Diseños de Módulos Inalámbricos: Estación Meteorológica WiFi EnviroSense Multitarjeta

En este artículo sobre proyectos de múltiples tarjetas, continuamos donde lo dejamos creando un escudo al estilo Arduino para una tarjeta de evaluación Nucleo-64 de STMicroelectronics. En este proyecto, todo se está integrando mucho más, acercándonos a un producto terminado. Vamos a integrar el microcontrolador en nuestra tarjeta y añadir baterías, gestión de carga de energía y redes inalámbricas. En el proceso, hablaremos sobre sub-ensamblajes de montaje superficial y por qué podrías querer separar parte del esquemático de tu proyecto en su propia tarjeta, la cual puede ser utilizada como un módulo de montaje superficial.

Como discutimos en el artículo anterior, hay muchas razones para separar tu esquemático en múltiples tarjetas. En ese artículo, discutimos principalmente la reducción de riesgos y la optimización de áreas de las tarjetas. Los módulos de montaje superficial probablemente no te ayudarán mucho con la optimización del volumen de tu producto y es poco probable que sean tan útiles para propósitos de prototipado. Los módulos de montaje superficial típicamente van a ser lo mismo que otros componentes - fijados permanentemente a tu tarjeta a menos que te embarques en un trabajo de reestructuración serio.

Proyecto EnviroSense

Nuestro proyecto EnviroShield está recibiendo una gran mejora en este artículo - lo estamos sacando de la fase de prototipado donde era un escudo Nucleo y construyendo un producto independiente. Idealmente, esto estará completamente integrado en una carcasa mecánica que cuenta con un escudo pasivo contra la radiación y la humedad - pero eso está más allá del alcance de este artículo.

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Explorar soluciones

Como en todos mis proyectos, este proyecto es de código abierto y gratuito para que lo uses como desees. Puedes encontrar todos los archivos de diseño en GitHub. Por supuesto, no hay garantía, ni responsabilidad asociada con los archivos del proyecto ya que están licenciados bajo la licencia MIT.

Como ahora se pretende para usos interiores y exteriores, también necesitamos una manera de enviar nuestros datos del clima en PCB de vuelta a una base de datos, así que estaremos añadiendo un módulo WiFi Microchip ATWINC1500-MR210PB.

En este proyecto, estamos construyendo la placa base - pero hablaremos principalmente sobre cómo y por qué construirías tu propio módulo de montaje superficial. El módulo WiFi de Microchip es un ejemplo perfecto de por qué crearías tu propia placa montada en superficie.

¿Por qué Crear un Módulo de Montaje Superficial?

Certificación

La certificación de radiador intencional es costosa. Si estás incorporando diseños de módulos inalámbricos personalizados en tus productos, puede tener sentido trasladar el hardware de radio a su propia subensamblaje que puedas certificar por separado. Si tienes varios productos que utilizan este diseño de módulo inalámbrico personalizado, podrías ser capaz de certificarlos bajo la clase de Radiador No Intencional, que es mucho más barata, ya que integran un módulo de radiador intencional previamente aprobado.

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También puedes encontrar esto muy aplicable a reguladores de voltaje, controladores de motores o controladores de LED que requieren certificación, como para aplicaciones ferroviarias, automotrices o médicas. El módulo Microchip ATWINC1500 que estamos utilizando en este proyecto es un ejemplo perfecto de este enfoque. Podría integrar fácilmente el chip RF directamente en la placa, sin embargo, los costos de certificación aumentarían considerablemente.

Reducción de Costos

Si una pequeña parte de tu hardware requiere un sustrato de PCB especializado, características de PCB especializadas como vías tapadas o ciegas, o un mayor número de capas, podrías encontrar algunos ahorros trasladando esa parte del proyecto a su propia subensamblaje. A medida que la zona no especializada de tu placa de circuito crece, estás pagando un precio premium por características de la placa de circuito de las cuales no estás necesariamente aprovechando al máximo.

Separar la parte especializada de tu proyecto también hace que la reutilización de ese bloque esquemático sea mucho más barata y fácil en el futuro. Simplemente puedes colocar ese diseño de módulo inalámbrico existente en una placa no especializada y aprovechar al máximo sus características.

Estandarización

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Si encuentras que estás reutilizando esquemáticos en múltiples proyectos que tienen costos de ingeniería sustanciales o riesgo al diseñar la placa, puede ser un buen momento para hacer una subensamblaje. Un ejemplo común de esto es un regulador de voltaje conmutado de alto rendimiento o alta fiabilidad. Los reguladores aislados también se dividen comúnmente en subensamblajes.

Separar una parte del diseño que tiene una inversión significativa en ingeniería, permite su reutilización rápida sin un gran costo de ingeniería para calificar el diseño integrado en una nueva placa de circuito.

Estrategias de Montaje Superficial de Módulos

Cuando creas tu propio módulo de montaje superficial, necesitas considerar cómo tu nuevo módulo se unirá a la placa base. Si vas a hacer grandes volúmenes de diseños de módulos inalámbricos, probablemente necesitarás evaluar ambos de los métodos más comunes con tu proceso de ensamblaje para determinar la mayor fiabilidad y facilidad de ensamblaje.

Array de Rejilla de Contactos

Al seleccionar componentes, casi con seguridad te has encontrado con Arreglos de Rejilla de Tierras (LGA) - almohadillas desnudas debajo del CI o ensamblaje. Si tienes un gran número de conexiones que realizar en un espacio pequeño, LGA puede ser un enfoque ideal. Las principales desventajas son las mismas que cualquier otro componente LGA - dificultad para inspeccionar la unión y desafíos con el prototipado. También puedes encontrar costos adicionales con tu socio de ensamblaje de placas debido al tiempo extra de configuración de la máquina - involucrar a tus socios de placa y ensamblaje temprano en tu proceso de diseño puede mejorar mucho tu fiabilidad y reducir tu costo.

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Fuente: U-Blox NORA-B106 en Digi-Key

Deberías evitar el via en pad tanto en las placas anfitrionas como en las de módulos para asegurarte de no crear bolsas de aire en la soldadura, o robar la soldadura a través de la acción capilar.

LGA también es altamente rentable para la fabricación de módulos. Algunos fabricantes de placas pueden cobrar más por los pads castellados.

Pads Castellados

Muchos módulos comerciales utilizan pads castellados para sus módulos, y con buena razón. Los pads castellados son altamente fiables y muy fáciles de soldar a mano e inspeccionar. Debido a que la soldadura se filtra por el lado de la placa, también puedes lograr una buena densidad de corriente.

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Un pad castellado es efectivamente un agujero pasante que se corta a la mitad durante el proceso de fabricación de la placa. La herramienta de enrutamiento en su panel pasará por el centro del agujero, dejando un festón plateado en el borde de la placa que tiene un pad en la parte superior e inferior de la placa.

Fuente: DIGI Xbee Pro XB8X en Digi-Key

Tener pads solo en el borde de la placa también facilita el enrutamiento de la placa anfitriona, y no interferirá con la colocación de vías o pistas en la placa del módulo. Los pads en el borde pueden conectarse directamente a una pista o plano en cualquier capa, lo que puede facilitar el enrutamiento hacia los pads de interconexión en el módulo.

Diseño de Pad Castellado

Es difícil equivocarse con los pads castellados, sin embargo, hay algunas cosas a considerar que te prepararán para el éxito. Si eres nuevo creando pads castellados, vale la pena descargar archivos de Altium para módulos comerciales donde estén disponibles por parte del fabricante, como he hecho con el módulo ATWINC1500 que estoy utilizando en este diseño de múltiples tarjetas. Mirar el apilado de pads y la disposición de módulos comercialmente exitosos en una clase similar al módulo que estás creando puede darte algunas ideas sobre lo que funciona bien antes de comenzar tu propia experimentación.

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Pad Asimétrico

Cuando creas un pad castellado, el apilado casi siempre será asimétrico. Los pads superiores e internos suelen ser redondos y del tamaño que sería cualquier pad de orificio pasante o vía. Sin embargo, el pad inferior suele ser agrandado para proporcionar una mayor área de cobre y contacto de soldadura. Esto hace que el pad castellado pueda ser utilizado de manera fiable con tarjetas estarcidas con pasta de soldar así como con soldadura manual.

Chapado del Borde

Si requiere una mayor densidad de corriente o incluso una mayor fiabilidad, también puede hacer que los bordes de la placa estén chapados más allá del agujero pasante. Este chapado se añade típicamente al ancho del pad inferior, proporcionando más área de contacto en el lado del módulo. La mayoría de los fabricantes de placas cobrarán más por este servicio y los fabricantes de placas de bajo costo y alta mezcla pueden simplemente ignorar esto si es que llegan a notar la nota de fabricación.

Un Buen Punto de Partida

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Si no escasea el espacio en los bordes, comience con pads más grandes para sus prototipos iniciales. A medida que comience a sentirse más cómodo con el proceso y vea los resultados de sus módulos iniciales, puede comenzar a optimizar el tamaño hacia abajo si es necesario.

Pads de Microchip ATWINC1500

Como ejemplo de esto, los pads de Microchip en el módulo ATWINC1500 tienen un agujero chapado de 0.635mm y un pad cuadrado de 0.8mm para todas las capas. Tienen un pad redondo adicional de 1.7 x 0.8mm en la capa inferior (mostrado a continuación movido a la izquierda, para mostrar que están separados).

Microchip recomienda un pad de 0.8 x 1.9mm en la placa anfitriona, con el pad centrado en el contorno del módulo.

Mis Pads Castellados

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Siempre he hecho las cosas un poco diferente al ejemplo de Microchip mencionado arriba, prefiriendo especificar el conjunto completo de almohadillas en una sola almohadilla.

Mis almohadillas para módulos RF típicamente tienen un agujero metalizado de 0.4mm, con una almohadilla superior rectangular de 0.8 x 1mm. La almohadilla inferior es de 0.8 x 2mm centrada en el agujero, proporcionando un área de cobre expuesto de 0.8 x 1mm bajo la placa. La almohadilla de montaje superficial en la placa anfitriona para estas almohadillas es de 0.8mm de ancho, y 1.8mm de largo centrado bajo el contorno del módulo.

Para placas de menor volumen que casi con seguridad van a ser soldadas a mano, utilizaré agujeros más grandes donde la densidad de pines no sea crítica. Estos tienen un agujero metalizado de 1.2mm, y una almohadilla superior de 1.5 x 2mm con una almohadilla inferior de 2.5 x 2mm. Estos tienen menos cobre expuesto bajo la placa, ya que el agujero metalizado más grande en el lado proporcionará la mayor parte del contacto de soldadura al soldarlos a mano en la placa anfitriona.

Tus Propios Módulos de Diseño Inalámbrico

Cuando creas tu propio módulo, deberías crear tus almohadillas castelladas como un único footprint/símbolo, ya que esto facilitará la creación de un proyecto de múltiples tarjetas y también asegurará que ninguna almohadilla individual o grupo de almohadillas pueda moverse accidentalmente causando problemas de alineación en el futuro.

Diseñando la Tarjeta Anfitriona

Como mencionamos anteriormente, vamos a tomar nuestro esquemático anterior de sensor y pantalla LCD y convertirlo en una tarjeta independiente. Inicialmente, esta tarjeta se va a desarrollar utilizando una parte de biblioteca que tiene el módulo WiFi como el modelo STEP incorporado en ella. Muchas bibliotecas de empresas utilizan este enfoque para el diseño de múltiples tarjetas, sin embargo, es menos que óptimo. Con la impresionante integración MCAD-ECAD de Altium, trabajar directamente con el diseño de la tarjeta tiene más sentido que exportar un modelo STEP de tu módulo y volver a importarlo, especialmente al principio de la fase de diseño. A medida que tu módulo y los requisitos de la tarjeta anfitriona evolucionan, usar un ensamblaje de múltiples tarjetas te permite asegurarte de que todo se mantenga sincronizado.

Una vez que hayamos completado el diseño de la placa utilizando un componente de la biblioteca, les mostraré lo fácil que es cambiar sus proyectos multi-placa existentes basados en bibliotecas a un ensamblaje de huella + multi-placa.

Para hacer que este hardware sea autónomo y capaz de operar al aire libre como una estación de diseño de placas meteorológicas, necesitamos una fuente de energía. Estoy utilizando el microcontrolador STM32L031K que será configurado para un consumo de energía muy bajo, sin embargo, quiero asegurarme de que la placa pueda continuar operando sin energía externa durante algún tiempo si es necesario. Estoy usando dos baterías 18650 justo como lo hice en mi proyecto de UPS de 12V, sin embargo, esta vez estoy usando un IC de carga diferente debido a la escasez de chips y diferentes requisitos.

Me gustaría que mi estación de diseño de tableros meteorológicos fuera alimentada por energía solar, sin embargo, estoy ubicado en el extremo norte de Escocia donde en invierno tenemos días de solo 5 horas de duración y podemos quedar atrapados en un banco de niebla o nube densa durante días seguidos - no son exactamente las condiciones ideales para dispositivos alimentados por energía solar. Usar dos baterías 18650 me permitirá mantener la estación meteorológica funcionando alrededor de 6 semanas sin energía externa si es necesario. También tengo un enorme capacitor de 6000uF en la entrada, para ayudar a lidiar con las variaciones de las condiciones de luz, manteniendo el cargador funcionando de manera óptima.

Estoy utilizando el circuito integrado cargador de baterías de litio de dos celdas Microchip MCP73213 para el proyecto. Tiene un amplio rango de voltaje de entrada que funciona bien tanto para energía solar como para energía de CA si se usa en interiores, así como corriente programable. Estoy usando específicamente el modelo de carga de 8.2V, a pesar de que mis baterías tienen una carga máxima de 8.4v. Como espero que estas baterías estén completamente cargadas la mayor parte del año, dejarlas en un estado ligeramente menor al completo debería mejorar su vida útil, y con tal alta capacidad, la pequeña reducción de capacidad no debería notarse. Tengo la corriente de carga seleccionable a través de un interruptor deslizante, por lo que se puede configurar a una corriente baja para aplicaciones alimentadas por energía solar, o cargarse rápidamente con un adaptador de CA si es necesario.

En lugar de usar un circuito integrado de monitoreo de batería, estoy optando por la ruta simple de corte de voltaje en el evento de que las baterías estén completamente agotadas. Estoy utilizando un regulador lineal para este diseño, el Analog Devices ADP7105, que tiene un pin de Bloqueo por Bajo Voltaje para apagar el regulador si el voltaje de la batería baja demasiado. Típicamente, hacer funcionar un dispositivo de 3.3v con un regulador lineal desde una fuente de 8.4v se consideraría muy ineficiente y no fantástico para la vida útil de la batería. Después de buscar mucho reguladores de modo conmutado de alta eficiencia para cargas ligeras que estén en stock, encontré que el regulador lineal es mucho más eficiente en general.

El desafío con este dispositivo para un regulador de modo conmutado es el módulo WiFi, con un consumo de corriente de transmisión de 290mA, sin embargo, si transmitimos datos cada 10 segundos, entonces el 98.5% restante del tiempo el consumo de corriente probablemente estará en los bajos microamperios de dos dígitos donde un regulador de modo conmutado realmente tiene dificultades. En este caso, asumir la pérdida de eficiencia en la corriente de transmisión vale la pena por la eficiencia relativa y la fiabilidad a baja corriente.

En cuanto a la disposición, tengo vertidos de tierra separados para cada una de las zonas de temperatura potencial, manteniendo el regulador y el cargador en la parte superior de la placa junto con el módulo WiFi. También tengo ranuras en la placa alrededor de estos componentes generadores de calor potenciales en un intento de romper aún más la conductividad térmica del sensor de temperatura. Al igual que con el escudo, el sensor de temperatura está en la parte inferior de la placa en su propia región térmicamente aislada.

Cambiando a un Ensamblaje de Placas Múltiples

Hasta ahora, este proyecto ha utilizado un elemento de la biblioteca para el módulo RF, que es cómo su empresa podría estar lidiando actualmente con sub-ensamblajes internos. Descargué los archivos de Altium para la placa desde el sitio web de Microchip. Como los archivos de diseño utilizan una única huella para los pads castellados, todo lo que necesitaba hacer era indicarle a Altium Designer que el conector es para un proyecto de placa múltiple agregando un parámetro llamado “Sistema” al símbolo esquemático y dándole el valor “Conector”. Preparar la placa de sub-ensamblaje para la conexión de placa múltiple es así de simple.

Para la placa base, tuve que trabajar un poco más, ya que ya tenía una huella con un modelo STEP en ella. Copié los archivos de símbolo y huella de mi biblioteca al folder del proyecto para tener una copia local que modificar.

En la huella, eliminé el cuerpo 3D, luego agregué la huella al símbolo esquemático. Después de cambiar el símbolo en mi esquemático por el nuevo símbolo local, agregué el parámetro Sistema = Conector al símbolo. Finalmente, actualicé el documento PCB desde el esquemático, y luego en el PCB ejecuté una Actualización Desde las Bibliotecas PCB para refrescar la huella.

El PCB ahora tiene una huella sin cuerpo y está marcado como un conector para múltiples placas listo para el ensamblaje.

Creando el Proyecto Multi-Placa

Para agregar nuestra placa de módulo RF a la placa base, necesitamos crear un nuevo proyecto multi-placa. Crear un nuevo proyecto multi-placa es casi lo mismo que un proyecto PCB típico, excepto que elegimos Multi-placa en lugar de PCB bajo la pantalla de creación del proyecto.

A continuación, añadimos un esquemático de placa múltiple y dos módulos. A cada módulo se le asigna un título y se selecciona un proyecto/placa para el módulo.

Para añadir los conectores que configuramos anteriormente, vamos a Diseño -> Importar Proyectos Hijo lo que añadirá los conectores a los módulos.

Luego podemos añadir una conexión directa entre los dos módulos. Altium Designer no pudo coincidir automáticamente las conexiones para los dos módulos esta vez, así que podemos hacer clic en una de las conexiones y en la ventana de propiedades asignar manualmente el pin correspondiente.

Con el pin correctamente emparejado, podemos añadir la PCB de placa múltiple al proyecto, guardándola tan pronto como haya sido añadida. Luego, desde el esquemático, ir a Diseño -> Actualizar Ensamblaje para importar los módulos a la PCB de placa múltiple. Dependiendo de la complejidad de tu hardware, y las especificaciones de esta máquina esto podría tomar algo de tiempo. Sin embargo, para este proyecto relativamente simple, tomó menos de un segundo en mi computadora.

En lugar de utilizar las herramientas de acoplamiento que usamos en el artículo anterior, me gustaría demostrar que podemos posicionar arbitrariamente los componentes de múltiples tarjetas donde queramos si eso es lo que el diseño requiere. Al hacer clic en el módulo de radio, podemos usar el View Gizmo para arrastrarlo a su lugar en nuestra tarjeta anfitriona.

Resultado

En este artículo hemos construido una tarjeta sensora ambiental que podría actuar como una estación meteorológica simple para uso interior o exterior, demostrando la utilidad de un subensamblaje de módulo RF pre-certificado. Hemos discutido cómo y por qué crearías un módulo de subensamblaje para tus propios proyectos. Usar un ensamblaje de múltiples tarjetas en lugar de un modelo 3D estático en una biblioteca para módulos de montaje superficial personalizados asegura que tus tarjetas permanezcan sincronizadas a lo largo del proceso de diseño y permite una integración mecánica superior entre las tarjetas.

También tengo una estación meteorológica Davis Instruments Vantage Pro2, así que será interesante comparar los datos a largo plazo de este proyecto de estación meteorológica con un producto calibrado por NIST.

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