Projekty modułów bezprzewodowych: Stacja pogodowa EnviroSense WiFi Multiboard

W tym artykule dotyczącym projektu wielopłytowego kontynuujemy tam, gdzie skończyliśmy, tworząc tarczę w stylu Arduino dla płyty ewaluacyjnej STMicroelectronics Nucleo-64. W tym projekcie wszystko staje się znacznie bardziej zintegrowane, zbliżając nas do gotowego produktu. Zamierzamy zintegrować mikrokontroler z naszą płytą oraz dodać baterie, zarządzanie zasilaniem do ładowania i sieć bezprzewodową. W trakcie tego procesu porozmawiamy o montażu powierzchniowym podzespołów i dlaczego warto rozdzielić część schematu projektu na własną płytę, która może być używana jako moduł montażu powierzchniowego.

Jak omówiliśmy w poprzednim artykule, istnieje wiele powodów, dla których warto rozdzielić schemat na wiele płyt. W tamtym artykule głównie dyskutowaliśmy o redukcji ryzyka i optymalizacji obszarów płyt. Moduły montażu powierzchniowego prawdopodobnie nie pomogą ci zbyt wiele w optymalizacji objętości produktu i są mało prawdopodobne, aby były tak przydatne do celów prototypowych. Moduły montażu powierzchniowego zazwyczaj będą takie same jak inne komponenty - trwale zamocowane do twojej płyty, chyba że podejmiesz się poważnej przeróbki.

Projekt EnviroSense

Nasz projekt EnviroShield otrzymuje dużą aktualizację w tym artykule - wyprowadzamy go z fazy prototypowej, gdzie był tarczą Nucleo, i budujemy samodzielny produkt. Idealnie, będzie to w pełni zintegrowane z mechaniczną obudową, zawierającą pasywną osłonę przed promieniowaniem i wilgocią - ale to wykracza poza zakres tego artykułu.

Intuitive Multi-Board System Design

The easiest way to create complex designs and error-free system interconnections.

Explore Solutions

Jak we wszystkich moich projektach, ten projekt jest open source i darmowy do użytku, jak tylko chcesz. Wszystkie pliki projektowe można znaleźć na GitHub. Oczywiście, nie ma żadnej gwarancji, ani odpowiedzialności związanej z plikami projektowymi, ponieważ są one licencjonowane na licencji MIT.

Jako że teraz projekt ma być przeznaczony do użytku wewnątrz i na zewnątrz, potrzebujemy również sposobu, aby przesyłać nasze dane pogodowe i PCB z powrotem do bazy danych, więc dodamy moduł WiFi Microchip ATWINC1500-MR210PB.

W tym projekcie budujemy płytę główną - ale będziemy głównie mówić o tym, jak i dlaczego budowałbyś własny moduł montażu powierzchniowego. Moduł WiFi Microchip jest doskonałym przykładem, dlaczego tworzyłbyś własną płytę montowaną powierzchniowo.

Dlaczego tworzyć moduł montażu powierzchniowego?

Certyfikacja

Certyfikacja celowego nadajnika jest kosztowna. Jeśli budujesz własne projekty modułów bezprzewodowych do swoich produktów, może być sensowne przenieść sprzęt radiowy do własnego podzespołu, który można certyfikować oddzielnie. Jeśli masz wiele produktów korzystających z tego niestandardowego projektu modułu radiowego, możesz być w stanie certyfikować je w znacznie tańszej klasie niezamierzonych nadajników, ponieważ integrują one zatwierdzony moduł celowego nadajnika.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Możesz to również uznać za bardzo stosowne do regulatorów napięcia, sterowników silników lub sterowników LED, które wymagają certyfikacji, na przykład w zastosowaniach kolejowych, motoryzacyjnych lub medycznych. Moduł Microchip ATWINC1500, którego używamy w tym projekcie, jest doskonałym przykładem tego podejścia. Mogłbym łatwo zintegrować układ RF bezpośrednio na płytce, jednak koszty certyfikacji znacznie by wzrosły.

Oszczędność kosztów

Jeśli niewielka część twojego sprzętu wymaga specjalistycznego substratu PCB, specjalistycznych funkcji PCB, takich jak zatyczane lub ślepe przelotki, lub większej liczby warstw - możesz znaleźć pewne oszczędności, przenosząc tę część projektu do własnego podzespołu. W miarę jak niespecjalizowana część twojej płytki drukowanej rośnie, płacisz premię za funkcje płytki obwodowej, z których niekoniecznie w pełni korzystasz.

Wyodrębnienie specjalizowanej części projektu sprawia również, że ponowne użycie tego bloku schematycznego staje się znacznie tańsze i łatwiejsze w przyszłości. Możesz po prostu umieścić istniejący projekt modułu bezprzewodowego na niespecjalizowanej płytce i w pełni wykorzystać jego funkcje.

Standaryzacja

Get Ready for the Electronics Design Jobs You Want

Experience hands-on learning in PCB and hardware design with Altium's Student license, cloud access & comprehensive curriculum.

Enroll for Free

Jeśli zauważysz, że ponownie używasz schematów w wielu projektach, które wiążą się z istotnymi kosztami inżynieryjnymi lub ryzykiem przy projektowaniu płytki, może to być dobry moment, aby stworzyć podzespoły. Typowym przykładem jest wysokowydajny lub wysokoniezawodny przetwornik napięcia pracujący w trybie przełączania. Izolowane regulatory również często dzieli się na podzespoły.

Wyodrębnienie części projektu, która wymaga znaczących inwestycji inżynieryjnych, umożliwia szybkie ponowne użycie bez dużych kosztów inżynieryjnych związanych z kwalifikacją projektu zintegrowanego z nową płytką drukowaną.

Strategie montażu powierzchniowego modułów

Tworząc własny moduł montażu powierzchniowego, musisz rozważyć, jak nowy moduł zostanie przymocowany do płyty głównej. Jeśli zamierzasz produkować duże ilości projektów modułów bezprzewodowych, prawdopodobnie będziesz musiał ocenić obie najpopularniejsze metody wraz z procesem montażu, aby określić najwyższą niezawodność i łatwość montażu.

Land Grid Array

Wybierając komponenty, z pewnością natknąłeś się na Land Grid Arrays (LGA) - gołe pady pod układem scalonym lub zespołem. Jeśli masz dużą liczbę połączeń do wykonania na małej przestrzeni, LGA może być idealnym podejściem. Główne wady są takie same jak w przypadku każdego innego komponentu LGA - trudność w inspekcji złącza i wyzwania związane z prototypowaniem. Możesz również napotkać dodatkowe koszty u partnera montującego płytki ze względu na dodatkowy czas konfiguracji maszyny - wczesne zaangażowanie partnerów ds. płytek i montażu w proces projektowania może znacznie poprawić niezawodność i obniżyć koszty.

Launch Your Career in Electronics Design

Gain the skills top employers look for. Start mastering PCB design with the Altium Student Lab today!

Enroll for Free

Źródło: U-Blox NORA-B106 na Digi-Key

Powinieneś unikać via w padzie zarówno na płytach gospodarza, jak i modułu, aby nie tworzyć kieszeni powietrznych w spoiwie, lub nie wyciągać spoiwa przez działanie kapilarne.

LGA jest również bardzo opłacalne dla produkcji modułów. Niektórzy producenci płyt mogą pobierać wyższe opłaty za pady z zamkami.

Pady z zamkami

Wiele komercyjnych modułów wykorzystuje pady z zamkami, i to z dobrych powodów. Pady z zamkami są bardzo niezawodne i bardzo łatwe do lutowania ręcznego i inspekcji. Dzięki wchłanianiu spoiwa na bok płytki, można również osiągnąć dobrą gęstość prądu.

Lay Out Your Track: Prepare for a Career in PCB Design

Develop the electronics design expertise that employers look for with Altium’s free Student Lab!

Enroll Today

Poduszka z zamkiem jest efektywnie metalizowanym otworem przelotowym, który w procesie produkcji płytki jest przecinany na pół. Ścieżka narzędzia frezującego na twojej panelu przejdzie przez środek otworu, pozostawiając na krawędzi płytki metalizowaną muszlę z poduszką na górze i dole płytki.

Źródło: DIGI Xbee Pro XB8X na Digi-Key

Posiadanie poduszek tylko na krawędzi płytki ułatwia również trasowanie płytki gospodarza i nie będzie kolidować z umieszczeniem przelotki czy ścieżki na płytce modułu. Poduszki na krawędzi mogą być bezpośrednio połączone ze ścieżką lub płaszczyzną na dowolnej warstwie, co może ułatwić trasowanie do poduszek połączeniowych na module.

Projektowanie Poduszki z Zamkiem

Trudno jest popełnić błąd przy stosowaniu padów z zamkami, jednak istnieje kilka kwestii, które warto rozważyć, aby zapewnić sobie sukces. Jeśli jesteś nowy w tworzeniu padów z zamkami, warto pobrać pliki Altium dla komercyjnych modułów, jeśli są dostępne od producenta, tak jak zrobiłem to dla modułu ATWINC1500, którego używam w tej wielopłytowej konstrukcji. Przyjrzenie się układowi padów i rozmieszczeniu w komercyjnie udanych modułach z klasy podobnej do tworzonego przez ciebie modułu może dać ci kilka pomysłów na to, co działa dobrze, zanim zaczniesz własne eksperymenty.

Get Ready for the PCB Design Job of Your Dreams

Start your electronics design career with Altium's free Student Lab, comprehensive curriculum & certificates

Enroll Today

Asymetryczny Pad

Podczas tworzenia pada z zamkami, układ zawsze będzie prawie na pewno asymetryczny. Górne i wewnętrzne pady zazwyczaj będą okrągłe i mają rozmiar jak każdy przelotowy pad lub via. Dolny pad jednak zazwyczaj będzie powiększony, aby zapewnić większą powierzchnię miedzi i kontakt lutowany. To sprawia, że pad z zamkami może być niezawodnie używany zarówno z płytkami z naniesioną pastą lutowniczą za pomocą szablonu, jak i przy lutowaniu ręcznym.

Platerowanie Krawędzi

Jeśli wymagasz wyższej gęstości prądu lub jeszcze większej niezawodności, możesz również pokryć krawędzie płytki poza otworami przelotowymi. Ta powłoka jest zwykle dodawana do szerokości dolnej podkładki, zapewniając większą powierzchnię kontaktu po stronie modułu. Większość producentów płyt będzie pobierać wyższą opłatę za tę usługę, a producenci płyt o niskim koszcie i dużej różnorodności mogą po prostu zignorować to, nawet jeśli zauważą notatkę fabryczną.

Dobry Punkt Wyjścia

When NASA Calls, Will You Be Ready?

Prepare for a stellar career in electronics and hardware design with Altium’s free Student Lab.

Enroll Here

Jeśli nie brakuje Ci miejsca na krawędziach, zacznij od większych podkładek dla swoich początkowych prototypów. Gdy zaczniesz czuć się bardziej komfortowo z procesem i zobaczysz wyniki swoich początkowych modułów, możesz zacząć optymalizować rozmiar w dół, jeśli jest to konieczne.

Podkładki Microchip ATWINC1500

Jako przykład, podkładki na module Microchip ATWINC1500 mają otwór pokryty 0,635mm i kwadratową podkładkę 0,8mm dla wszystkich warstw. Mają dodatkową okrągłą podkładkę 1,7 x 0,8mm na dolnej warstwie (poniżej przesuniętą w lewo, aby pokazać, że są oddzielne).

Microchip zaleca podkładkę 0,8 x 1,9mm na płycie gospodarza, z podkładką wyśrodkowaną na obrysie modułu.

Moje Podkładki Ząbkowane

When Tesla Calls, Will You Be Ready?

Get ready for a fast-track career in PCB and hardware design with Altium's free Student Lab.

Enroll Here

Zawsze robiłem rzeczy trochę inaczej niż w przykładzie Microchip powyżej, preferując określenie pełnego stosu padów w pojedynczym padzie.

Moje pady dla modułów RF zwykle mają 0,4mm otwór metalizowany, z 0,8 x 1mm prostokątnym górnym padem. Dolny pad ma wymiary 0,8 x 2mm, wyśrodkowany na otworze, zapewniając 0,8 x 1mm odsłoniętą powierzchnię miedzi pod płytą. Pad montażowy powierzchniowy na płycie głównej dla tych padów ma szerokość 0,8mm i długość 1,8mm, wyśrodkowaną pod obrysem modułu.

Dla płyt o mniejszych wolumenach, które prawie na pewno będą lutowane ręcznie, użyję większych otworów, gdzie gęstość pinów nie jest krytyczna. Te mają 1,2mm otwór metalizowany i 1,5 x 2mm górny pad z dolnym padem 2,5 x 2mm. Mają one mniej odsłoniętej miedzi pod płytą, ponieważ większy otwór metalizowany po boku zapewni większość kontaktu lutowniczego podczas ręcznego lutowania ich do płyty głównej.

Twoje własne moduły projektowe bezprzewodowe

Gdy tworzysz własny moduł, powinieneś stworzyć swoje pady z ząbkami jako pojedynczy odcisk/symbol, ponieważ ułatwi to tworzenie projektu wielopłytowego i zapewni, że żaden pojedynczy pad lub ich grupa nie zostanie przypadkowo przesunięta, co mogłoby spowodować problemy z wyrównaniem w przyszłości.

Projektowanie płyty głównej

Jak wspomniano wcześniej, zamierzamy wziąć nasz poprzedni schemat czujnika i wyświetlacza LCD i uczynić go samodzielną płytą. Początkowo ta płyta będzie rozwijana przy użyciu części bibliotecznej, która ma wbudowany model STEP modułu WiFi. Wiele bibliotek firmowych wykorzystuje to podejście do projektowania wielopłytowego, jednak jest to rozwiązanie dalekie od optymalnego. Dzięki imponującej integracji MCAD-ECAD w Altium, bezpośrednia praca z projektem płyty ma większy sens niż eksportowanie modelu STEP modułu i ponowne importowanie go - szczególnie na wczesnym etapie projektowania. W miarę ewolucji modułu i wymagań płyty głównej, użycie zgromadzenia wielopłytowego pozwala zapewnić, że wszystko jest utrzymywane w synchronizacji.

Gdy już zakończymy projektowanie płytki przy użyciu komponentu z biblioteki, pokażę Ci, jak łatwo jest przełączyć istniejące projekty wielopłytowe oparte na bibliotece na zestawienie śladu + montaż wielopłytowy.

Aby uczynić to urządzenie samodzielnym i zdolnym do działania na zewnątrz jako stacja projektowania pogodowego, potrzebujemy źródła zasilania. Używam mikrokontrolera STM32L031K, który zostanie skonfigurowany do bardzo niskiego zużycia energii, jednak chcę zapewnić, że płyta może kontynuować pracę bez zewnętrznego zasilania przez pewien czas, jeśli będzie to wymagane. Używam dwóch baterii 18650, tak jak zrobiłem to w moim projekcie 12V UPS, jednak tym razem używam innego układu ładowania ze względu na braki w dostawach chipów i inne wymagania.

Chciałbym, aby moja stacja projektowania tablicy pogodowej była zasilana energią słoneczną, jednak znajduję się na bardzo dalekiej północy Szkocji, gdzie zimą dni trwają tylko 5 godzin i możemy być uwięzieni w banku mgły lub gęstej chmurze przez kilka dni naraz - nie są to idealne warunki dla urządzeń zasilanych energią słoneczną. Użycie dwóch baterii 18650 pozwoli mi na działanie stacji pogodowej przez około 6 tygodni bez zewnętrznego zasilania, jeśli będzie to konieczne. Mam również ogromny kondensator 6000uF na wejściu, aby pomóc radzić sobie ze zmiennymi warunkami świetlnymi, utrzymując ładowarkę w optymalnym stanie.

Używam układu ładowania dwóch ogniw litowych Microchip MCP73213 do mojego projektu. Posiada szeroki zakres napięć wejściowych, co sprawdza się zarówno przy zasilaniu solarnym, jak i sieciowym, jeśli jest używany w pomieszczeniach, a także programowalny prąd. Konkretnie używam modelu ładowania 8,2V, pomimo że moje baterie mają maksymalne napięcie ładowania 8,4V. Ponieważ spodziewam się, że te baterie będą przez większość roku w pełni naładowane, utrzymanie ich w stanie nieco niższym niż pełne naładowanie powinno poprawić ich żywotność, a przy tak dużej pojemności, niewielki spadek pojemności nie powinien być zauważalny. Prąd ładowania można wybrać za pomocą przełącznika suwakowego, więc można go ustawić na niski prąd dla aplikacji zasilanych energią słoneczną, lub szybko naładować za pomocą adaptera AC, jeśli jest to potrzebne.

Zamiast korzystać z układu monitorującego baterię, wybrałem prostą metodę odcięcia napięcia w przypadku całkowitego wyczerpania baterii. Do tego projektu używam stabilizatora liniowego, Analog Devices ADP7105, który posiada pin blokady przy niskim napięciu (Under Voltage Lock Out), aby wyłączyć stabilizator, jeśli napięcie baterii spadnie zbyt nisko. Zazwyczaj zasilanie urządzenia 3,3v ze stabilizatora liniowego z zasilania 8,4v byłoby uznane za bardzo nieefektywne i niekorzystne dla żywotności baterii. Po wielu poszukiwaniach wysokowydajnych regulatorów trybu przełączanego, które są dostępne w magazynie, stwierdziłem, że stabilizator liniowy jest o wiele bardziej wydajny ogólnie.

Wyzwaniem w przypadku tego urządzenia dla regulatora trybu przełączanego jest moduł WiFi, z prądem nadawania 290mA, jednak jeśli transmitujemy dane co 10 sekund, to pozostałe 98,5% czasu pobór prądu prawdopodobnie będzie na niskim poziomie kilkudziesięciu mikroamperów, gdzie regulator trybu przełączanego naprawdę ma problemy. W tym przypadku, przyjęcie straty efektywności na prądzie nadawania jest warte tego ze względu na względną wydajność i niezawodność przy niskim prądzie.

Pod względem układu, mam oddzielne pola masy dla każdej z potencjalnych stref temperatur, umieszczając regulator i ładowarkę na górze płytki razem z modułem WiFi. Mam również szczeliny na płytce wokół tych potencjalnie generujących ciepło komponentów w próbie dalszego przerwania przewodności cieplnej czujnika temperatury. Podobnie jak w przypadku osłony, czujnik temperatury znajduje się na dole płytki w swojej własnej termicznie izolowanej strefie.

Przejście na montaż wielopłytowy

Do tej pory ten projekt używał elementu biblioteki dla modułu RF, co może być sposobem, w jaki Twoja firma obecnie radzi sobie z wewnętrznymi podzespołami. Pobrałem pliki Altium dla płytki ze strony Microchip. Jako że pliki projektu używają pojedynczego śladu dla ząbkowanych padów, wszystko, co musiałem zrobić, to powiedzieć Altium Designer, że złącze jest przeznaczone do projektu wielopłytowego, dodając do symbolu schematycznego parametr o nazwie „System” i nadając mu wartość „Connector”. Przygotowanie płytki podzespołu do połączenia wielopłytowego jest takie proste.

Dla płyty głównej musiałem wykonać trochę więcej pracy, ponieważ miałem już ślad z modelem STEP w nim. Skopiowałem pliki symbolu i śladu z mojej biblioteki do folderu projektu, aby mieć lokalną kopię do modyfikacji.

W śladzie usunąłem 3D body, a następnie dodałem ślad do symbolu schematycznego. Po zmianie symbolu w moim schemacie na nowy lokalny symbol, dodałem do symbolu parametr System = Connector. W końcu zaktualizowałem dokument PCB z schematu, a następnie na PCB uruchomiłem Update From PCB Libraries, aby odświeżyć ślad.

PCB ma teraz ślad bez ciała i jest oznaczony jako złącze wielopłytowe gotowe do montażu.

Tworzenie projektu wielopłytowego

Aby dodać naszą płytę modułu RF do płyty głównej, musimy utworzyć nowy projekt wielopłytowy. Tworzenie nowego projektu wielopłytowego jest prawie takie samo jak typowy projekt PCB, z tą różnicą, że wybieramy Multi-board zamiast PCB na ekranie tworzenia projektu.

Następnie dodajemy schemat wielopłytowy i dwa moduły. Każdemu modułowi nadajemy tytuł i wybieramy dla niego projekt/płytę.

Aby dodać wcześniej przygotowane złącza, przechodzimy do Projektowanie -> Importuj projekty podrzędne, co spowoduje dodanie złącz do modułów.

Następnie możemy dodać bezpośrednie połączenie między dwoma modułami. Tym razem Altium Designer nie był w stanie automatycznie dopasować połączeń dla dwóch modułów, więc możemy kliknąć na jedno z połączeń i w oknie właściwości ręcznie przypisać odpowiadający mu pin.

Po poprawnym sparowaniu pinów, możemy dodać wielopłytową PCB do projektu, zapisując ją, jak tylko zostanie dodana. Następnie, ze schematu, przechodzimy do Projektowanie -> Aktualizuj montaż, aby zaimportować moduły do wielopłytowej PCB. W zależności od złożoności sprzętu i specyfikacji tej maszyny, może to zająć trochę czasu. Jednakże, dla tego stosunkowo prostego projektu, zajęło to mniej niż sekundę na moim komputerze.

Zamiast korzystać z narzędzi łączących, które używaliśmy w poprzednim artykule, chciałbym tym razem pokazać, że możemy dowolnie pozycjonować komponenty wielopłytowe, jeśli wymaga tego projekt. Klikając na moduł radiowy, możemy użyć Widoku Gizmo, aby przeciągnąć go na miejsce na naszej płycie głównej.

Wynik

W tym artykule zbudowaliśmy płytę czujnika środowiskowego, która mogłaby służyć jako prosta stacja pogodowa do użytku wewnętrznego lub zewnętrznego, demonstrując użyteczność certyfikowanego modułu RF w postaci gotowego podzespołu. Omówiliśmy, jak i dlaczego tworzylibyście własny moduł podzespołu dla swoich projektów. Używanie montażu wielopłytowego zamiast statycznego modelu 3D w bibliotece dla niestandardowych modułów montażu powierzchniowego zapewnia synchronizację płyt przez cały proces projektowania i umożliwia lepszą integrację mechaniczną między płytami.

Mam również stację pogodową Davis Instruments Vantage Pro2, więc będzie interesujące porównać długoterminowe dane z tego projektu stacji pogodowej z produktem skalibrowanym przez NIST.

Jak montaż wielopłytowy zaoszczędzi czas i zwiększy Twoją produktywność? Porozmawiaj z ekspertem w Altium już teraz, aby się dowiedzieć.