Śledzenie aktywów LTE + GNSS Część 2

To jest część druga mojego projektu LTE GNSS Asset Tracker. W pierwszej części zidentyfikowałem odpowiednie komponenty dla projektu i zaprojektowałem schematy. W tej części zakończymy projekt układem i trasowaniem PCB.

W ostatnim artykule stwierdziłem, że moim celem jest wykonanie tej płytki jak najmniejszej, z zamiarem stworzenia płytki o wysokiej gęstości, spodziewając się, że będę potrzebował 6 warstw dla trasowania. Jednak całkowity rozmiar płytki jest określony przez największe komponenty, niezależnie od życzeń projektanta. Uchwyt baterii litowo-jonowej 18650 i antena LTE same definiują rozmiar tej płytki, przy czym antena LTE ma specyficzne wymagania dotyczące odstępów i układu, które w połączeniu z baterią 18650 określają długość, a sama antena LTE szerokość.

Projekt jest nadal stosunkowo kompaktowy, a większy niż przewidywano rozmiar pozwala na mniejsze kompromisy inżynierskie, jeśli chodzi o rozmieszczenie komponentów.

Zanim zagłębimy się w układ i trasowanie, chciałbym powtórzyć to, co zostało wspomniane w poprzedniej części tego artykułu - ten projekt jest otwartym źródłem i jest dostępny na licencji MIT, która jest licencją permisywną. Pliki projektu można znaleźć na GitHubie. Komponenty do tego projektu pochodzą z mojej otwartej biblioteki komponentów Altium Designer®, Celestial Altium Library. Możesz użyć tego projektu jako punktu wyjścia dla własnego projektu/produktu lub wykorzystać dowolną jego część, jak chcesz.

Układ warstw

Biorąc pod uwagę, że jest to płyta RF, pierwszą rzeczą, którą ustawię na płycie, jest układ warstw. Musi on mieć co najmniej 4 warstwy, aby umożliwić wystarczająco małą ścieżkę dla śladów RF. Zamierzam użyć zasadniczo tego samego układu warstw, co użyłem w moim projekcie CC1125 Sub-1GHz Transceiver. Instrukcję konfiguracji układu warstw i impedancji można znaleźć w tamtym artykule.

Jedną z rzeczy, którą robię inaczej w tym projekcie niż w projekcie Sub 1Ghz, jest niekorzystanie z symetrycznego układu warstw. Pod górną warstwą mam warstwę masy, a nad dolną warstwą mam warstwę sygnałową. Domyślnie Altium używa symetrycznego układu warstw, który zmienia pasujące pary warstw tak, aby obie były warstwami mas lub sygnałów, gdy zmieniasz jedną z warstw.

Aby wyłączyć tę funkcję, możesz zajrzeć do panelu właściwości w sekcji Płytka i odznaczyć Symetria Układu.

Z ustawionym układem warstw płytki, zdefiniowanymi zasadami impedancji i klasami, jestem gotowy, aby rozpocząć projektowanie układu.

Układ Płytka

Kontynuując poprzednią część tego projektu, przeniosłem komponenty na PCB. W tym projekcie nie używam pomieszczeń—pomieszczenia są niezwykle przydatne w wielu projektach, szczególnie w przypadku projektów wielokanałowych, na przykład mój projekt Monitor i Kontroler Prądu korzysta z pomieszczeń dla szybkiego trasowania. W tym projekcie jednak prawdopodobnie po prostu ukryłbym pomieszczenia i sprawił, że każde z nich pokrywałoby całą płytę, ponieważ nie mam żadnych zasad związanych z pomieszczeniami i nie korzystam z żadnych funkcji związanych z pomieszczeniami w Altium.

Aby wyłączyć generowanie pokoi na PCB podczas aktualizacji płyty, można je wyłączyć, przechodząc do Projekt -> Opcje projektu i wybierając Ignoruj różnice z zakładki Generowanie ECO.

To skutkuje przeniesieniem wszystkich 141 komponentów projektu na płytę, zawsze podoba mi się, jak wyglądają po pierwszym przeniesieniu.

Jak wspomniałem w poprzednich artykułach, naprawdę lubię zaczynać układanie od grupowania komponentów razem w bloki, które będę układał indywidualnie. Są to zwykle bardziej szczegółowe grupowania niż tylko według arkusza schematycznego. Znajduję, że pomaga mi to lepiej zrozumieć rozmieszczenie i układ, robiąc to w ten sposób.

Na przykład, schemat mikrokontrolera będzie grupował razem komponenty odsprzęgające i filtrujące zasilanie, a obok tej grupy mikrokontroler i wszelkie pasywne elementy z nim związane, a następnie port Single Wire Debug i przycisk resetu. Arkusz schematyczny mikrokontrolera w tym projekcie zawiera również układ pamięci flash SPI, który niekoniecznie muszę mieć tuż obok mikrokontrolera w układzie, więc również grupuję go osobno. Gdybym zgrupował układ flash z mikrokontrolerem, mogłoby to ograniczyć moje opcje układu, gdy przystępuję do składania układanki z komponentów.

To daje mi małe bloki do indywidualnego rozmieszczenia. Chociaż ta płyta ma tylko 140 komponentów, jeśli zastosujesz tę strategię do płyt, które mają setki komponentów, może to sprawić, że projekt układu i trasowania będzie wyglądał na znacznie mniej zniechęcający i skomplikowany.

Możliwość skupienia się na wielu małych sekcjach izolacyjnie, a następnie łączenie tych sekcji kawałek po kawałku sprawia, że układ staje się znacznie bardziej przystępny.

Wstępny układ

Po indywidualnym rozmieszczeniu wszystkich bloków komponentów, to głównie łamigłówka, jak dopasować je wszystkie razem na płycie. Podczas składania bloków komponentów, zawsze dobrym pomysłem jest myślenie z wyprzedzeniem o tym, jak uzyskać sygnały między sekcjami. Łatwo jest dać się ponieść pakowaniu rzeczy ciasno i nie zostawiać miejsca na wystarczająco duże przewodniki lub przelotki.

Układ wejściowy z diodami TVS i bezpiecznikiem wymagał wielu eksperymentów, w przeciwieństwie do modułów i układów scalonych, jest to najbardziej elastyczna sekcja pod względem pozycjonowania. Krytyczne jest, aby diody TVS znajdowały się między połączeniem obciążenia a źródłem, tak aby mogły łagodzić wszelkie przepięcia przed uszkodzeniem wrażliwych obwodów. Ścieżka masy/powrotu musi być duża i o niskiej impedancji, aby umożliwić skuteczne zarządzanie dużym skokiem prądu bez uszkadzania samej płytki.

Dolna strona płytki jest dość rzadko zaludniona, głównie dlatego, że pozycja uchwytu baterii jest dość ograniczona ze względu na słupki montażowe, które zapewniają stabilność mechaniczną. Słupki znacząco wpływają na to, gdzie można umieścić inne komponenty na płytce, co pozwala na wykorzystanie tylko małej części płytki po jednej stronie uchwytu. Początkowo planowałem umieścić jeden z modułów regulatora pod modułem GNSS, ale naprawdę nie podobała mi się ta pozycja, ponieważ obawiałem się, że zakłócenia przełączania mogą wpływać na moduł GNSS. Na szczęście chciałem również umieścić gniazdo karty SIM na dole płytki, i pod modułem GNSS pasowało bardzo dobrze. Chciałem, aby gniazdo karty SIM było po tej samej stronie co bateria i blok zacisków zasilania, aby w przypadku umieszczenia tego w obudowie, serwisowalne komponenty były po tej samej stronie i łatwo dostępne dla technika.

Umieściłem również antenę LTE po przeciwnej stronie płytki niż antena GNSS, próbując wykorzystać płytę do ekranowania niektórych bezpośrednio promieniowanych zakłóceń. To nie zrobi dużej różnicy, ale skorzystam z tego, co mogę.

Krytyczne trasowanie

Gdy mam już wstępny układ, lubię trasować wszystko, co jest kluczowe dla wydajności płytki - w przypadku tej płytki są to sieci RF, sieci o wyższym prądzie, takie jak zasilanie wejściowe i zasilanie LTE, oraz pojedynczy zasilacz impulsowy, który nie jest modułem.

To zapewnia, że te sieci są na miejscu i są takie, jakie powinny być, więc sieci IO, które nie mają żadnych specjalnych wymagań, mogą omijać te obszary.

Regulator Texas Instruments TPS61089 jest interesujący, jego układ jest nieco inny niż wielu przetwornic podnoszących, ponieważ wyjście napięcia przechodzi przez sam układ scalony. Jak zawsze, staramy się jak najściślej przestrzegać zaleceń producenta dotyczących układu, chyba że masz bardzo dobry powód, by tego nie robić. Układ zalecany przez producenta zwykle daje największą szansę na udaną, stabilną implementację przetwornicy impulsowej o niskim poziomie szumów.

Antena LTE ma również zalecenia dotyczące układu, jednak musiałem od nich odstąpić z powodu rozmieszczenia modułu i anteny. Pozostawiłem moduł LTE na górnej stronie płytki, z anteną na dolnej stronie, ponieważ to zapewniało najkrótszą odległość między padami anteny a padami portu anteny LTE. Nadal jednak podążałem za układem, ale jest on pod kątem 45 stopni po dławiku, i ma przelotkę do zmiany stron płytki przy kondensatorze.

Oto krótki przewodnik, jak ustawić dopasowanie impedancji dla twojej płytki drukowanej w Altium. W poprzednim projekcie podałem instrukcje krok po kroku, ale wiem, że niektórzy ludzie wolą wideo.

Podobnie jak we wszystkich sprawach związanych z RF, należy ocenić wydajność i trasowanie pierwszego prototypu za pomocą analizatora sieci, aby zobaczyć, jakie dostrojenie może być wymagane. Producentów lub trasowanie w projekcie referencyjnym należy traktować jedynie jako początkowy punkt wyjścia dla pierwszego prototypu, aby zbliżyć się do optymalnego projektu. Narzędzia symulacyjne, takie jak Microwave Studio, HFSS i inne, są również świetnym sposobem na dobry punkt wyjścia – ale rzeczywista miedź na podłożu zawsze będzie miała pewne odchylenia w porównaniu z symulacją. Symulacje nie są doskonałe, podobnie jak produkcja.

To jest moje pierwsze podejście do trasowania górnej i dolnej części płytki.

Niestety, szybko stało się oczywiste, że nie będę w stanie przeprowadzić wszystkich połączeń przez sekcję wejściową schematu.

Poligony tutaj są po prostu zbyt gęste, aby umożliwić przejście jakichkolwiek przelotek dla innych sieci, i nie ma miejsca na dodanie więcej.

Pytanie brzmi, czy naprawdę potrzebuję tak dużego obszaru miedzi? Wspomniałem o kalkulatorze szerokości ścieżki PCB w moim artykule o szybkim i brudnym obliczaniu gęstości prądu, więc wezmę do serca własną radę i skorzystam z niego, aby obliczyć, czego tak naprawdę potrzebuję.

Dla moich warstw górnej i dolnej potrzebuję mniej niż 1mm szerokości ścieżki, co jest fantastyczną wiadomością. Mogę znacznie oczyścić te poligony. Warto zauważyć, że wiele tanich producentów PCB używa wewnętrznych warstw 17uM, a zatem wewnętrzne warstwy muszą być dwa razy szersze, aby przewodzić taki sam prąd jak zewnętrzna warstwa miedzi.

Miło jest marzyć o dużych obszarach miedzi, ale w tym przypadku nie jest możliwe ich zaimplementowanie. Mniejszy przewodnik nadal będzie więcej niż wystarczający.

Dla porównania, oto te same obszary płytki po zakończeniu trasowania.

Większość zmian dotyczy warstwy dolnej, co pozwoliło mi dostarczyć trochę mocy do układu ładowania baterii i wykonać wszystkie połączenia dla różnych potrzebnych modułów regulatorów.

Zakończenie płytki

Ukończony układ tej płytki okazał się dość podobny do tego, z czym zacząłem. Byłem dość zaskoczony, ponieważ myślałem, że będę trochę przesuwał elementy w miarę postępów, ale z ograniczoną przestrzenią i wymogami, aby trzymać pewne części z dala od siebie, naprawdę nie było wielu alternatyw do wyboru bez kompletnego zmiany pozycji każdego komponentu.

Moduł LTE będzie odbierał sygnały o znacznie większej sile niż moduł GNSS, dlatego kluczowe było, aby moduł GNSS i jego antena znajdowały się na stosunkowo czystym obszarze płytki. Wolałbym, aby większość przetwornic impulsowych i związane z nimi zakłócenia elektromagnetyczne znajdowały się w pobliżu modułu LTE i jego anteny, niż w pobliżu GNSS. Koniec płytki z modułem GNSS ma tylko monitor pojemności baterii i nadajnik CAN, z których żaden nie powinien wpływać na odbiór nawigacji.

Poświęciłem sporo czasu na uporządkowanie ścieżek po nałożeniu ostatecznych warstw masy na płytce, aby zapewnić bardziej ciągłą, nieprzerwaną masę na każdej warstwie. Mimo że istnieje pełna warstwa płaszczyzny masy, zawsze lubię przejrzeć sieć masy i sprawdzić każdą warstwę, aby zobaczyć, gdzie mogę nieco oczyścić projekt. Często niewielkie przesunięcie ścieżki w jedną lub drugą stronę może otworzyć luki, pozwalając na przepływ masy, co daje bardziej kompletną warstwę.

Oto gdzie nowe narzędzie Gloss Selected okazuje się niezwykle przydatne, połączone z interaktywnym trasowaniem hug and push. Niektóre z ścieżek, które umieściłem na początku—tylko po to, aby nawiązać połączenie i zobaczyć, co się stanie—później zostały znacząco przesunięte podczas trasowania, ponieważ ścieżka i/lub przelotki z nią połączone były przesuwane, aby zrobić miejsce dla innych połączeń. Wiele z tych ścieżek, przy użyciu funkcji gloss, zajmowało mniej miejsca i lepiej do siebie przylegało, co pozwoliło na bardziej kompletny ground pour.

Podsumowanie

Miałem nadzieję, że uda mi się osiągnąć przynajmniej 80% gęstości na płytce w tym projekcie, jako osobisty cel, jednak bez zmiany kształtu płytki tylko po to, aby zmniejszyć powierzchnię, nie było to możliwe. Płytka nadal zajmowałaby tyle samo miejsca fizycznego. Udało mi się osiągnąć gęstość 60%, co moim zdaniem jest dość rzadką płytą. Ale dzięki temu mogłem użyć tylko 4 warstw i również osiągnąć bardziej optymalny układ z liczbą modułów regulatora przełączającego, jakie ta płyta posiada.

Pomimo większego rozmiaru, tracker jest nadal znacznie bardziej kompaktowy niż dostępne komercyjnie trackery i urządzenia do zdalnej diagnostyki, z których korzystałem w przeszłości. W przypadku umieszczenia go w urządzeniu, takim jak wieża oświetleniowa czy generator, nadal byłoby łatwo go ukryć, a jeśli zostanie zamknięty w obudowie, mógłby być solidnie zamontowany, co znacznie zmniejszyłoby szanse na jego usunięcie lub uszkodzenie, szczególnie w przypadku kradzieży.

Przy wykorzystaniu akcelerometru i danych CAN wysyłanych do odpowiedniej platformy chmurowej za pomocą narzędzia (takiego jak IBM Watson), możliwe byłoby wczesne zidentyfikowanie potrzeby konserwacji, zanim kluczowy komponent mógłby zostać uszkodzony nieodwracalnie. Zamiast reagować na całkowitą awarię lub rozpad, system uczenia maszynowego mógłby ostrzec techników o potrzebie działania. Jeśli funkcja ta zostanie poprawnie wdrożona, mogłaby łatwo zaoszczędzić firmie znacznie więcej pieniędzy niż niższe koszty ubezpieczenia sprzętu.

Łączenie prognoz prewencyjnej konserwacji z uczenia maszynowego z szybkim odzyskaniem sprzętu/zakładu w przypadku kradzieży mogłoby znacznie zmniejszyć czas przestoju i poprawić wskaźniki dostępności sprzętu.

Mógłbym z radością spędzić kolejny tydzień lub więcej, dopracowując trasowanie, wprowadzając drobne poprawki tu i ówdzie, ale w pewnym momencie projekt należy uznać za zakończony, przynajmniej w pierwszej wersji. Jeśli użyjesz tego projektu i wprowadzisz jakieś zmiany po testach, śmiało zgłoś pull request na GitHubie, aby inni również mogli cieszyć się Twoją implementacją.

Ten projekt jest otwartoźródłowy, jak wspomniano na początku artykułu, możesz pobrać pliki projektu na GitHubie na licencji MIT.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w Twoim kolejnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.