Designs de Módulos Sem Fio: Estação Meteorológica WiFi EnviroSense Multiboard

Neste artigo sobre projeto de múltiplas placas, continuamos de onde paramos criando um shield estilo Arduino para uma placa de avaliação Nucleo-64 da STMicroelectronics. Neste projeto, tudo está se tornando muito mais integrado, aproximando-nos de um produto finalizado. Vamos integrar o microcontrolador à nossa placa e adicionar baterias, gerenciamento de energia de carregamento e rede sem fio. No processo, falaremos sobre subconjuntos de montagem em superfície e por que você pode querer separar parte do seu esquemático de projeto em sua própria placa, que pode ser usada como um módulo de montagem em superfície.

Como discutimos no artigo anterior, há muitas razões para separar seu esquemático em várias placas. Naquele artigo, discutimos principalmente a redução de riscos e a otimização das áreas das placas. Módulos montados em superfície provavelmente não vão ajudar muito na otimização do volume do seu produto e são pouco prováveis de serem tão úteis para fins de prototipagem. Módulos de montagem em superfície geralmente vão ser o mesmo que outros componentes - fixados permanentemente à sua placa, a menos que você realize um retrabalho sério.

Projeto EnviroSense

Nosso projeto EnviroShield está recebendo uma grande atualização neste artigo - estamos tirando-o da fase de prototipagem, onde era um shield Nucleo, e construindo um produto independente. Idealmente, este será totalmente integrado a uma caixa mecânica com um escudo passivo contra radiação e umidade - mas isso está além do escopo deste artigo.

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Como em todos os meus projetos, este projeto é de código aberto e gratuito para você usar como desejar. Você pode encontrar todos os arquivos de design no GitHub. Claro, não há garantia, nem responsabilidade associada aos arquivos do projeto, pois eles estão licenciados sob a licença MIT.

Como agora isso será destinado para uso interno e externo, também precisamos de uma maneira de enviar nossos dados de clima em PCB de volta para um banco de dados, então estaremos adicionando um módulo WiFi Microchip ATWINC1500-MR210PB.

Neste projeto, estamos construindo a placa-mãe - mas vamos falar principalmente sobre como e por que você construiria seu próprio módulo de montagem em superfície. O módulo WiFi da Microchip é um exemplo perfeito do porquê você criaria sua própria placa montada em superfície.

Por Que Criar um Módulo de Montagem em Superfície?

Certificação

A certificação de radiador intencional é cara. Se você está construindo designs de módulos sem fio personalizados em seus produtos, pode fazer sentido mover o hardware de rádio para sua própria submontagem, que você pode certificar separadamente. Se você tem múltiplos produtos usando este design de módulo sem fio personalizado, você pode ser capaz de certificá-los sob a classe muito mais barata de Radiador Não Intencional, já que eles integram um módulo de radiador intencional pré-aprovado.

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Isso também pode ser altamente aplicável a reguladores de tensão, drivers de motor ou drivers de LED que requerem certificação, como para aplicações ferroviárias, automotivas ou médicas. O módulo Microchip ATWINC1500 que estamos usando neste projeto é um exemplo perfeito dessa abordagem. Eu poderia facilmente integrar o chip RF diretamente na placa, no entanto, os custos de certificação aumentariam consideravelmente.

Redução de Custos

Se uma pequena parte do seu hardware requer um substrato de PCB especializado, recursos especializados de PCB como vias cegas ou tapadas, ou um número maior de camadas - você pode encontrar algumas economias movendo essa parte do projeto para sua própria submontagem. À medida que a área não especializada da sua placa de circuito cresce, você está pagando um preço premium por recursos de placa de circuito dos quais não está necessariamente tirando total vantagem.

Separar a parte especializada do seu projeto também torna a reutilização desse bloco esquemático muito mais barata e fácil no futuro. Você pode simplesmente colocar esse design de módulo sem fio existente em uma placa não especializada e aproveitar totalmente suas funcionalidades.

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Se você perceber que está reutilizando esquemáticos em vários projetos que têm custos de engenharia substanciais ou risco ao montar a placa, pode ser um bom momento para criar uma submontagem. Um exemplo comum disso é um regulador de tensão comutado de alta performance ou alta confiabilidade. Reguladores isolados também são comumente divididos em submontagens.

Separar uma parte do design que tem um investimento significativo em engenharia permite a reutilização rápida sem um grande custo de engenharia para qualificar o design integrado em uma nova placa de circuito.

Estratégias de Montagem de Superfície de Módulos

Ao criar seu próprio módulo de montagem em superfície, você precisa considerar como seu novo módulo será anexado à placa hospedeira. Se você vai produzir grandes volumes de designs de módulos sem fio, provavelmente precisará avaliar ambos os métodos mais comuns com seu processo de montagem para determinar a maior confiabilidade e facilidade de montagem.

Array de Grade de Contatos

Ao selecionar componentes, você quase certamente se deparou com Arrays de Grade de Contato (LGA) - almofadas nuas sob o CI ou montagem. Se você tem um grande número de conexões para fazer em um pequeno espaço, LGA pode ser uma abordagem ideal. As principais desvantagens são as mesmas de qualquer outro componente LGA - dificuldade em inspecionar a junta e desafios com prototipagem. Você também pode encontrar custos adicionais com seu parceiro de montagem de placas devido ao tempo extra de configuração da máquina - envolver seus parceiros de placa e montagem no início do seu processo de design pode melhorar muito sua confiabilidade e reduzir seu custo.

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

Você deve evitar via em pad tanto nas placas hospedeiras quanto nos módulos para garantir que não crie bolsões de ar na solda, ou roube a solda através da ação capilar.

LGA também é altamente custo-efetivo para a fabricação de módulos. Alguns fabricantes de placas podem cobrar mais por almofadas casteladas.

Almofadas Casteladas

Muitos módulos comerciais utilizam almofadas casteladas para seus módulos, e com boas razões. Almofadas casteladas são altamente confiáveis e muito fáceis de soldar manualmente e inspecionar. Devido à solda subindo pelo lado da placa, você também pode alcançar uma boa densidade de corrente.

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Um pad castelado é efetivamente um furo passante que é cortado ao meio durante o processo de fabricação da placa. A ferramenta de roteamento no seu painel passará pelo centro do furo, deixando um escalope banhado na borda da placa que possui um pad na parte superior e inferior da placa.

Fonte: DIGI Xbee Pro XB8X na Digi-Key

Ter pads apenas na borda da placa também facilita o roteamento da placa hospedeira, e não interferirá com a colocação de vias ou trilhas na placa do módulo. Os pads de borda podem ser conectados diretamente a uma trilha ou plano em qualquer camada, o que pode facilitar o roteamento para os pads de interconexão no módulo.

Design de Pad Castelado

É difícil errar com pads castelados, no entanto, há algumas coisas a considerar que irão prepará-lo para o sucesso. Se você é novo na criação de pads castelados, vale a pena baixar arquivos Altium para módulos comerciais onde eles estão disponíveis pelo fabricante, como eu fiz para o módulo ATWINC1500 que estou usando neste design de múltiplas placas. Observar o empilhamento de pads e o layout de módulos comercialmente bem-sucedidos em uma classe semelhante ao módulo que você está criando pode dar algumas ideias sobre o que funciona bem antes de começar sua própria experimentação.

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Pad Assimétrico

Ao criar um pad castelado, o empilhamento será quase sempre assimétrico. Os pads superiores e internos são tipicamente redondos e dimensionados como qualquer pad de furo passante ou via seria. O pad inferior, no entanto, é tipicamente ampliado para fornecer maior área de cobre e contato de solda. Isso faz com que o pad castelado possa ser usado de forma confiável com placas estenciladas com pasta de solda, bem como com soldagem manual.

Platina de Borda

Se você precisar de uma densidade de corrente mais alta ou até mesmo de maior confiabilidade, você também pode ter as bordas da placa banhadas além do furo passante. Esse banho é tipicamente adicionado à largura do pad inferior, fornecendo mais área de contato no lado do módulo. A maioria dos fabricantes de placas cobrará mais por esse serviço e fabricantes de placas de baixo custo e alta mistura podem simplesmente ignorar isso, se é que notam a nota de fabricação.

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Se você não está com falta de espaço nas bordas, comece com pads maiores para seus protótipos iniciais. À medida que você começa a se sentir mais confortável com o processo e vê os resultados de seus módulos iniciais, você pode começar a otimizar o tamanho para baixo, se necessário.

Pads do Microchip ATWINC1500

Como um exemplo disso, os pads no módulo ATWINC1500 da Microchip têm um furo banhado de 0.635mm e um pad quadrado de 0.8mm para todas as camadas. Eles têm um pad redondo adicional de 1.7 x 0.8mm na camada inferior (mostrado abaixo movido para a esquerda, para mostrar que são separados).

A Microchip recomenda um pad de 0.8 x 1.9mm na placa hospedeira, com o pad centrado no contorno do módulo.

Meus Pads Castelados

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Sempre fiz as coisas um pouco diferente do exemplo da Microchip acima, preferindo especificar o conjunto completo de pads em um único pad.

Meus pads para módulos RF geralmente têm um furo metalizado de 0,4mm, com um pad superior retangular de 0,8 x 1mm. O pad inferior é de 0,8 x 2mm centrado no furo, fornecendo uma área de cobre exposto de 0,8 x 1mm sob a placa. O pad de montagem superficial na placa hospedeira para esses pads tem 0,8mm de largura e 1,8mm de comprimento, centrado sob o contorno do módulo.

Para placas de volume mais baixo que quase certamente serão soldadas à mão, usarei furos maiores onde a densidade de pinos não é crítica. Estes têm um furo metalizado de 1,2mm e um pad superior de 1,5 x 2mm com um pad inferior de 2,5 x 2mm. Estes têm menos cobre exposto sob a placa, já que o furo metalizado maior na lateral fornecerá a maior parte do contato de solda ao soldá-los à placa hospedeira manualmente.

Seus Próprios Módulos de Design Sem Fio

Ao criar seu próprio módulo, você deve criar seus pads castelados como uma única pegada/símbolo, pois isso facilitará a criação de um projeto multi-board e também garantirá que nenhum pad único ou grupo de pads possa ser movido acidentalmente, causando problemas de alinhamento no futuro.

Projetando a Placa Hospedeira

Como mencionado anteriormente, vamos pegar nosso esquemático anterior de sensor e display LCD e transformá-lo em uma placa independente. Inicialmente, esta placa será desenvolvida usando uma parte da biblioteca que tem o módulo WiFi como o modelo STEP embutido nele. Muitas bibliotecas de empresas utilizam essa abordagem para design multi-board, no entanto, isso é menos que ótimo. Com a impressionante integração MCAD-ECAD da Altium, trabalhar diretamente com o design da placa faz mais sentido do que exportar um modelo STEP do seu módulo e reimportá-lo - especialmente no início da fase de design. À medida que seu módulo e os requisitos da placa hospedeira evoluem, usar uma montagem multi-board permite garantir que tudo esteja mantido em sincronia.

Uma vez que tenhamos o design da placa concluído usando um componente da biblioteca, vou mostrar como é fácil mudar seus projetos multi-placa existentes baseados em biblioteca para uma montagem de footprint + multi-placa.

Para tornar este hardware autônomo e capaz de operar externamente como uma estação de design de placa meteorológica, precisamos de uma fonte de energia. Estou usando o microcontrolador STM32L031K que será configurado para consumo de energia muito baixo, no entanto, quero garantir que a placa possa continuar operando sem energia externa por algum tempo, se necessário. Estou usando duas baterias 18650, assim como fiz no meu projeto de UPS 12V, no entanto, desta vez estou usando um CI carregador diferente devido à escassez de chips e requisitos diferentes.

Gostaria que minha estação de design de placa meteorológica fosse alimentada por energia solar, no entanto, estou localizado no extremo norte da Escócia, onde no inverno temos dias de apenas 5 horas de duração e podemos ficar presos em um banco de neblina ou nuvem densa por dias a fio - não exatamente condições ideais para dispositivos alimentados por energia solar. Usar duas baterias 18650 me permitirá manter a estação meteorológica funcionando por cerca de 6 semanas sem energia externa, se necessário. Também tenho um enorme capacitor de 6000uF na entrada, para ajudar a lidar com as variações de condições de luz, mantendo o carregador funcionando de forma otimizada.

Estou usando o circuito integrado carregador de bateria de lítio de duas células Microchip MCP73213 para o projeto. Ele possui uma ampla faixa de tensão de entrada, o que funciona bem tanto para energia solar quanto para energia CA se usado internamente, além de corrente programável. Estou especificamente usando o modelo de carga de 8,2V, apesar de minhas baterias terem uma carga máxima de 8,4v. Como espero que essas baterias estejam totalmente carregadas na maior parte do ano, mantê-las em um estado ligeiramente inferior ao máximo deve melhorar sua vida útil, e com tal alta capacidade, a pequena redução na capacidade não deve ser notada. Tenho a corrente de carga selecionável por meio de um interruptor deslizante, então ela pode ser ajustada para uma corrente baixa para aplicações alimentadas por energia solar, ou carregada rapidamente por um adaptador CA, se necessário.

Em vez de usar um CI de monitoramento de bateria, estou adotando a simples rota de corte de tensão no caso de as baterias estarem completamente esgotadas. Estou usando um regulador linear para este projeto, o Analog Devices ADP7105, que possui um pino de Bloqueio por Baixa Tensão para desligar o regulador se a tensão da bateria ficar muito baixa. Normalmente, operar um dispositivo de 3.3v com um regulador linear a partir de uma fonte de 8.4v seria considerado muito ineficiente e não fantástico para a vida útil da bateria. Após muita pesquisa por reguladores de modo comutado de alta eficiência para cargas leves que estão em estoque, descobri que o regulador linear é muito mais eficiente no geral.

O desafio com este dispositivo para um regulador de modo comutado é o módulo WiFi, com um consumo de corrente de transmissão de 290mA, no entanto, se transmitirmos dados a cada 10 segundos, então os 98,5% restantes do tempo o consumo de corrente provavelmente estará na faixa de microampères de dois dígitos baixos, onde um regulador de modo comutado realmente tem dificuldades. Neste caso, aceitar a perda de eficiência na corrente de transmissão vale muito a pena pela eficiência relativa e confiabilidade em baixa corrente.

Em termos de layout, eu tenho planos de terra separados para cada uma das zonas de temperatura potenciais, mantendo o regulador e o carregador no topo da placa junto com o módulo WiFi. Eu também tenho fendas na placa ao redor desses componentes que podem gerar calor numa tentativa de quebrar ainda mais a condutividade térmica do sensor de temperatura. Assim como com o escudo, o sensor de temperatura está na parte inferior da placa em sua própria região termicamente isolada.

Mudando para uma Montagem de Placas Múltiplas

Até agora, este projeto usou um item de biblioteca para o módulo RF, que é como sua empresa pode atualmente estar lidando com submontagens internas. Eu baixei os arquivos Altium da placa do site da Microchip. Como os arquivos de design usam uma única pegada para os pads castelados, tudo o que eu precisava fazer era informar ao Altium Designer que o conector é para um projeto de placa múltipla, adicionando um parâmetro chamado “Sistema” ao símbolo esquemático e dando a ele o valor “Conector”. Preparar a placa de submontagem para conexão de placa múltipla é simples assim.

Para a placa hospedeira, tive que fazer um pouco mais de trabalho, pois já tinha uma pegada com um modelo STEP nela. Copiei os arquivos de símbolo e pegada da minha biblioteca para a pasta do projeto para que eu tivesse uma cópia local para modificar.

Na pegada, deletei o corpo 3D, depois adicionei a pegada ao símbolo esquemático. Após mudar o símbolo no meu esquemático para o novo símbolo local, adicionei o parâmetro Sistema = Conector ao símbolo. Finalmente, atualizei o documento PCB a partir do esquemático, e então, no PCB, executei uma Atualização a partir das Bibliotecas PCB para atualizar a pegada.

O PCB agora tem uma pegada sem corpo e está marcado como um conector de placa múltipla pronto para montagem.

Criando o Projeto de Placa Múltipla

Para adicionar nossa placa de módulo RF à placa hospedeira, precisamos criar um novo projeto de placa múltipla. Criar um novo projeto de placa múltipla é quase o mesmo que um projeto de PCB típico, exceto que escolhemos Multi-board em vez de PCB na tela de criação do projeto.

Em seguida, adicionamos um esquemático de placa múltipla e dois módulos. Cada módulo recebe um título e um projeto/placa é selecionado para o módulo.

Para adicionar os conectores que configuramos anteriormente, vamos a Design -> Importar Projetos Filhos, o que adicionará os conectores aos módulos.

Então, podemos adicionar uma conexão direta entre os dois módulos. O Altium Designer não conseguiu combinar automaticamente as conexões para os dois módulos desta vez, então podemos clicar em uma das conexões e, na janela de propriedades, atribuir manualmente o pino correspondente.

Com o pino corretamente emparelhado, podemos adicionar a PCB de placa múltipla ao projeto, salvando-a assim que for adicionada. Então, a partir do esquemático, vamos a Design -> Atualizar Montagem para importar os módulos para a PCB de placa múltipla. Dependendo da complexidade do seu hardware, e das especificações desta máquina, isso pode levar algum tempo. No entanto, para este projeto relativamente simples, levou menos de um segundo no meu computador.

Em vez de usar as ferramentas de acoplamento que utilizamos no artigo anterior, gostaria de demonstrar que podemos posicionar arbitrariamente os componentes de múltiplas placas onde quisermos, se isso for o que o design exige. Ao clicar no módulo de rádio, podemos usar o View Gizmo para arrastá-lo para o local desejado em nossa placa principal.

Resultado

Neste artigo, construímos uma placa sensora ambiental que poderia atuar como uma estação meteorológica simples para uso interno ou externo, demonstrando a utilidade de um subconjunto de módulo RF pré-certificado. Discutimos como e por que você criaria um módulo de subconjunto para seus próprios projetos. Usar uma montagem de múltiplas placas em vez de um modelo 3D estático em uma biblioteca para módulos de montagem em superfície personalizados garante que suas placas permaneçam sincronizadas durante todo o processo de design e permite uma integração mecânica superior entre as placas.

Também tenho uma estação meteorológica Davis Instruments Vantage Pro2, então será interessante comparar os dados de longo prazo deste projeto de estação meteorológica com um produto calibrado pelo NIST.

Como as montagens de múltiplas placas podem economizar seu tempo e aumentar sua produtividade? Fale com um especialista na Altium agora para descobrir.

Reprodutor de vídeo do YouTube