dosky neobsahuje žiadne súčasti, mohol som nájsť elegantný spôsob, ako označiť svoje klasické kontaktné informácie: priezvisko, meno, titul, e -mail a telefónne číslo.

Opäť som sa hral s rôznymi vrstvami DPS: Začal som definovaním čiastočnej pozemnej roviny. Potom som importoval text obsahujúci moje kontaktné informácie na 29. vrstvu „tStop“, ktorá ovláda masku spájky pre hornú stranu. Superpozícia základnej roviny a textu na vrstve „tStop“spôsobuje, že sa písmená objavujú na základnej rovine bez masky spájky, čo dáva textu pekný lesklý kovový aspekt.

Prečo však nedať pozemnú rovinu na celú vizitku?

Rozloženie indukčnej antény na doske plošných spojov si vyžaduje osobitnú pozornosť, pretože rádiové vlny nemôžu prechádzať kovmi a nad ani pod anténou nesmú byť žiadne medené roviny.

Nasledujúci príklad ukazuje dobrú implementáciu, kde je prenos energie a komunikácia medzi čítačkou a NFC tagom vhodné, pretože žiadne medené roviny neprekrývajú anténu.

Nasledujúci príklad ukazuje zlú implementáciu, kde elektromagnetický tok nemôže pretekať anténou. Pozemná rovina na jednej strane DPS blokuje prenos energie medzi čítačkou a anténou NFC:

Krok 12: Smerovanie DPS

Začal som umiestnením všetkých rôznych komponentov na spodnú stranu PCB.

LED dióda je umiestnená na vlákne žiarovky a ostatné komponenty sú usporiadané čo naj diskrétnejšie v spodnej časti žiarovky.

Drôty spájajúce rôzne pasívne komponenty k sebe navzájom alebo k štítku NFC sú z estetických dôvodov výhodne umiestnené pod čiary kresliace žiarovku.

Nakoniec je anténa umiestnená v spodnej časti obvodu, okolo hesla, a pripojená k integrovanému obvodu NFC dvoma tenkými vodičmi.

Návrh DPS je teraz hotový!

Krok 13: Generovanie súborov Gerber

Súbory Gerber sú štandardné súbory, ktoré priemyselný softvér dosiek plošných spojov používa na opis obrazov PCB: medené vrstvy, spájkovacia maska, legenda, atď …

Či už sa rozhodnete vyrábať svoju DPS doma alebo zveríte výrobný proces profesionálovi, je nevyhnutné vygenerovať súbory Gerber z DPS, ktorá bola predtým vyrobená na Eagle.

Export súborov Gerber z Eagle je veľmi jednoduchý pomocou vstavaného procesora CAM: Použil som súbor CAM pre dvojvrstvovú dosku Seeed Fusion, ktorá obsahuje všetky nastavenia používané týmto výrobcom a mnoho ďalších. Viac informácií o generácii Gerbera pomocou tohto súboru nájdete na webovej stránke spoločnosti Seeed.

Procesor CAM generuje súbor.zip „NFC_BusinessCard.zip“obsahujúci 10 súborov zodpovedajúcich nasledujúcim vrstvám dosky plošných spojov NFC:

Predĺženie	Vrstva
NFC_BusinessCard. GBL	Spodná meď
NFC_BusinessCard. GBO	Spodná sieťotlač
NFC_BusinessCard. GBP	Spodná spájkovacia pasta
NFC_BusinessCard. GBS	Spodná maska
NFC_BusinessCard. GML	Mlynská vrstva
NFC_BusinessCard. GTL	Špičková meď
NFC_BusinessCard. GTO	Najvyššia sieťotlač
NFC_BusinessCard. GTP	Špičková spájkovacia pasta
NFC_BusinessCard. GTS	Najpredávanejšia maska
NFC_BusinessCard. TXT	Vŕtací súbor

Aby som si bol istý, že PCB bude vyzerať presne tak, ako som chcel, nahral som súbory Gerber do online prehliadača Gerber spoločnosti EasyEDA. Zmenil som tému na čiernu a povrchovú úpravu na striebornú, aby som po vyrobení vizualizoval konečný dizajn.

S výsledkom som bol skutočne spokojný a rozhodol som sa pokračovať vo výrobnom kroku …

Krok 14: Objednávka PCB

Keďže som chcel mať na vizitkách kvalitný povrch, zveril som výrobný proces profesionálovi.

Mnoho výrobcov PCB teraz ponúka veľmi konkurencieschopné ceny: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay a mnoho ďalších … Tip: Na porovnanie cien a služieb ponúkaných rôznymi výrobcami PCB odporúčam použiť webovú stránku Shopper PCB, ktorá sa mi zdá veľmi praktická.

Pri výrobe svojich vizitiek som vzal do úvahy dôležitý detail: mnoho výrobcov PCB si dovoľuje označiť číslo objednávky na sieťotlači PCB. Toto číslo, aj keď je malé, je nepríjemné, najmä keď musí byť doska plošných spojov estetická. Napríklad som mal toto zlé prekvapenie pre moje vianočné stromčeky s plošnými spojmi za 1 dolár objednané na SeeedStudio.

Zo skúsenosti som vedel, že Elecrow nemá tento zlozvyk, a tak som sa rozhodol zveriť výrobu svojich kariet tomuto výrobcovi a objednal som si 10 vizitiek za 4,9 dolára s nasledujúcim nastavením:

• Vrstvy: 2 vrstvy
• Rozmery: 54*86 mm
• Rôzny dizajn DPS: 1
• Hrúbka dosky plošných spojov: 0,6 mm (najtenšia dostupná)
• Farba PCB: čierna
• Povrchová úprava: HASL
• Castellated Hole: Nie
• Hmotnosť medi: 1 oz (podľa zvoleného vzorca indukčnosti antény)

O dva týždne neskôr som dostal svoje DPS perfektne vyrobené a bez nepríjemného čísla objednávky vyznačeného na sieťotlači. Zatiaľ je to dobré, čas na spájkovanie týchto dosiek!

Krok 15: Spájkovanie čipu NFC

Cena porotcov v súťaži PCB