Progettazione di Moduli Wireless: Stazione Meteo WiFi EnviroSense Multiboard

In questo articolo sul progetto multi-board, continuiamo da dove ci eravamo fermati creando uno shield in stile Arduino per una scheda di valutazione STMicroelectronics Nucleo-64. In questo progetto, tutto sta diventando molto più integrato, avvicinandoci a un prodotto finito. Stiamo per integrare il microcontrollore sulla nostra scheda e aggiungere batterie, gestione dell'alimentazione di ricarica e rete wireless. Nel processo, parleremo di sottogruppi a montaggio superficiale e del perché potreste voler separare parte del vostro schema di progetto in una propria scheda che può essere utilizzata come modulo a montaggio superficiale.

Come abbiamo discusso nell'articolo precedente, ci sono molte ragioni per separare il vostro schema in più schede. In quell'articolo, abbiamo discusso principalmente della riduzione del rischio e dell'ottimizzazione delle aree delle schede. I moduli a montaggio superficiale probabilmente non vi aiuteranno molto nell'ottimizzare il volume del vostro prodotto e difficilmente saranno utili ai fini del prototipaggio. I moduli a montaggio superficiale saranno tipicamente come altri componenti - fissati permanentemente alla vostra scheda a meno che non si intraprendano seri lavori di rilavorazione.

Progetto EnviroSense

Il nostro progetto EnviroShield sta ricevendo un grande aggiornamento in questo articolo - lo stiamo portando fuori dalla fase di prototipazione dove era uno shield Nucleo e costruendo un prodotto autonomo. Idealmente, questo sarà completamente integrato in un alloggiamento meccanico dotato di uno scudo passivo contro radiazioni e umidità - ma questo va oltre lo scopo di questo articolo.

Progettazione intuitiva del sistema multi-scheda

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Esplora le soluzioni

Come per tutti i miei progetti, questo progetto è open source e libero per voi di utilizzare come desiderate. Potete trovare tutti i file di progettazione su GitHub. Naturalmente, non c'è garanzia, assicurazione o responsabilità associata ai file del progetto poiché sono licenziati sotto la licenza MIT.

Dato che ora sarà destinato all'uso sia interno che esterno, abbiamo anche bisogno di un modo per riportare i nostri dati meteorologici e PCB a un database, quindi aggiungeremo un modulo WiFi Microchip ATWINC1500-MR210PB.

In questo progetto, stiamo costruendo la scheda ospite - ma parleremo principalmente di come e perché si dovrebbe costruire il proprio modulo a montaggio superficiale. Il modulo WiFi Microchip è un esempio perfetto del perché si dovrebbe creare la propria scheda a montaggio superficiale.

Perché Creare un Modulo a Montaggio Superficiale?

Certificazione

La certificazione per i radiatori intenzionali è costosa. Se stai integrando progetti di moduli wireless personalizzati nei tuoi prodotti, potrebbe essere conveniente spostare l'hardware radio su un proprio sotto-assemblaggio che puoi certificare separatamente. Se hai più prodotti che utilizzano questo design di modulo radio wireless personalizzato, potresti essere in grado di certificarli sotto la classe molto più economica dei Radiatori Non Intenzionali, poiché integrano un modulo radiatore intenzionale pre-approvato.

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Potresti trovare questa soluzione particolarmente applicabile anche a regolatori di tensione, driver per motori o driver per LED che richiedono certificazione, come per applicazioni ferroviarie, automobilistiche o mediche. Il modulo Microchip ATWINC1500 che stiamo utilizzando in questo progetto è un perfetto esempio di questo approccio. Potrei facilmente integrare il chip RF direttamente sulla scheda, tuttavia, i costi di certificazione aumenterebbero notevolmente.

Riduzione dei Costi

Se una piccola parte del tuo hardware richiede un substrato PCB specializzato, caratteristiche PCB specializzate come vie otturate o cieche, o un numero maggiore di strati - potresti trovare un risparmio spostando quella parte del progetto su un proprio sotto-assemblaggio. Man mano che l'area non specializzata della tua scheda circuito aumenta, stai pagando un prezzo premium per caratteristiche della scheda circuito di cui non stai necessariamente sfruttando appieno.

Separare la parte specializzata del tuo progetto rende anche molto più economico e facile il riutilizzo di quel blocco schematico in futuro. Puoi semplicemente posizionare quel design di modulo wireless esistente su una scheda non specializzata e sfruttarne appieno le funzionalità.

Standardizzazione

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Se ti accorgi di riutilizzare schemi in più progetti che comportano costi di ingegneria sostanziali o rischi nell'allestimento della scheda, può essere il momento giusto per realizzare un sotto-assemblaggio. Un esempio comune è un regolatore di tensione commutato ad alte prestazioni o ad alta affidabilità. Anche i regolatori isolati sono spesso suddivisi in sotto-assemblaggi.

Separare una parte del design che comporta un significativo investimento ingegneristico, permette un riutilizzo rapido senza un grande costo di ingegneria per qualificare il design integrato in una nuova scheda elettronica.

Strategie di Montaggio Superficiale dei Moduli

Quando crei il tuo modulo a montaggio superficiale, devi considerare come il tuo nuovo modulo si attaccherà alla scheda ospite. Se stai per produrre grandi volumi di design di moduli wireless, probabilmente dovrai valutare entrambi i metodi più comuni con il tuo processo di assemblaggio per determinare l'affidabilità più alta e la facilità di assemblaggio.

Land Grid Array

Quando si selezionano componenti, è quasi certo che vi siate imbattuti negli Array a Griglia di Contatti (LGA) - pad nudi sotto il circuito integrato o l'assemblaggio. Se avete un gran numero di connessioni da realizzare in uno spazio ridotto, LGA può essere un approccio ideale. I principali svantaggi sono gli stessi di qualsiasi altro componente LGA - difficoltà nell'ispezionare la giunzione e sfide nella prototipazione. Potreste anche trovare costi aggiuntivi con il vostro partner di assemblaggio della scheda a causa del tempo extra necessario per la configurazione della macchina - coinvolgere i vostri partner di scheda e assemblaggio all'inizio del vostro processo di progettazione può notevolmente migliorare l'affidabilità e ridurre i costi.

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Fonte: U-Blox NORA-B106 su Digi-Key

Dovreste evitare via nei pad sia sulla scheda ospite che su quella del modulo per assicurarvi di non creare sacche d'aria nella saldatura, o di sottrarre la saldatura attraverso l'azione capillare.

LGA è anche molto conveniente per la produzione di moduli. Alcuni produttori di schede potrebbero addebitare di più per i pad incastellati.

Pad Incastellati

Molti moduli commerciali utilizzano pad incastellati per i loro moduli, e con buone ragioni. I pad incastellati sono altamente affidabili e molto facili da saldare a mano e ispezionare. Grazie al risucchio della saldatura lungo il lato della scheda, è possibile ottenere anche una buona densità di corrente.

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Un pad zigrinato è effettivamente un foro passante che viene tagliato a metà durante il processo di fabbricazione della scheda. Il percorso di taglio nel tuo pannello passerà attraverso il centro del foro, lasciando sul bordo della scheda una zigrinatura placcata che ha un pad sia in cima che in fondo alla scheda.

Fonte: DIGI Xbee Pro XB8X su Digi-Key

Avere i pad solo sul bordo della scheda facilita anche il routing della scheda ospite e non interferirà con la posizione di via o tracce sulla scheda del modulo. I pad sul bordo possono essere collegati direttamente a una traccia o a un piano su qualsiasi strato, il che può rendere più semplice il routing verso i pad di interconnessione sul modulo.

Progettazione di Pad Zigrinati

È difficile sbagliare con i pad zigrinati, tuttavia, ci sono alcune cose da considerare che ti prepareranno al successo. Se sei nuovo nella creazione di pad zigrinati, vale la pena scaricare i file di Altium per moduli commerciali dove sono disponibili dal produttore, come ho fatto per il modulo ATWINC1500 che sto utilizzando in questo progetto multi-scheda. Guardare lo stack-up dei pad e il layout di moduli commercialmente di successo in una classe simile a quella del modulo che stai creando può darti alcune idee su ciò che funziona bene prima di iniziare la tua sperimentazione.

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Pad Asimmetrico

Quando si crea un pad zigrinato, lo stack-up sarà quasi sempre asimmetrico. I pad superiori e interni saranno tipicamente rotondi e dimensionati proprio come qualsiasi pad passante o via. Il pad inferiore, tuttavia, sarà tipicamente ingrandito per fornire una maggiore area di rame e contatto di saldatura. Questo rende il pad zigrinato affidabile per l'uso con schede stencilizzate con pasta saldante così come per la saldatura manuale.

Placcatura del Bordo

Se hai bisogno di una densità di corrente maggiore o di una affidabilità ancora superiore, puoi anche far placcare i bordi della scheda oltre il passante. Questa placcatura viene tipicamente aggiunta alla larghezza del pad inferiore, fornendo più area di contatto sul lato del modulo. La maggior parte dei produttori di schede addebiterà un costo aggiuntivo per questo servizio e i produttori di schede a basso costo e ad alta varietà potrebbero semplicemente ignorare questa richiesta se anche solo se ne accorgono.

Un Buon Punto di Partenza

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Se non sei a corto di spazio sui bordi, inizia con pad più grandi per i tuoi prototipi iniziali. Man mano che inizi a sentirti più a tuo agio con il processo e vedi i risultati dei tuoi moduli iniziali, puoi iniziare a ottimizzare le dimensioni verso il basso se necessario.

Pad del Microchip ATWINC1500

Come esempio, i pad sul modulo ATWINC1500 di Microchip hanno un foro placcato di 0.635mm e un pad quadrato di 0.8mm per tutti gli strati. Hanno un pad rotondo aggiuntivo di 1.7 x 0.8mm sullo strato inferiore (mostrato qui spostato a sinistra, per mostrare che sono separati).

Microchip raccomanda un pad di 0.8 x 1.9mm sulla scheda ospite, con il pad centrato sul contorno del modulo.

I Miei Pad Castellati

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Ho sempre fatto le cose in modo un po' diverso rispetto all'esempio di Microchip sopra, preferendo specificare il full pad stack in un singolo pad.

I miei pad per i moduli RF hanno tipicamente un foro metallizzato da 0,4 mm, con un pad superiore rettangolare di 0,8 x 1 mm. Il pad inferiore è di 0,8 x 2 mm centrato sul foro, fornendo un'area di rame esposta di 0,8 x 1 mm sotto la scheda. Il pad per montaggio superficiale sulla scheda ospite per questi pad è largo 0,8 mm e lungo 1,8 mm centrato sotto il contorno del modulo.

Per schede di volume più basso che quasi certamente saranno saldate a mano, utilizzerò fori più grandi dove la densità dei pin non è critica. Questi hanno un foro metallizzato da 1,2 mm e un pad superiore di 1,5 x 2 mm con un pad inferiore di 2,5 x 2 mm. Questi hanno meno rame esposto sotto la scheda, poiché il foro metallizzato più grande sul lato fornirà la maggior parte del contatto di saldatura quando vengono saldati a mano sulla scheda ospite.

I Tuoi Moduli di Design Wireless Personali

Quando crei il tuo modulo, dovresti creare i tuoi pad zigrinati come un unico footprint/simbolo, poiché ciò renderà più semplice la creazione di un progetto multi-board e garantirà inoltre che nessun singolo pad o gruppo di pad possa essere spostato accidentalmente causando problemi di allineamento in futuro.

Progettazione della Scheda Host

Come accennato in precedenza, prenderemo il nostro precedente schema di sensore e display LCD e lo trasformeremo in una scheda autonoma. Inizialmente, questa scheda sarà sviluppata utilizzando una parte di libreria che ha il modulo WiFi come modello STEP incorporato. Molte librerie aziendali utilizzano questo approccio per il design multi-board, tuttavia, è meno che ottimale. Con l'impressionante integrazione MCAD-ECAD di Altium, lavorare direttamente con il design della scheda ha più senso che esportare un modello STEP del tuo modulo e reimportarlo - specialmente nelle fasi iniziali della progettazione. Man mano che il tuo modulo e i requisiti della scheda host evolvono, utilizzare un assemblaggio multi-board ti permette di assicurarti che tutto sia mantenuto sincronizzato.

Una volta completato il design della scheda utilizzando un componente della libreria, vi mostrerò quanto sia facile passare i vostri progetti multi-scheda esistenti basati su libreria a un assembly di footprint + multi-scheda.

Per rendere questo hardware autonomo e in grado di operare all'esterno come una stazione di progettazione per schede meteorologiche, abbiamo bisogno di una fonte di alimentazione. Sto utilizzando il microcontrollore STM32L031K che sarà configurato per un consumo di energia molto basso, tuttavia, voglio assicurarmi che la scheda possa continuare a operare senza alimentazione esterna per un certo tempo se necessario. Sto utilizzando due batterie 18650 proprio come ho fatto nel mio progetto UPS 12V, tuttavia questa volta sto utilizzando un diverso circuito integrato di ricarica a causa della scarsità di chip e di esigenze diverse.

Vorrei che la mia stazione di progettazione per il monitoraggio meteorologico fosse alimentata a energia solare, tuttavia, mi trovo nell'estremo nord della Scozia dove in inverno abbiamo giornate lunghe 5 ore e possiamo rimanere intrappolati in una banca di nebbia o in una nuvola densa per giorni di fila - non esattamente le condizioni ideali per i dispositivi alimentati a energia solare. Utilizzare due batterie 18650 mi permetterà di far funzionare la stazione meteorologica per circa 6 settimane senza alimentazione esterna, se necessario. Ho anche un enorme condensatore da 6000uF sull'ingresso, per aiutare a gestire le variazioni delle condizioni di luce, mantenendo il caricabatterie in funzione in modo ottimale.

Sto utilizzando il circuito integrato caricabatterie a due celle al litio Microchip MCP73213 per il progetto. Ha un ampio intervallo di tensione di ingresso che funziona bene sia per l'energia solare che per l'alimentazione AC se utilizzato al chiuso, oltre a una corrente programmabile. Sto specificamente utilizzando il modello di carica da 8,2V, nonostante le mie batterie abbiano una carica massima di 8,4v. Poiché mi aspetto che queste batterie siano completamente cariche per la maggior parte dell'anno, mantenerle in uno stato leggermente inferiore al pieno dovrebbe migliorare la loro durata, e con una capacità così elevata, la piccola perdita di capacità non dovrebbe essere notata. Ho reso la corrente di carica selezionabile tramite un interruttore a scorrimento, quindi può essere impostata su una corrente bassa per applicazioni alimentate a energia solare, o caricata rapidamente da un adattatore AC se necessario.

Invece di utilizzare un circuito integrato per il monitoraggio delle batterie, sto adottando la semplice soluzione del taglio di tensione nel caso in cui le batterie siano completamente esaurite. Sto utilizzando un regolatore lineare per questo progetto, l'Analog Devices ADP7105, che dispone di un pin di blocco per bassa tensione per spegnere il regolatore se la tensione della batteria scende troppo. Normalmente, alimentare un dispositivo a 3.3v con un regolatore lineare da una fonte di 8.4v sarebbe considerato molto inefficiente e non fantastico per la durata della batteria. Dopo molte ricerche di regolatori a modo commutato ad alta efficienza per carichi leggeri che fossero disponibili in magazzino, ho trovato il regolatore lineare molto più efficiente nel complesso.

La sfida con questo dispositivo per un regolatore a modo commutato è il modulo WiFi, con un assorbimento di corrente in trasmissione di 290mA, tuttavia, se trasmettiamo dati ogni 10 secondi, il restante 98,5% del tempo l'assorbimento di corrente è probabile che sia nell'ordine dei bassi decimi di microampere, dove un regolatore a modo commutato ha davvero difficoltà. In questo caso, accettare la perdita di efficienza sulla corrente di trasmissione vale la pena per l'efficienza relativa e l'affidabilità a bassa corrente.

Dal punto di vista del layout, ho separato i piani di massa per ciascuna delle potenziali zone di temperatura, mantenendo il regolatore e il caricabatterie nella parte superiore della scheda insieme al modulo WiFi. Ho anche inserito delle fessure nella scheda intorno a questi componenti che potenzialmente generano calore nel tentativo di interrompere ulteriormente la conducibilità termica del sensore di temperatura. Proprio come per lo scudo, il sensore di temperatura si trova nella parte inferiore della scheda in una sua regione termicamente isolata.

Passaggio ad un Assemblaggio Multi-Scheda

Fino ad ora, questo progetto ha utilizzato un elemento della libreria per il modulo RF, che è il modo in cui la tua azienda potrebbe attualmente gestire i sottogruppi interni. Ho scaricato i file Altium per la scheda dal sito web di Microchip. Poiché i file di progetto utilizzano un'unica impronta per i pad zigrinati, tutto ciò che ho dovuto fare è stato dire ad Altium Designer che il connettore è per un progetto multi-scheda aggiungendo un parametro chiamato “Sistema” al simbolo schematico e dandogli il valore “Connettore”. Preparare la scheda del sottogruppo per la connessione multi-scheda è così semplice.

Per la scheda host, ho dovuto lavorare un po' di più, poiché avevo già un footprint con un modello STEP incluso. Ho copiato i file del simbolo e del footprint dalla mia libreria nella cartella del progetto per avere una copia locale da modificare.

Nel footprint, ho eliminato il corpo 3D, poi ho aggiunto il footprint al simbolo schematico. Dopo aver cambiato il simbolo nel mio schema con il nuovo simbolo locale, ho aggiunto al simbolo il parametro System = Connector. Infine, ho aggiornato il documento PCB dallo schema, e poi sul PCB ho eseguito un Aggiornamento Dalle Librerie PCB per aggiornare il footprint.

Il PCB ora ha un footprint senza corpo ed è contrassegnato come connettore per schede multiple pronto per l'assemblaggio.

Creazione del Progetto Multi-Scheda

Per aggiungere la nostra scheda modulo RF alla scheda host, dobbiamo creare un nuovo progetto multi-scheda. Creare un nuovo progetto multi-scheda è quasi uguale a un tipico progetto PCB, eccetto che scegliamo Multi-scheda invece di PCB nella schermata di creazione del progetto.

Successivamente, aggiungiamo uno schema multi-board e due moduli. Ogni modulo viene assegnato un titolo e selezionato un progetto/scheda per il modulo.

Per aggiungere i connettori che abbiamo configurato in precedenza, andiamo su Design -> Importa Progetti Figlio, il che aggiungerà i connettori ai moduli.

Poi possiamo aggiungere una connessione diretta tra i due moduli. Altium Designer non è stato in grado di abbinare automaticamente le connessioni per i due moduli questa volta, quindi possiamo cliccare su una delle connessioni e nella finestra delle proprietà assegnare manualmente il pin corrispondente.

Con il pin correttamente accoppiato, possiamo aggiungere il PCB multi-board al progetto, salvandolo non appena viene aggiunto. Poi, dallo schema, andare su Design -> Aggiorna Assemblaggio per importare i moduli nel PCB multi-board. A seconda della complessità del tuo hardware e delle specifiche di questa macchina, ciò potrebbe richiedere del tempo. Tuttavia, per questo progetto relativamente semplice, ha richiesto meno di un secondo sul mio computer.

Invece di utilizzare gli strumenti di accoppiamento che abbiamo usato nell'articolo precedente, vorrei invece dimostrare che possiamo posizionare arbitrariamente i componenti multi-board dove desideriamo, se ciò è ciò che il progetto richiede. Cliccando sul modulo radio, possiamo usare il View Gizmo per trascinarlo al suo posto sulla nostra scheda principale.

Risultato

In questo articolo abbiamo costruito una scheda sensore ambientale che potrebbe agire come una semplice stazione meteorologica per uso interno o esterno, dimostrando l'utilità di un sub-assemblaggio di modulo RF pre-certificato. Abbiamo discusso come e perché creereste un modulo di sub-assemblaggio per i vostri progetti. Utilizzare un assemblaggio multi-board piuttosto che un modello 3D statico in una libreria per moduli custom a montaggio superficiale assicura che le vostre schede rimangano sincronizzate durante tutto il processo di progettazione e permette una migliore integrazione meccanica tra le schede.

Ho anche una stazione meteorologica Davis Instruments Vantage Pro2, quindi sarà interessante confrontare i dati a lungo termine di questo progetto di stazione meteorologica con un prodotto calibrato NIST.

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