Беспроводные модульные конструкции: Многофункциональная метеостанция EnviroSense WiFi

В этой статье о многослойном проекте мы продолжаем с того места, где остановились, создавая щит в стиле Arduino для оценочной платы STMicroelectronics Nucleo-64. В этом проекте все становится гораздо более интегрированным, приближая нас к завершенному продукту. Мы собираемся интегрировать микроконтроллер на нашу плату и добавить батареи, управление зарядкой, питанием и беспроводную сеть. В процессе мы поговорим о поверхностном монтаже подсборок и о том, почему вы можете захотеть отделить часть схемы вашего проекта в отдельную плату, которая может использоваться как модуль поверхностного монтажа.

Как мы обсуждали в предыдущей статье, есть много причин для разделения вашей схемы на несколько плат. В той статье мы в основном обсуждали снижение рисков и оптимизацию площади плат. Модули поверхностного монтажа, вероятно, не помогут вам много в оптимизации объема вашего продукта и вряд ли будут так же полезны для целей прототипирования. Модули поверхностного монтажа обычно будут такими же, как и другие компоненты - навсегда закреплены на вашей плате, если вы не предпримете серьезную переработку.

Проект EnviroSense

Наш проект EnviroShield получает большое обновление в этой статье - мы выводим его из фазы прототипирования, где он был щитом Nucleo, и создаем отдельный продукт. В идеале, он будет полностью интегрирован в механический корпус, оснащенный пассивным щитом от радиации и влаги - но это выходит за рамки данной статьи.

Интуитивно понятное многомодульное проектирование печатных плат

Самый простой способ создания сложных проектов и построения системных межсоединений.

Изучите предлагаемые решения

Как и во всех моих проектах, этот проект является открытым исходным кодом и бесплатным для вашего использования по вашему усмотрению. Все файлы дизайна вы можете найти на GitHub. Конечно, к файлам проекта не применяются никакие гарантии, обязательства или ответственность, поскольку они лицензированы по лицензии MIT.

Поскольку теперь предполагается использование как внутри, так и снаружи помещений, нам также нужен способ передачи данных о погоде с печатной платы обратно в базу данных, поэтому мы добавим WiFi-модуль Microchip ATWINC1500-MR210PB.

В этом проекте мы создаем основную плату - но в основном мы будем говорить о том, как и почему вы могли бы создать свой собственный модуль для поверхностного монтажа. WiFi-модуль Microchip - это идеальный пример того, почему вы создаете свою собственную плату для поверхностного монтажа.

Почему создавать модуль для поверхностного монтажа?

Сертификация

Сертификация устройств, преднамеренно излучающих радиоволны, обходится дорого. Если вы встраиваете в свои продукты собственные конструкции беспроводных модулей, может быть разумным переместить радиоаппаратуру в отдельный субблок, который можно сертифицировать отдельно. Если у вас есть несколько продуктов, использующих эту собственную конструкцию беспроводного радиомодуля, вы можете сертифицировать их в более дешевом классе непреднамеренных излучателей, поскольку они интегрируют предварительно одобренный модуль преднамеренного излучателя.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Это также может быть весьма актуально для регуляторов напряжения, драйверов двигателей или драйверов светодиодов, требующих сертификации, например, для железнодорожных, автомобильных или медицинских приложений. Модуль Microchip ATWINC1500, который мы используем в этом проекте, является идеальным примером такого подхода. Я мог бы легко интегрировать RF-чип непосредственно на плату, однако стоимость сертификации значительно возросла бы.

Снижение затрат

Если небольшая часть вашего оборудования требует специализированного субстрата ПП, специализированных особенностей ПП, таких как заглушенные или слепые переходные отверстия, или большего количества слоев - вы можете сэкономить, переместив эту часть проекта в собственный субблок. По мере увеличения неспециализированной области вашей печатной платы вы платите премиальную цену за особенности печатной платы, которыми не обязательно полностью пользуетесь.

Выделение специализированной части вашего проекта также делает повторное использование этого схематического блока гораздо более дешевым и легким в будущем. Вы можете просто разместить существующий дизайн беспроводного модуля на неспециализированной плате и полностью использовать его возможности.

Стандартизация

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

Если вы обнаружите, что повторно используете схемы в нескольких проектах, которые имеют значительные инженерные затраты или риск разработки платы, может наступить подходящее время для создания подсборки. Обычным примером этого является высокопроизводительный или высоконадежный импульсный регулятор напряжения. Изолированные регуляторы также часто выделяют в подсборки.

Выделение части дизайна, в который вложены значительные инженерные ресурсы, позволяет быстро повторно использовать его без значительных инженерных затрат на квалификацию дизайна, интегрированного в новую печатную плату.

Стратегии монтажа модулей на поверхность

Создавая свой собственный модуль для поверхностного монтажа, вам необходимо учитывать, как ваш новый модуль будет прикрепляться к основной плате. Если вы собираетесь производить большие объемы дизайнов беспроводных модулей, вам, скорее всего, придется оценить оба наиболее распространенных метода с вашим процессом сборки, чтобы определить наивысшую надежность и простоту сборки.

Массив контактных площадок

При выборе компонентов вы, скорее всего, сталкивались с массивами контактных площадок (LGA) - голыми площадками под интегральной схемой или сборкой. Если вам нужно создать большое количество соединений на малом пространстве, LGA может быть идеальным решением. Основные недостатки такие же, как и у любого другого компонента LGA - сложность осмотра соединения и проблемы с прототипированием. Вы также можете столкнуться с дополнительными расходами у вашего партнера по сборке плат из-за дополнительного времени настройки оборудования - раннее вовлечение ваших партнеров по платам и сборке в процесс проектирования может значительно повысить надежность и снизить ваши затраты.

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

Источник: U-Blox NORA-B106 на Digi-Key

Вам следует избегать использования сквозных отверстий в площадках как на основной, так и на модульной платах, чтобы не создавать воздушные карманы в припое или не вытягивать припой капиллярным действием.

LGA также очень экономически выгоден для производства модулей. Некоторые производители плат могут взимать дополнительную плату за обработку краевых контактных площадок.

Краевые контактные площадки

Многие коммерческие модули используют краевые контактные площадки для своих модулей, и это неспроста. Краевые контактные площадки очень надежны и их очень легко паять вручную и осматривать. Благодаря подтягиванию припоя к краю платы, вы также можете добиться хорошей плотности тока.

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

Отверстие с зубцами по сути является металлизированным сквозным отверстием, которое в процессе изготовления платы разрезается пополам. Траектория инструмента на вашей панели будет проходить через центр отверстия, оставляя на краю платы металлизированный зубец с площадкой сверху и снизу платы.

Источник: DIGI Xbee Pro XB8X на Digi-Key

Наличие площадок только на краю платы также упрощает трассировку основной платы и не мешает размещению переходных отверстий или дорожек на модульной плате. Краевые площадки могут быть напрямую соединены с дорожкой или слоем на любом уровне, что может упростить трассировку к соединительным площадкам на модуле.

Дизайн площадки с зубцами

Сложно ошибиться с кастеллированными контактными площадками, однако есть некоторые моменты, которые стоит учесть для обеспечения успеха. Если вы новичок в создании кастеллированных контактных площадок, то стоит скачать файлы Altium для коммерческих модулей, если они доступны от производителя, как я это сделал для модуля ATWINC1500, который я использую в этом многослойном дизайне. Изучение стека площадок и расположения в коммерчески успешных модулях аналогичного класса к модулю, который вы создаете, может дать вам некоторые идеи о том, что хорошо работает, прежде чем вы начнете свои собственные эксперименты.

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

Асимметричная Площадка

При создании кастеллированной контактной площадки стек практически всегда будет асимметричным. Верхние и внутренние площадки обычно будут круглыми и размером, как любая сквозная площадка или переходное отверстие. Однако нижняя площадка обычно будет увеличена для обеспечения большей площади меди и контакта при пайке. Это делает кастеллированную контактную площадку надежно используемой как с платами, на которые нанесена паяльная паста через трафарет, так и при ручной пайке.

Покрытие Краев

Если вам требуется более высокая плотность тока или еще большая надежность, вы также можете покрыть края платы сверх сквозного отверстия. Это покрытие обычно добавляется к ширине нижней площадки, обеспечивая большую площадь контакта на стороне модуля. Большинство производителей плат будут взимать дополнительную плату за эту услугу, а производители плат низкой стоимости и большого ассортимента могут просто игнорировать это, если даже заметят примечание к производству.

Хорошая отправная точка

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

Если у вас достаточно места по краям, начните с более крупных площадок для ваших первых прототипов. Как только вы начнете чувствовать себя более уверенно в процессе и увидите результаты ваших первых модулей, вы можете начать оптимизировать размер в меньшую сторону, если это необходимо.

Площадки Microchip ATWINC1500

Как пример, площадки на модуле ATWINC1500 от Microchip имеют металлизированное отверстие 0.635 мм и квадратную площадку 0.8 мм для всех слоев. У них есть дополнительная круглая площадка 1.7 x 0.8 мм на нижнем слое (показана ниже сдвинутой влево, чтобы показать, что они отдельные).

Microchip рекомендует площадку 0.8 x 1.9 мм на основной плате, с площадкой, центрированной по контуру модуля.

Мои Замковые Площадки

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

Я всегда делал вещи немного иначе, чем в примере с Microchip выше, предпочитая указывать полную структуру площадки в одной площадке.

Мои площадки для RF модулей обычно имеют металлизированное отверстие 0.4 мм, с прямоугольной верхней площадкой 0.8 x 1 мм. Нижняя площадка 0.8 x 2 мм, центрированная относительно отверстия, обеспечивает обнаженную медную область 0.8 x 1 мм под платой. Площадка для поверхностного монтажа на основной плате для этих площадок имеет ширину 0.8 мм и длину 1.8 мм, центрированную под контуром модуля.

Для плат меньшего объема, которые почти наверняка будут паяться вручную, я использую большие отверстия, где плотность контактов не критична. У них металлизированное отверстие 1.2 мм и верхняя площадка 1.5 x 2 мм с нижней площадкой 2.5 x 2 мм. У них меньше обнаженной меди под платой, так как большее металлизированное отверстие сбоку обеспечит большую часть контакта при пайке их к основной плате вручную.

Ваши собственные модули беспроводного дизайна

Когда вы создаете свой собственный модуль, вам следует создать свои кастеллированные контактные площадки как единый отпечаток/символ, поскольку это облегчит создание многослойного проекта и также гарантирует, что ни одна отдельная площадка или группа площадок не сможет быть случайно перемещена, вызывая проблемы с выравниванием в будущем.

Проектирование основной платы

Как было упомянуто ранее, мы собираемся взять нашу предыдущую схему с датчиком и ЖК-дисплеем и сделать из нее автономную плату. Изначально эта плата будет разработана с использованием библиотечного компонента, который имеет встроенную модель WiFi-модуля в формате STEP. Многие библиотеки компаний используют этот подход к многослойному проектированию, однако это не оптимально. С впечатляющей интеграцией MCAD-ECAD от Altium, работа напрямую с дизайном платы имеет больше смысла, чем экспортирование модели модуля в формате STEP и его повторный импорт - особенно на ранних этапах проектирования. По мере развития вашего модуля и требований к основной плате, использование сборки многослойной платы позволяет вам гарантировать, что все остается синхронизированным.

Как только мы завершим разработку платы с использованием компонента из библиотеки, я покажу вам, насколько легко перевести ваши существующие многоплатные проекты, основанные на библиотеке, на использование отпечатков пальцев + сборку многоплатных систем.

Чтобы сделать это оборудование автономным и способным работать снаружи как станция проектирования погодных плат, нам нужен источник питания. Я использую микроконтроллер STM32L031K, который будет настроен на очень низкое потребление энергии, однако я хочу убедиться, что плата сможет продолжать работать без внешнего питания некоторое время, если это будет необходимо. Я использую две батареи 18650, как и в моем проекте 12V UPS, однако на этот раз я использую другой зарядный ИС из-за дефицита чипов и других требований.

Я хотел бы, чтобы моя метеорологическая станция была солнечной, однако я нахожусь на крайнем севере Шотландии, где зимой дни длится всего 5 часов, и мы можем находиться в банке тумана или густом облаке днями напролет - не совсем идеальные условия для солнечных устройств. Использование двух батарей 18650 позволит мне эксплуатировать метеорологическую станцию около 6 недель без внешнего питания, если это необходимо. Также у меня есть огромный конденсатор на 6000uF на входе, чтобы помочь справиться с изменяющимися световыми условиями, поддерживая зарядное устройство в оптимальном режиме работы.

Я использую микросхему зарядного устройства для двухъячеечных литиевых батарей Microchip MCP73213 для своего проекта. Она имеет широкий диапазон входного напряжения, что хорошо подходит как для солнечной энергии, так и для использования в помещении от сети переменного тока, а также программируемый ток. Я конкретно использую модель на 8.2В, несмотря на то что максимальное напряжение заряда моих батарей составляет 8.4В. Поскольку я ожидаю, что эти батареи будут находиться в полностью заряженном состоянии большую часть года, поддержание их в состоянии чуть ниже полного должно улучшить их срок службы, и при такой высокой емкости небольшое снижение емкости не должно быть заметным. Я сделал ток заряда выбираемым с помощью переключателя-слайдера, так что его можно установить на низкий ток для приложений, работающих от солнечной энергии, или быстро зарядить от адаптера переменного тока при необходимости.

Вместо использования микросхемы контроля батареи я выбрал простой метод отключения по напряжению в случае полной разрядки батарей. Для этого дизайна я использую линейный регулятор Analog Devices ADP7105, который имеет вывод блокировки по низкому напряжению для отключения регулятора, если напряжение батареи слишком низкое. Обычно использование линейного регулятора для питания устройства на 3.3v от источника 8.4v считалось бы очень неэффективным и не лучшим решением для срока службы батареи. После долгих поисков высокоэффективных регуляторов с переключаемым режимом работы для легких нагрузок, которые есть в наличии, я обнаружил, что линейный регулятор в целом намного эффективнее.

Проблема с этим устройством для регулятора с переключаемым режимом работы заключается в модуле WiFi, потребляющем ток передачи 290 мА, однако, если мы передаем данные каждые 10 секунд, то оставшиеся 98,5% времени потребление тока, скорее всего, будет на уровне низких двузначных микроампер, где регулятор с переключаемым режимом работы действительно испытывает трудности. В этом случае принятие потерь эффективности на токе передачи оправдано за счет относительной эффективности и надежности при низком токе.

Что касается разметки, я использовал отдельные земляные заливки для каждой из потенциальных температурных зон, разместив регулятор и зарядное устройство в верхней части платы вместе с модулем WiFi. Также я сделал прорези в плате вокруг этих потенциально генерирующих тепло компонентов в попытке дополнительно нарушить теплопроводность датчика температуры. Так же, как и с защитным кожухом, датчик температуры находится в нижней части платы в своей собственной термически изолированной зоне.

Переход к сборке многослойной платы

До сих пор в этом проекте использовался элемент библиотеки для RF-модуля, что может быть способом, которым ваша компания в настоящее время работает с внутренними подсборками. Я загрузил файлы Altium для платы с сайта Microchip. Поскольку файлы проекта используют единственный посадочный мест для краевых контактных площадок, все, что мне нужно было сделать, это сообщить Altium Designer, что разъем предназначен для многослойного проекта, добавив к символу схемы параметр под названием «System» и присвоив ему значение «Connector». Подготовка подсборочной платы к многослойному соединению настолько проста.

Для основной платы мне пришлось немного больше поработать, так как у меня уже был посадочное место с моделью STEP внутри. Я скопировал файлы символов и посадочных мест из моей библиотеки в папку проекта, чтобы у меня была локальная копия для модификации.

В посадочном месте я удалил 3D корпус, затем добавил посадочное место к символу схемы. После изменения символа в моей схеме на новый локальный символ, я добавил к символу параметр System = Connector. Наконец, я обновил документ печатной платы из схемы, а затем на печатной плате запустил обновление из библиотек печатных плат, чтобы обновить посадочное место.

Теперь на печатной плате есть посадочное место без корпуса, и оно помечено как разъем для многослойной сборки, готовый к монтажу.

Создание многослойного проекта

Чтобы добавить нашу плату RF-модуля к основной плате, нам нужно создать новый многослойный проект. Создание нового многослойного проекта почти не отличается от обычного проекта печатной платы, за исключением того, что мы выбираем Многослойный вместо Печатной платы на экране создания проекта.

Далее мы добавляем многосхемную плату и два модуля. Каждому модулю присваивается название, и для модуля выбирается проект/плата.

Чтобы добавить ранее настроенные соединители, переходим в Разработка -> Импорт дочерних проектов, что позволит добавить соединители к модулям.

Затем мы можем добавить прямое соединение между двумя модулями. Altium Designer на этот раз не смог автоматически сопоставить соединения для двух модулей, поэтому мы можем щелкнуть по одному из соединений и в окне свойств вручную назначить соответствующий контакт.

После правильного соединения контактов, мы можем добавить многослойную печатную плату в проект, сохраняя ее, как только она была добавлена. Затем, из схемы, переходим в Разработка -> Обновить сборку для импорта модулей на многослойную печатную плату. В зависимости от сложности вашего оборудования и характеристик этого компьютера, это может занять некоторое время. Однако для этого относительно простого проекта, на моем компьютере это заняло менее секунды.

Вместо использования инструментов соединения, которые мы использовали в предыдущей статье, я бы хотел показать, что мы можем произвольно размещать многослойные компоненты где угодно, если это требуется дизайном. Нажимая на радиомодуль, мы можем использовать View Gizmo для его перетаскивания на нужное место на нашей основной плате.

Результат

В этой статье мы создали плату для экологического датчика, которая может служить простой метеостанцией для использования внутри помещения или на улице, демонстрируя полезность предварительно сертифицированного подсборки RF-модуля. Мы обсудили, как и почему вы должны создать подсборку модуля для своих собственных проектов. Использование сборки из нескольких плат вместо статичной 3D-модели в библиотеке для пользовательских поверхностных монтажных модулей обеспечивает синхронизацию ваших плат на протяжении всего процесса проектирования и позволяет лучше интегрировать платы между собой с механической точки зрения.

У меня также есть метеостанция Davis Instruments Vantage Pro2, поэтому будет интересно сравнить долгосрочные данные с этого проекта метеостанции с продуктом, калиброванным по стандартам NIST.

Как многослойные сборки сэкономят вам время и повысят вашу продуктивность? Обратитесь к эксперту в Altium сейчас, чтобы узнать.