Vizitka PCB s NFC: 18 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Když jsem dorazil na konci studia, musel jsem nedávno hledat šestiměsíční stáž v oboru elektrotechniky. Abych udělal dojem a maximalizoval své šance na nábor do společnosti svých snů, napadlo mě vytvořit si vlastní vizitku. Chtěl jsem udělat něco jedinečného, užitečného a schopného předvést své dovednosti v oblasti návrhu elektronických obvodů, komu to předám.

Před třemi lety jsem při procházení Instructables našel velmi zajímavý projekt od Joep1986 s názvem „Digitální vizitka s NFC“. Tento projekt zahrnoval vložení značky NFC do papírové vizitky pro sdílení kontaktních informací s telefonem vybaveným technologií NFC. Tento projekt mi připadal velmi inspirativní a myslel jsem si, že nahradím obecný tag NFC vlastním obvodem podle mého vynálezu.

Tak jsem přišel s nápadem vytvořit si vlastní vizitku na desce s plošnými spoji, schopnou v okamžiku odeslat můj profil LinkedIn na smartphone náboráře pomocí technologie NFC.

Tento Instructable pokrývá každý krok, který jsem sledoval, abych si představil, navrhl a vytvořil svou vizitku DPS s NFC, od výpočtů parametrů antény až po programování čipu NFC přes texturovaný návrh DPS.

Krok 1: Kusovník, potřebné nástroje a dovednosti

Budete potřebovat:

Potřebné nástroje:

• páječka
• nástroj pro přepracování horkého vzduchu
• pájecí pastu
• tavidlo pájky
• pájecí drát
• pinzeta s dlouhým nosem
• pinzeta s křížovým zámkem
• isopropylalkohol
• tip Q
• párátko
• telefon s NFC

Volitelné (ale šikovné) nástroje:

• Odsavač par
• Velkolepé sklo

Dovednosti:

Pájecí schopnosti SMD

Kusovník:

Komponent	Balík	Odkaz	Množství	Dodavatel
NFC čip 1 kB	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Myší lovec
Žlutá LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Myší lovec
Odpor 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Myší lovec
220 nF kondenzátor	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Myší lovec
PCB	-	-	1	Elecrow

Krok 2: Technologie NFC

Co je NFC?

NFC je zkratka pro Near Field Communication. Jedná se o rádiovou technologii krátkého dosahu, která umožňuje komunikaci mezi zařízeními drženými v těsné blízkosti (<10 cm). Systémy NFC jsou založeny na tradičních vysokofrekvenčních (HF) RFID, pracujících na frekvenci 13, 56 MHz.

V současné době standard NFC podporuje různé rychlosti přenosu dat až 424 kbit/s. Princip mechanismu komunikace NFC mezi dvěma zařízeními je stejný jako u tradičního RFID 13, 56 MHz, kde je master i slave. Master se nazývá emitor nebo čtečka/zapisovatel a otrok je štítek nebo karta.

Jak to funguje ?

NFC vždy zahrnuje iniciátor a cíl: iniciátor (vysílač) aktivně generuje RF pole, které může napájet pasivní cíl (tag) pomocí elektromagnetické indukce mezi dvěma smyčkovými anténami:

Antény vysílače a štítku jsou spojeny prostřednictvím elektromagnetického pole a tento systém lze nejlépe považovat za transformátor vzduchového jádra, kde čtečka funguje jako primární vinutí a tag jako sekundární vinutí: střídavý proud procházející primárním cívka (vysílač) indukuje pole ve vzduchu a indukuje proud v sekundární cívce (Tag). Štítek může využívat proud z pole k samotnému napájení: v tomto případě není pro přístup k němu zapotřebí žádná baterie, a to ani v režimu čtení, ani v režimu zápisu. Čip značky NFC odebírá veškerou potřebnou energii k provozu z magnetického pole generovaného čtečkou prostřednictvím smyčkové antény.

Kde se používá NFC?

NFC je rostoucí technologie s potřebou bezdrátového připojení elektronických zařízení. NFC je široce integrován do smartphonů, aby komunikoval s fyzickými zařízeními kompatibilními s NFC a poskytoval nové služby, jako je bezkontaktní platba.

Vzhledem k tomu, že tagy NFC nemusí integrovat zdroj energie, protože mohou být napájeny energií vyzařovanou čtečkou, mohou mít velmi jednoduché tvarové faktory, jako jsou nenapájené tagy, samolepky, karty nebo dokonce prsteny.

Opravdu se mi líbilo, že NFC tagy nevkládají znečišťující knoflíkové buňky k provozu, ale místo toho používají pouze energii vysílače.

Krok 3: Čip NFC

NFC IC

Čip NFC je srdcem vizitky.

Můj požadavek byl:

• malý balíček SMD
• dostatek paměti pro odkaz na můj profil na LinkedIn
• vestavěný modul pro získávání energie

Po porovnání několika NFC modulů jsem se rozhodl pro NTAG NT3H1101 IC od NXP. Podle jeho listu:

„NTAG I2C je prvním produktem rodiny NTX od NXP, který nabízí bezkontaktní i kontaktní rozhraní (viz obrázek 1). Kromě pasivního bezkontaktního rozhraní kompatibilního s NFC Forum je IC vybaveno kontaktním rozhraním I2C, které může komunikovat s mikrokontrolérem, pokud NTAG I2C je napájen z externího napájecího zdroje. Další externě napájený SRAM mapovaný do paměti umožňuje rychlý přenos dat mezi rozhraními RF a I2C a naopak, bez omezení cyklu zápisu paměti EEPROM. Vlastnosti produktu NTAG I2C konfigurovatelný pin pro detekci pole, který poskytuje spoušť externímu zařízení v závislosti na aktivitách na rozhraní RF. Produkt NTAG I2C může také napájet externí (nízkoenergetická) zařízení (např. mikrokontrolér) prostřednictvím integrovaných obvodů pro sběr energie."

Krok 4: Výpočet indukčnosti antény

Aby mohla značka NFC komunikovat a být napájena, musí mít anténu. Proces návrhu antény začíná ekvivalentním modelem čipu NFC a jeho smyčkové antény:

kde:

• Voc je napětí naprázdno indukované magnetickým polem ve smyčkové anténě
• Ra je ekvivalentní odpor smyčkové antény
• La je ekvivalentní indukčnost smyčkové antény
• Rs je sériově ekvivalentní odpor čipu NFC
• Cs je sériově ekvivalentní tuningová kapacita čipu NFC

Anténu lze popsat induktorem La s velmi malým ztrátovým odporem Ra. Když je emitor ve smyčkové anténě indukován magnetické pole, je v něm indukován proud a na jeho svorkách se objeví napětí otevřeného obvodu Voc. Čip NFC lze popsat vstupním odporem Rs a vestavěným ladicím kondenzátorem Cs.

Sériové odpory Ra a R jsou sečteny pro poslední ekvivalentní model obvodu sestávajícího z integrovaného obvodu NFC a jeho smyčkové antény:

NFC IC odpor Rs společně s anténním odporem Ra a vestavěným kondenzátorem Cs tvoří rezonanční obvod RLC s induktorem La antény. Další informace o rezonančních obvodech RLC jsou vysvětleny v online výukových programech pro elektroniku.

Rezonanční frekvence sériového obvodu RLC je dána vzorcem:

kde:

• f je rezonanční frekvence (Hz)
• L je ekvivalentní indukčnost obvodu (H)
• C je ekvivalentní kapacita obvodu (F)

Jediným neznámým parametrem rovnice je hodnota indukčnosti L. Ten je tak izolovaný, aby se dal vypočítat:

S vědomím, že pracovní frekvence NFC je 13, 56 MHz a že ladicí kondenzátor NT3H1101 je 50 pF, vypočítá se indukčnost L:

Aby rezonovala na frekvenci NFC, musí mít anténa vizitky DPS celkovou indukčnost 2, 75 μH.

Krok 5: Definování tvaru antény: Geometrické výpočty (1. metoda)

Návrh smyčkové antény na desce plošných spojů se specifickou indukčností je možný a musí respektovat geometrická omezení. Anténa může mít různé tvary: obdélníkový, čtvercový, kulatý, šestiúhelníkový nebo dokonce osmiúhelníkový. Pro každý tvar odpovídá specifický vzorec, který udává ekvivalentní indukčnost v závislosti na velikosti, počtu závitů, šířce stop, tloušťce mědi a mnoha dalších parametrech …

Pro návrh mé vizitky jsem zvolil použití obdélníkové antény, jejíž geometrie je následující:

kde:

• a0 & b0 jsou celkové rozměry antény (m)
• aavg & bavg jsou průměrné rozměry antény (m)
• t je tloušťka stopy (m)
• w je šířka stopy (m)
• g je mezera mezi stopami (m)
• Nant je počet otáček
• d je ekvivalentní průměr dráhy (m)

Pro tuto specifickou geometrii je ekvivalentní indukčnost Lant dána vzorcem:

kde:

Aby byly výpočty snazší, vytvořil jsem výpočetní nástroj založený na Excelu, který automaticky vypočítá ekvivalentní indukčnost antény podle různých geometrických parametrů. Tento soubor mi ušetřil spoustu času a úsilí najít správnou geometrii antény.

Měl jsem ekvivalentní indukčnost Lant = 2, 76 μH (dostatečně blízko) s následujícími parametry:

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

Pokud jste alergičtí na matematiku a výpočty, existují další metody, které jsou podrobně popsány v následujících krocích. Je stále důležité projít výpočty, abyste se dozvěděli více o základech návrhu antény;)

Krok 6: Definování tvaru antény: online kalkulačky (2. metoda)

Alternativou k dlouhým výpočtům v předchozím kroku je existence online kalkulaček geometrie antény. Tyto kalkulačky vyrábějí jednotlivci nebo profesionálové a mají zjednodušit návrh antén. Jelikož je obtížné ověřit, jaké výpočty tyto online kalkulačky provádějí, důrazně doporučujeme používat kalkulačky, které ukazují použité reference a vzorce nebo vzorce vyvinuté specializovanými společnostmi.

STMicroelectronics nabízí ve své online aplikaci eDesignSuite takovou kalkulačku, která pomáhá zákazníkům integrovat produkty ST do jejich obvodu. Kalkulačka je platná pro jakoukoli aplikaci s technologií NFC, a proto ji lze použít pro čip NFC od NXP.

S dříve vypočítanými geometrickými hodnotami je výsledná indukčnost vypočítaná aplikací eDesignSuite 2, 88 μH místo očekávané hodnoty 2, 76 μH. Tento rozdíl je překvapivý a zpochybňuje výsledek získaný dříve. Vzorec používaný aplikací není znám a nelze jej porovnat s dříve provedenými výpočty.

Která z těchto dvou metod tedy poskytuje správný výsledek?

Žádný ! Online kalkulačky a vzorce jsou teoretické nástroje pro přiblížení výsledku, ale musí být doplněny simulacemi se specializovaným softwarem a reálnými testy, aby se dosáhlo očekávaného výsledku.

Naštěstí již simulovaná a testovaná řešení NFC byla k dispozici návrhářům elektroniky a jsou předmětem dalšího kroku …

Krok 7: Definování tvaru antény: Open Source antény (3. metoda)

Aby se usnadnila implementace jejich integrovaných obvodů NFC, někteří výrobci poskytují kompletní řešení pro návrháře elektroniky, jako jsou návrhové příručky, poznámky k aplikacím a dokonce soubory EDA.

To je případ společnosti NXP, která pro svůj sortiment integrovaných obvodů NFC NTAG nabízí kompletní průvodce včetně referencí na návrh antény NFC, výpočetní nástroj založený na Excelu pro obdélníkové a kulaté antény, soubory Gerber a Eagle pro různé třídy antén.

Třída definuje faktory tvaru a velikosti antény. Čím větší třída, tím menší anténa. Pro NFC NXP doporučuje používat antény „Class 3“, „Class 4“, „Class 5“nebo „Class 6“.

Rozhodl jsem se zaměřit na obdélníkové antény třídy 4, jejichž velikost se zdála přizpůsobena mé vizitce, která bude umístěna v zóně definované buď:

• Vnější obdélník: 50 x 27 mm
• Vnitřní obdélník: 35 x 13 mm, se středem ve vnějším obdélníku, s poloměrem rohu 3 mm

Pro tuto třídu poskytuje NXP soubory Eagle antény vyrobené jejich inženýry a již integrované v některých jejich produktech. Hlavní výhodou tohoto návrhu je, že již byl simulován, opraven a plně optimalizován. Testovací metody, opravy a optimalizace jsou uvedeny v dokumentu, který je také k dispozici.

Rozhodl jsem se použít tento open source design jako model a vytvořit si vlastní verzi pro jeho implementaci do knihovny věnované projektu.

Krok 8: Vytvoření Eagle Librairy

Aby bylo možné nakreslit elektronický obvod vizitky na Eagle, je nutné mít symboly a otisky prstů použitých komponent. Chyběla pouze anténa a značka NFC, takže jsem je musel vytvořit a zahrnout do knihovny projektu.

Začal jsem návrhem antény zkopírováním obdélníkové antény open-source třídy 4 od NXP. Změnil jsem pouze polohu konektorů a umístil je na délku antény. Pak jsem balíček spojil se symbolem cívky a přidal popisky názvu a hodnoty:

Dále jsem navrhl čip NFC pomocí údajů uvedených v jeho datovém listu. Pojmenoval jsem, dimenzoval a poskládal 8 kolíků součástí tak, aby vytvořily stopu 1, 6 * 1, 6 mm v balení XQFN8. Nakonec jsem balíček spojil se symbolem NTAG a přidal popisky názvu a hodnoty:

Další informace o knihovnách Eagle a vytváření komponent poskytuje společnost Autodesk na svém webu návody.

Krok 9: Schéma

Vytvoření elektronického schématu se provádí na EAGLE PCB.

Po importu dříve vytvořené knihovny „PCB_BusinessCard.lbr“se do schématu přidají různé elektronické součásti.

Integrovaný obvod NFC NT3H1101, jediná aktivní součást obvodu, je připojen k pasivním komponentám pomocí popisů jeho kolíků uvedených v jeho technickém listu:

• Smyčková anténa 2, 75 μH je připojena k pinům LA a LB.
• Energetický výstup VOUT se používá k napájení čipu NFC, a je proto připojen k jeho kolíku VCC.
• Mezi VOUT a VSS je zapojen kondenzátor 220 nF, který zaručuje provoz během RF komunikace.
• Konečně LED a jeho sériový odpor jsou napájeny VOUT.

Hodnota odporu LED se vypočítá podle ohmova zákona podle parametrů LED a napájecího napětí:

kde:

• R je odpor (Ω)
• Vcc je napájecí napětí (V)
• Vled je dopředné napětí LED (V)
• Iled je dopředný proud LED (A)

Krok 10: Design DPS: Spodní strana

Při navrhování své vizitky jsem chtěl dosáhnout něčeho střízlivého, ale to může ukázat, jak jsem v životě vynalézavý a vždy s novým nápadem. Vybral jsem design žárovky, symbolu nové myšlenky, jejíž světlo může osvětlit šedé oblasti problému. Také se mi líbilo, že náborář může snadno spojit můj profil LinkedIn zobrazující se na jeho telefonu s novým dobrým nápadem pro jeho společnost.

Začal jsem návrhem vyzařující žárovky na softwaru pro kreslení vektorů Inkscape. Výkres je exportován do dvou souborů BitMap, z nichž první obsahuje pouze žárovku a druhý pouze světelné paprsky.

Zpět k Eagle jsem použil import-bmp ULP k importu obrázků BitMap generovaných Inkscape do výkresu Eagle. Tento ULP generuje soubor SCRIPT, který kreslí malé obdélníky po sobě jdoucích pixelů se stejnou barvou, které spojily a znovu vytvořily obrázek.

• Konstrukce žárovky je importována na 22. vrstvu „bPlace“a objeví se na sítotisku PCB v bílé barvě, nad černou pájecí maskou.
• Kresba světelných paprsků je importována na 16. vrstvu „Bottom“a bude považována za měděnou stopu zakrytou maskou černé pájky.

Použití měděné vrstvy pro obrázek umožňuje hrát s tloušťkou desky plošných spojů a vytvářet tak texturu a barevné efekty, které jsou na desce plošných spojů obvykle nemožné. Umělecké tabule se dají dělat s takovými triky a já jsem se velmi inspiroval některými PCB-art projekty.

Nakonec jsem nakreslil obrysy okruhu a přidal své heslo „Vždy nový nápad“. na 22. vrstvě „bPlace“.

Krok 11: Design DPS: Horní plocha

Vzhledem k tomu, že horní strana desky neobsahuje žádné součásti, našel jsem si elegantní způsob, jak označit své klasické kontaktní údaje: příjmení, jméno, titul, e -mail a telefonní číslo.

Opět jsem si hrál s různými vrstvami DPS: Začal jsem definováním částečné pozemní roviny. Poté jsem importoval text obsahující mé kontaktní informace na 29. vrstvu „tStop“, která ovládá pájecí masku pro horní plochu. Superpozice základní roviny a textu na vrstvě „tStop“způsobí, že se písmena objeví na základní rovině, aniž by na ní byla pájecí maska, což textu dodá pěkný lesklý kovový aspekt.

Proč ale nedat pozemní letadlo na celou vizitku?

Rozložení indukční antény na desce plošných spojů vyžaduje zvláštní pozornost, protože rádiové vlny nemohou procházet kovy a nad ani pod anténou nesmí být žádné měděné roviny.

Následující příklad ukazuje dobrou implementaci, kde je vhodný přenos energie a komunikace mezi čtečkou a tagem NFC, protože anténu nepřekrývají žádné měděné roviny.

Následující příklad ukazuje špatnou implementaci, kdy elektromagnetický tok nemůže protékat anténou. Základní rovina na jedné straně desky plošných spojů blokuje přenos energie mezi čtečkou a anténou NFC:

Krok 12: Směrování DPS

Začal jsem umístěním všech různých komponent na spodní stranu PCB.

LED dioda je umístěna na vláknu žárovky a ostatní součásti jsou umístěny co nej diskrétněji ve spodní části žárovky.

Dráty spojující různé pasivní součásti k sobě navzájem nebo ke značce NFC jsou z estetických důvodů přednostně umístěny pod čáry kreslící žárovku.

Nakonec je anténa umístěna ve spodní části obvodu, kolem hesla, a připojena k integrovanému obvodu NFC dvěma tenkými dráty.

Návrh DPS je nyní hotov!

Krok 13: Generování Gerberových souborů

Soubory Gerber jsou standardní soubory používané průmyslovým softwarem desek s plošnými spoji k popisu obrázků PCB: měděné vrstvy, pájecí maska, legenda atd …

Ať už se rozhodnete vyrábět desku plošných spojů doma nebo svěřit výrobní proces profesionálovi, je nezbytné generovat soubory Gerber z desky plošných spojů, která byla dříve vyrobena na Eagle.

Export souborů Gerber z Eagle je velmi jednoduchý pomocí zabudovaného procesoru CAM: Použil jsem soubor CAM pro dvouvrstvou desku plošných spojů Seeed Fusion, která obsahuje všechna nastavení používaná tímto výrobcem a mnoho dalších. Další informace o generaci Gerberu s tímto souborem lze nalézt na webových stránkách společnosti Seeed.

Procesor CAM generuje soubor.zip "NFC_BusinessCard.zip" obsahující 10 souborů odpovídajících následujícím vrstvám PCB vizitky NFC:

Rozšíření	Vrstva
NFC_BusinessCard. GBL	Spodní měď
NFC_BusinessCard. GBO	Spodní sítotisk
NFC_BusinessCard. GBP	Spodní pájecí pasta
NFC_BusinessCard. GBS	Spodní maska
NFC_BusinessCard. GML	Vrstva mlýna
NFC_BusinessCard. GTL	Špičková měď
NFC_BusinessCard. GTO	Nejlepší sítotisk
NFC_BusinessCard. GTP	Špičková pájecí pasta
NFC_BusinessCard. GTS	Nejprodávanější maska
NFC_BusinessCard. TXT	Soubor vrtáku

Abych si byl jistý, že PCB bude vypadat přesně tak, jak jsem chtěl, nahrál jsem soubory Gerber do online Gerber prohlížeče EasyEDA. Změnil jsem téma na černou a povrchovou úpravu na stříbrnou, abych si po výrobě vizualizoval konečný design.

S výsledkem jsem byl opravdu spokojen a rozhodl jsem se pokračovat ve výrobním kroku…

Krok 14: Objednávka desek plošných spojů

Protože jsem chtěl kvalitní vizitku, svěřil jsem výrobní postup profesionálovi.

Mnoho výrobců desek plošných spojů nyní nabízí velmi konkurenceschopné ceny: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay a mnoho dalších … Tip: Chcete -li porovnat ceny a služby nabízené různými výrobci desek plošných spojů, doporučujeme použít webovou stránku PCB Shopper, která se mi zdá velmi praktická.

Při výrobě mých vizitek jsem vzal v úvahu důležitý detail: mnoho výrobců PCB si dovoluje označit číslo objednávky na sítotisku PCB. Toto číslo, i když je malé, je nepříjemné, zvláště když PCB potřebuje být estetické. Například jsem měl toto špatné překvapení pro mé vánoční stromky PCB za 1 $, objednané na SeeedStudio.

Ze zkušenosti jsem věděl, že Elecrow tento zlozvyk nemá, a tak jsem se rozhodl svěřit výrobu svých karet tomuto výrobci a objednal jsem 10 vizitek za 4,9 $ s následujícím nastavením:

• Vrstvy: 2 vrstvy
• Rozměry: 54*86 mm
• Různé provedení DPS: 1
• Tloušťka desky plošných spojů: 0, 6 mm (nejtenčí k dispozici)
• Barva desky plošných spojů: černá
• Povrchová úprava: HASL
• Castellated Hole: Ne
• Hmotnost mědi: 1 oz (podle vzorce pro indukčnost antény)

O dva týdny později jsem obdržel své PCB perfektně vyrobené a bez otravného čísla objednávky vyznačeného na sítotisku. Zatím dobrý, čas na pájení těchto desek!

Krok 15: Pájení čipu NFC

Cena rozhodčích v soutěži PCB