Drahtlose Moduldesigns: EnviroSense WiFi-Wetterstation Multiboard

In diesem Artikel über Mehrfachplatinen-Projekte setzen wir dort an, wo wir aufgehört haben, einen Arduino-Style-Shield für ein STMicroelectronics Nucleo-64 Evaluierungsboard zu erstellen. In diesem Projekt wird alles viel integrierter, was uns näher an ein fertiges Produkt bringt. Wir werden den Mikrocontroller auf unsere Platine integrieren und Batterien, Ladestrommanagement und drahtlose Netzwerkanbindung hinzufügen. Dabei werden wir über Oberflächenmontage-Subassemblies sprechen und warum es sinnvoll sein könnte, einen Teil Ihres Projektschemas in ein eigenes Board auszulagern, das als Oberflächenmontagemodul verwendet werden kann.

Wie wir im vorherigen Artikel besprochen haben, gibt es viele Gründe, Ihr Schema in mehrere Boards aufzuteilen. In jenem Artikel haben wir hauptsächlich über Risikominderung und Optimierung von Platinenflächen gesprochen. Oberflächenmontagemodule werden Ihnen wahrscheinlich nicht viel dabei helfen, das Volumen Ihres Produkts zu optimieren, und sind unwahrscheinlich für Prototyping-Zwecke so nützlich. Oberflächenmontagemodule werden typischerweise wie andere Komponenten sein - dauerhaft auf Ihrer Platine befestigt, es sei denn, Sie nehmen eine ernsthafte Nacharbeit vor.

EnviroSense Projekt

Unser EnviroShield-Projekt erhält in diesem Artikel ein großes Upgrade - wir bringen es aus der Prototypenphase, in der es ein Nucleo-Shield war, heraus und bauen ein eigenständiges Produkt. Idealerweise wird dies vollständig in ein mechanisches Gehäuse integriert, das über einen passiven Strahlungs- und Feuchtigkeitsschutz verfügt - aber das geht über den Rahmen dieses Artikels hinaus.

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Wie bei all meinen Projekten ist dieses Projekt Open Source und kostenlos für Sie zur Nutzung, wie Sie möchten. Sie können alle Design-Dateien auf GitHub finden. Natürlich gibt es keine Garantie, Gewährleistung oder Haftung im Zusammenhang mit den Projektdateien, da sie unter der MIT-Lizenz lizenziert sind.

Da dies nun für den Innen- und Außenbereich gedacht ist, benötigen wir auch eine Möglichkeit, unsere Wetterdaten in PCB-Daten zurück in eine Datenbank zu bekommen, daher werden wir ein Microchip ATWINC1500-MR210PB WiFi-Modul hinzufügen.

In diesem Projekt bauen wir das Host-Board - aber wir werden hauptsächlich darüber sprechen, wie und warum Sie Ihr eigenes Surface-Mount-Modul bauen würden. Das Microchip WiFi-Modul ist ein perfektes Beispiel dafür, warum Sie Ihr eigenes oberflächenmontiertes Board erstellen würden.

Warum ein Surface-Mount-Modul erstellen?

Zertifizierung

Die Zertifizierung von absichtlichen Strahlern ist teuer. Wenn Sie benutzerdefinierte Funkmodul-Designs in Ihre Produkte integrieren, kann es sinnvoll sein, die Funkhardware in eine eigene Baugruppe zu verlagern, die Sie separat zertifizieren können. Wenn Sie mehrere Produkte mit diesem benutzerdefinierten Funkmodul-Design verwenden, können Sie diese möglicherweise unter der wesentlich günstigeren Klasse der unbeabsichtigten Strahler zertifizieren, da sie ein vorab genehmigtes Modul für absichtliche Strahler integrieren.

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Dies könnte auch für Spannungsregler, Motortreiber oder LED-Treiber, die eine Zertifizierung benötigen, wie für Eisenbahn-, Automobil- oder medizinische Anwendungen, sehr zutreffend sein. Das Microchip ATWINC1500-Modul, das wir in diesem Projekt verwenden, ist ein perfektes Beispiel für diesen Ansatz. Ich könnte den RF-Chip problemlos direkt auf die Platine integrieren, jedoch würden die Zertifizierungskosten erheblich steigen.

Kostenreduktion

Wenn ein kleiner Teil Ihrer Hardware ein spezialisiertes PCB-Substrat, spezialisierte PCB-Funktionen wie gestopfte oder blinde Vias oder eine höhere Lagenanzahl erfordert - könnten Sie einige Einsparungen erzielen, indem Sie diesen Teil des Projekts in eine eigene Baugruppe verlagern. Wenn der nicht-spezialisierte Bereich Ihrer Leiterplatte wächst, zahlen Sie einen Premium-Preis für Leiterplattenfunktionen, die Sie nicht unbedingt vollständig nutzen.

Das Ausgliedern des spezialisierten Teils Ihres Projekts macht auch die Wiederverwendung dieses Schaltungsblocks in Zukunft viel kostengünstiger und einfacher. Sie können einfach dieses bestehende Design eines Funkmoduls auf eine nicht-spezialisierte Platine platzieren und dessen Funktionen vollständig nutzen.

Standardisierung

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Wenn Sie feststellen, dass Sie Schaltpläne über mehrere Projekte hinweg wiederverwenden, die erhebliche Ingenieurskosten verursachen oder ein Risiko bei der Layouterstellung der Platine darstellen, kann es ein guter Zeitpunkt sein, eine Unterbaugruppe zu erstellen. Ein gängiges Beispiel hierfür ist ein Hochleistungs- oder hochzuverlässiger Schaltmodus-Spannungsregler. Isolierte Regler werden auch häufig in Unterbaugruppen aufgeteilt.

Das Ausgliedern eines Teils des Designs, in das erheblich investiert wurde, ermöglicht eine schnelle Wiederverwendung ohne große Ingenieurskosten, um das Design in eine neue Leiterplatte zu integrieren.

Strategien zur Oberflächenmontage von Modulen

Wenn Sie Ihr eigenes Oberflächenmontagemodul erstellen, müssen Sie überlegen, wie Ihr neues Modul auf der Host-Platine befestigt wird. Wenn Sie große Mengen von Funkmodul-Designs herstellen werden, müssen Sie wahrscheinlich beide der gängigsten Methoden zusammen mit Ihrem Montageprozess bewerten, um die höchste Zuverlässigkeit und Montageeinfachheit zu bestimmen.

Land Grid Array

Bei der Auswahl von Komponenten sind Sie fast sicher auf Land Grid Arrays (LGA) gestoßen - nackte Pads unter dem IC oder der Baugruppe. Wenn Sie eine große Anzahl von Verbindungen auf kleinem Raum herstellen müssen, kann LGA ein idealer Ansatz sein. Die größten Nachteile sind die gleichen wie bei jeder anderen LGA-Komponente - Schwierigkeiten bei der Inspektion der Verbindung und Herausforderungen beim Prototyping. Es können auch zusätzliche Kosten bei Ihrem Platinenmontagepartner aufgrund der zusätzlichen Maschineneinrichtungszeit entstehen - das frühe Einbeziehen Ihrer Platinen- und Montagepartner in Ihren Designprozess kann Ihre Zuverlässigkeit erheblich verbessern und Ihre Kosten senken.

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Quelle: U-Blox NORA-B106 auf Digi-Key

Sie sollten Via in Pad sowohl auf den Host- als auch auf den Modulplatinen vermeiden, um sicherzustellen, dass Sie keine Lufttaschen im Lötzinn erzeugen oder das Lötzinn durch Kapillarwirkung entziehen.

LGA ist auch sehr kosteneffektiv für die Modulherstellung. Einige Platinenhersteller können für durchkontaktierte Pads mehr berechnen.

Durchkontaktierte Pads

Viele kommerzielle Module nutzen durchkontaktierte Pads für ihre Module, und das aus gutem Grund. Durchkontaktierte Pads sind sehr zuverlässig und sehr einfach von Hand zu löten und zu inspizieren. Aufgrund des Hochziehens des Lötzinns an der Seite der Platine können Sie auch eine gute Stromdichte erreichen.

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Ein gegossenes Pad ist effektiv ein durchkontaktiertes Loch, das während des Herstellungsprozesses der Platine zur Hälfte gefräst wird. Der Fräspfad in Ihrem Panel wird durch die Mitte des Lochs führen, wobei eine beschichtete Muschel am Platinenrand hinterlassen wird, die ein Pad oben und unten auf der Platine hat.

Quelle: DIGI Xbee Pro XB8X bei Digi-Key

Das Vorhandensein von Pads nur am Platinenrand erleichtert auch das Routing der Host-Platine und wird die Platzierung von Vias oder Leiterbahnen auf der Modulplatine nicht stören. Die Randpads können direkt mit einer Leiterbahn oder Ebene auf jeder Schicht verbunden werden, was das Routing zu den Verbindungspads auf dem Modul erleichtern kann.

Design von gegossenen Pads

Es ist schwer, bei gegossenen Pads etwas falsch zu machen, jedoch gibt es einige Dinge zu beachten, die Sie auf den Weg zum Erfolg bringen. Wenn Sie neu in der Erstellung von gegossenen Pads sind, lohnt es sich, Altium-Dateien für kommerzielle Module herunterzuladen, wo sie vom Hersteller verfügbar sind, wie ich es für das ATWINC1500-Modul getan habe, das ich in diesem Multi-Board-Design verwende. Ein Blick auf den Pad-Stapel und das Layout kommerziell erfolgreicher Module in einer ähnlichen Klasse wie das Modul, das Sie erstellen, kann Ihnen einige Ideen geben, was gut funktioniert, bevor Sie mit Ihren eigenen Experimenten beginnen.

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Asymmetrisches Pad

Bei der Erstellung eines gegossenen Pads wird der Stapel fast immer asymmetrisch sein. Die oberen und inneren Pads sind typischerweise rund und genauso dimensioniert, wie es bei jedem Durchgangsloch-Pad oder Via der Fall wäre. Das untere Pad wird jedoch typischerweise vergrößert, um eine größere Kupferfläche und Lötkontakt zu bieten. Dies macht das gegossene Pad zuverlässig einsetzbar mit mit Lötpaste beschichteten Boards sowie beim Handlöten.

Kantenvergoldung

Wenn Sie eine höhere Stromdichte oder noch größere Zuverlässigkeit benötigen, können Sie auch die Kanten der Platine über die Durchkontaktierung hinaus beschichten lassen. Diese Beschichtung wird typischerweise zur Breite des unteren Pads hinzugefügt und bietet mehr Kontaktfläche an der Seite des Moduls. Die meisten Platinenhersteller werden für diesen Service mehr berechnen, und kostengünstige Hersteller mit hoher Produktvielfalt könnten dies ignorieren, falls sie die Fertigungsnotiz überhaupt bemerken.

Ein guter Ausgangspunkt

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Wenn Sie an den Kanten genügend Platz haben, beginnen Sie mit größeren Pads für Ihre ersten Prototypen. Sobald Sie sich mit dem Prozess wohler fühlen und die Ergebnisse Ihrer ersten Module sehen, können Sie beginnen, die Größe nach Bedarf zu optimieren.

Microchip ATWINC1500 Pads

Als Beispiel hierfür haben die Microchip-Pads auf dem ATWINC1500-Modul ein 0,635mm durchkontaktiertes Loch und ein quadratisches 0,8mm Pad für alle Schichten. Sie haben ein zusätzliches 1,7 x 0,8mm rundes Pad auf der unteren Schicht (unten links verschoben dargestellt, um zu zeigen, dass sie getrennt sind).

Microchip empfiehlt ein 0,8 x 1,9mm Pad auf der Trägerplatine, mit dem Pad zentriert auf dem Modulumriss.

Meine Castellated Pads

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Ich habe die Dinge immer ein wenig anders gemacht als im Beispiel von Microchip oben, und bevorzuge es, den vollständigen Pad-Stack in einem einzigen Pad zu spezifizieren.

Meine Pads für RF-Module haben typischerweise ein 0,4 mm durchkontaktiertes Loch, mit einem 0,8 x 1 mm rechteckigen oberen Pad. Das untere Pad ist 0,8 x 2 mm, zentriert auf dem Loch, und bietet eine 0,8 x 1 mm freiliegende Kupferfläche unter der Platine. Das Surface-Mount-Pad auf der Host-Platine für diese Pads ist 0,8 mm breit und 1,8 mm lang, zentriert unter dem Modulumriss.

Für Platinen in geringeren Stückzahlen, die fast sicher von Hand gelötet werden, verwende ich größere Löcher, wo die Pin-Dichte nicht kritisch ist. Diese haben ein 1,2 mm durchkontaktiertes Loch und ein 1,5 x 2 mm oberes Pad mit einem 2,5 x 2 mm unteren Pad. Diese haben weniger freiliegendes Kupfer unter der Platine, da das größere durchkontaktierte Loch an der Seite den meisten Lötkontakt beim manuellen Löten an die Host-Platine bieten wird.

Ihre eigenen drahtlosen Designmodule

Wenn Sie Ihr eigenes Modul erstellen, sollten Sie Ihre durchkontaktierten Pads als einzelnen Footprint/Symbol erstellen, da dies die Erstellung eines Multi-Board-Projekts erleichtert und auch sicherstellt, dass kein einzelnes Pad oder eine Gruppe von Pads versehentlich verschoben werden kann, was in Zukunft zu Ausrichtungsproblemen führen könnte.

Das Design des Host-Boards

Wie bereits erwähnt, werden wir unser vorheriges Sensor- und LCD-Display-Schema nehmen und daraus eine eigenständige Platine machen. Anfangs wird dieses Board unter Verwendung eines Bibliotheksteils entwickelt, das das WiFi-Modul als eingebettetes STEP-Modell enthält. Viele Firmenbibliotheken nutzen diesen Ansatz für Multi-Board-Design, jedoch ist dies weniger als optimal. Mit Altiums beeindruckender MCAD-ECAD-Integration macht es mehr Sinn, direkt mit dem Platinendesign zu arbeiten, als ein STEP-Modell Ihres Moduls zu exportieren und es erneut zu importieren - besonders in der frühen Phase des Designs. Wenn sich Ihr Modul und die Anforderungen an das Host-Board weiterentwickeln, ermöglicht Ihnen eine Multi-Board-Montage, sicherzustellen, dass alles synchron gehalten wird.

Sobald wir das Platinendesign mit einer Bibliothekskomponente abgeschlossen haben, zeige ich Ihnen, wie einfach es ist, Ihre bestehenden, auf Bibliotheken basierenden Mehrfachplatinenprojekte auf ein Footprint + Mehrfachplatinen-Assembly umzustellen.

Um diese Hardware eigenständig und in der Lage zu machen, draußen als Wetterstationsdesign zu funktionieren, benötigen wir eine Stromquelle. Ich verwende den Mikrocontroller STM32L031K, der für sehr geringen Stromverbrauch konfiguriert wird, jedoch möchte ich sicherstellen, dass die Platine auch ohne externe Stromversorgung für einige Zeit weiterarbeiten kann, falls erforderlich. Ich verwende zwei 18650 Batterien, genau wie in meinem 12V UPS-Projekt, jedoch verwende ich dieses Mal aufgrund von Chipmangel und unterschiedlichen Anforderungen einen anderen Ladungs-IC.

Ich möchte, dass meine Wetterstation solarbetrieben ist, jedoch befinde ich mich im äußersten Norden Schottlands, wo wir im Winter Tage haben, die nur 5 Stunden lang sind und wir können tagelang in einer Nebelbank oder dichten Wolke gefangen sein - nicht gerade ideale Bedingungen für solarbetriebene Geräte. Die Verwendung von zwei 18650 Batterien wird es mir ermöglichen, die Wetterstation etwa 6 Wochen lang ohne externe Stromversorgung zu betreiben, falls notwendig. Ich habe auch einen riesigen 6000uF Kondensator am Eingang, um mit wechselnden Lichtverhältnissen umzugehen und das Ladegerät optimal laufen zu lassen.

Ich verwende den Microchip MCP73213 Zwei-Zellen-Lithiumbatterie-Laderegler-IC für das Projekt. Er verfügt über einen weiten Eingangsspannungsbereich, der sowohl für Solarenergie als auch für Wechselstrom gut funktioniert, wenn er innen verwendet wird, sowie über programmierbaren Strom. Ich verwende speziell das 8,2V-Lademodell, obwohl meine Batterien eine maximale Ladung von 8,4V haben. Da ich erwarte, dass diese Batterien den größten Teil des Jahres voll aufgeladen sind, sollte das Halten in einem etwas weniger als vollen Zustand ihre Lebensdauer verbessern, und bei solch hoher Kapazität sollte der kleine Einbuße an Kapazität nicht bemerkt werden. Ich habe den Ladestrom über einen Schiebeschalter wählbar gemacht, sodass er für solarbetriebene Anwendungen auf einen niedrigen Strom eingestellt werden kann oder bei Bedarf schnell durch einen Wechselstromadapter aufgeladen wird.

Anstatt einen Batterieüberwachungs-IC zu verwenden, nehme ich den einfachen Weg über eine Spannungsabschaltung, falls die Batterien vollständig entladen sind. Ich verwende einen linearen Regler für dieses Design, den Analog Devices ADP7105, der über einen Unterspannungssperre-Pin verfügt, um den Regler abzuschalten, wenn die Batteriespannung zu niedrig wird. Normalerweise würde das Betreiben eines 3,3-V-Geräts mit einem linearen Regler von einer 8,4-V-Versorgung als sehr ineffizient angesehen werden und ist nicht fantastisch für die Batterielebensdauer. Nach langer Suche nach hocheffizienten, leichten, lastumschaltbaren Modusreglern, die auf Lager sind, fand ich den linearen Regler insgesamt viel effizienter.

Die Herausforderung bei diesem Gerät für einen umschaltbaren Modusregler ist das WiFi-Modul, mit einem Sendestrom von 290mA, jedoch, wenn wir alle 10 Sekunden Daten übertragen, dann ist die verbleibende Zeit von 98,5% wahrscheinlich mit einem Stromverbrauch im niedrigen zweistelligen Mikroampere-Bereich, wo ein umschaltbarer Modusregler wirklich Schwierigkeiten hat. In diesem Fall ist es den Effizienzverlust beim Sendestrom wert, für die relative Effizienz und Zuverlässigkeit bei niedrigem Strom.

Layout-technisch habe ich separate Masseflächen für jede der potenziellen Temperaturzonen vorgesehen, wobei der Regler und das Ladegerät oben auf der Platine zusammen mit dem WiFi-Modul platziert sind. Ich habe auch Schlitze in der Platine um diese potenziellen Wärmeerzeugungskomponenten herum eingefügt, in dem Versuch, die thermische Leitfähigkeit des Temperatursensors weiter zu unterbrechen. Genau wie bei dem Schutzschild befindet sich der Temperatursensor am unteren Ende der Platine in seiner eigenen thermisch isolierten Region.

Umstellung auf eine Mehrfach-Platinen-Montage

Bis jetzt wurde in diesem Projekt ein Bibliothekselement für das RF-Modul verwendet, was derzeit die Art und Weise sein könnte, wie Ihr Unternehmen mit internen Unterbaugruppen umgeht. Ich habe die Altium-Dateien für die Platine von Microchips Website heruntergeladen. Da die Design-Dateien einen einzigen Footprint für die abgesetzten Pads verwenden, musste ich nur Altium Designer mitteilen, dass der Stecker für ein Mehrfach-Platinen-Projekt bestimmt ist, indem ich dem Schaltsymbolschema einen Parameter namens „System“ hinzugefügt und ihm den Wert „Connector“ gegeben habe. Die Vorbereitung der Unterbaugruppenplatine für die Mehrfach-Platinen-Verbindung ist so einfach.

Für das Host-Board musste ich ein wenig mehr Arbeit investieren, da ich bereits einen Footprint mit einem STEP-Modell darin hatte. Ich kopierte die Symbol- und Footprint-Dateien aus meiner Bibliothek in den Projektordner, damit ich eine lokale Kopie zum Modifizieren hatte.

Im Footprint löschte ich den 3D-Körper, fügte dann den Footprint zum Schaltungssymbol hinzu. Nachdem ich das Symbol in meinem Schaltplan durch das neue lokale Symbol ersetzt hatte, fügte ich dem Symbol den Parameter System = Connector hinzu. Schließlich aktualisierte ich das PCB-Dokument aus dem Schaltplan und führte dann auf dem PCB ein Update From PCB Libraries durch, um den Footprint zu aktualisieren.

Das PCB hat jetzt einen Footprint ohne Körper und ist als Multi-Board-Connector zur Montage bereit gekennzeichnet.

Erstellen des Multi-Board-Projekts

Um unser RF-Modul-Board zum Host-Board hinzuzufügen, müssen wir ein neues Multi-Board-Projekt erstellen. Ein neues Multi-Board-Projekt zu erstellen, ist fast dasselbe wie ein typisches PCB-Projekt, außer dass wir unter dem Projekterstellungsbildschirm Multi-Board anstelle von PCB wählen.

Als Nächstes fügen wir ein Mehrfachplatinen-Schaltbild und zwei Module hinzu. Jedem Modul wird ein Titel zugewiesen und ein Projekt/Platine für das Modul ausgewählt.

Um die zuvor eingerichteten Steckverbinder hinzuzufügen, gehen wir zu Design -> Kindprojekte importieren, was die Steckverbinder zu den Modulen hinzufügt.

Dann können wir eine direkte Verbindung zwischen den beiden Modulen hinzufügen. Altium Designer konnte die Verbindungen für die beiden Module diesmal nicht automatisch abgleichen, daher können wir auf eine der Verbindungen klicken und im Eigenschaftenfenster den passenden Pin manuell zuweisen.

Mit dem korrekt verbundenen Pin können wir die Mehrfachplatinen-PCB zum Projekt hinzufügen und speichern, sobald sie hinzugefügt wurde. Dann gehen wir vom Schaltbild aus zu Design -> Montage aktualisieren, um die Module zur Mehrfachplatinen-PCB zu importieren. Abhängig von der Komplexität Ihrer Hardware und den Spezifikationen dieses Computers könnte dies einige Zeit in Anspruch nehmen. Für dieses relativ einfache Projekt dauerte es jedoch weniger als eine Sekunde auf meinem Computer.

Anstatt die Verbindungswerkzeuge zu verwenden, die wir im vorherigen Artikel verwendet haben, möchte ich stattdessen demonstrieren, dass wir die Mehrfachplatinen-Komponenten beliebig positionieren können, wenn dies das Design erfordert. Durch Klicken auf das Funkmodul können wir das Ansichts-Gizmo verwenden, um es auf unserer Hauptplatine zu platzieren.

Ergebnis

In diesem Artikel haben wir eine Umweltsensorplatine gebaut, die als einfache Wetterstation für den Innen- oder Außenbereich dienen könnte, und die Nützlichkeit eines vorzertifizierten HF-Modul-Subassemblies demonstriert. Wir haben besprochen, wie und warum Sie ein Subassembly-Modul für Ihre eigenen Projekte erstellen würden. Die Verwendung einer Mehrfachplatinen-Montage anstelle eines statischen 3D-Modells in einer Bibliothek für kundenspezifische Oberflächenmontagemodule stellt sicher, dass Ihre Platinen während des gesamten Designprozesses synchron bleiben und ermöglicht eine überlegene mechanische Integration zwischen den Platinen.

Ich habe auch eine Davis Instruments Vantage Pro2 Wetterstation, daher wird es interessant sein, die Langzeitdaten dieses Wetterstationsprojekts mit einem NIST-kalibrierten Produkt zu vergleichen.

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