Trong bài viết dự án đa bo mạch này, chúng ta sẽ tiếp tục từ nơi chúng ta đã dừng lại khi tạo một tấm chắn theo phong cách Arduino cho bo mạch đánh giá Nucleo-64 của STMicroelectronics. Trong dự án này, mọi thứ đang trở nên tích hợp hơn, đưa chúng ta tiến gần hơn đến một sản phẩm hoàn chỉnh. Chúng ta sẽ tích hợp vi điều khiển vào bo mạch của mình và thêm pin, quản lý nguồn sạc, và kết nối mạng không dây. Trong quá trình này, chúng ta sẽ nói về các mô-đun gắn bề mặt và lý do tại sao bạn có thể muốn tách một phần sơ đồ mạch của mình thành một bo mạch riêng biệt có thể được sử dụng như một mô-đun gắn bề mặt.
Như chúng ta đã thảo luận trong bài viết trước, có nhiều lý do để tách sơ đồ mạch của bạn thành nhiều bo mạch. Trong bài viết đó, chúng ta chủ yếu thảo luận về việc giảm rủi ro và tối ưu hóa diện tích bo mạch. Các mô-đun gắn bề mặt có thể sẽ không giúp bạn nhiều trong việc tối ưu hóa thể tích sản phẩm của mình, và có thể sẽ không hữu ích nhiều cho mục đích thử nghiệm. Các mô-đun gắn bề mặt thường sẽ giống như các linh kiện khác - được gắn cố định vào bo mạch của bạn trừ khi bạn thực hiện một công việc tái chế nghiêm túc.
Dự án EnviroShield của chúng ta đang nhận được một bản nâng cấp lớn trong bài viết này - chúng ta sẽ đưa nó ra khỏi giai đoạn thử nghiệm nơi nó là một tấm chắn Nucleo và xây dựng một sản phẩm độc lập. Lý tưởng nhất, sản phẩm này sẽ được tích hợp hoàn toàn vào một vỏ cơ khí với lớp bảo vệ bức xạ và độ ẩm thụ động - nhưng điều đó vượt quá phạm vi của bài viết này.
Như tất cả các dự án của tôi, dự án này là mã nguồn mở và miễn phí cho bạn sử dụng theo ý muốn. Bạn có thể tìm tất cả các tệp thiết kế trên GitHub. Tất nhiên, không có bảo hành, bảo đảm, hoặc trách nhiệm pháp lý nào được gắn liền với các tệp dự án vì chúng được cấp phép theo giấy phép MIT.
Vì giờ đây dự án này được dự định sử dụng trong nhà và ngoài trời, chúng tôi cũng cần một cách để lấy dữ liệu thời tiết trên PCB trở lại cơ sở dữ liệu, vì vậy chúng tôi sẽ thêm một mô-đun WiFi Microchip ATWINC1500-MR210PB.
Trong dự án này, chúng tôi đang xây dựng bảng chủ - nhưng chúng tôi chủ yếu sẽ nói về cách và lý do bạn nên xây dựng mô-đun gắn bề mặt của riêng mình. Mô-đun WiFi Microchip là một ví dụ hoàn hảo về lý do tại sao bạn nên tạo ra bảng mạch gắn bề mặt của riêng mình.
Chứng nhận
Chứng nhận bộ phát sóng cố ý là tốn kém. Nếu bạn đang xây dựng thiết kế mô-đun không dây tùy chỉnh vào sản phẩm của mình, có thể bạn sẽ muốn chuyển phần cứng radio sang một bộ phận phụ riêng biệt mà bạn có thể chứng nhận riêng lẻ. Nếu bạn có nhiều sản phẩm sử dụng thiết kế mô-đun không dây tùy chỉnh này, bạn có thể chứng nhận chúng dưới lớp Bộ phát sóng không cố ý, rẻ hơn nhiều, vì chúng tích hợp một mô-đun bộ phát sóng cố ý đã được phê duyệt trước.
Bạn cũng có thể thấy điều này rất phù hợp với các bộ điều chỉnh điện áp, trình điều khiển động cơ, hoặc trình điều khiển LED đòi hỏi chứng nhận như cho các ứng dụng đường sắt, ô tô hoặc y tế. Mô-đun Microchip ATWINC1500 mà chúng tôi sử dụng trong dự án này là một ví dụ hoàn hảo về cách tiếp cận này. Tôi có thể dễ dàng tích hợp chip RF trực tiếp lên bảng mạch, tuy nhiên, chi phí chứng nhận sẽ tăng đáng kể.
Giảm Chi Phí
Nếu một phần nhỏ của phần cứng của bạn yêu cầu một loại vật liệu nền PCB chuyên biệt, các tính năng PCB chuyên biệt như vias bịt hoặc vias mù, hoặc số lớp cao hơn - bạn có thể tìm thấy một số tiết kiệm bằng cách chuyển phần đó của dự án sang một bộ phận phụ riêng biệt. Khi khu vực không chuyên biệt của bảng mạch của bạn phát triển, bạn đang trả một giá cao cho các tính năng bảng mạch mà bạn không nhất thiết phải tận dụng hết.
Tách riêng phần chuyên biệt của dự án cũng làm cho việc tái sử dụng khối sơ đồ đó trở nên rẻ hơn và dễ dàng hơn trong tương lai. Bạn có thể đơn giản đặt thiết kế mô-đun không dây hiện có lên một bảng không chuyên biệt và tận dụng tối đa các tính năng của nó.
Tiêu chuẩn hóa
Nếu bạn thấy mình tái sử dụng sơ đồ qua nhiều dự án mà có chi phí kỹ thuật đáng kể hoặc rủi ro khi triển khai bảng mạch, đó có thể là thời điểm tốt để tạo một hợp phần phụ. Một ví dụ phổ biến là bộ điều chỉnh điện áp chuyển mạch hiệu suất cao hoặc độ tin cậy cao. Các bộ điều chỉnh cô lập cũng thường được chia thành các hợp phần phụ.
Tách một phần của thiết kế có đầu tư kỹ thuật đáng kể, cho phép tái sử dụng nhanh chóng mà không cần chi phí kỹ thuật lớn để xác nhận thiết kế được tích hợp vào một bảng mạch mới.
Khi tạo mô-đun gắn bề mặt của riêng bạn, bạn cần xem xét làm thế nào mô-đun mới của bạn sẽ gắn vào bảng chủ. Nếu bạn sẽ sản xuất số lượng lớn các thiết kế mô-đun không dây, bạn sẽ cần đánh giá cả hai phương pháp phổ biến nhất với quy trình lắp ráp của mình để xác định độ tin cậy cao nhất và dễ dàng lắp ráp nhất.
Mảng Lưới Đất
Khi lựa chọn linh kiện, bạn hầu như chắc chắn đã gặp qua Mảng Lưới Đất (LGA) - các pad trần dưới IC hoặc bộ phận lắp ráp. Nếu bạn có một số lượng lớn kết nối cần thực hiện trong một không gian nhỏ, LGA có thể là một phương pháp lý tưởng. Nhược điểm chính giống như bất kỳ thành phần LGA nào khác - khó khăn trong việc kiểm tra mối hàn và thách thức với việc chế tạo mẫu. Bạn cũng có thể phát hiện thêm chi phí với đối tác lắp ráp bo mạch của mình do thời gian thiết lập máy móc thêm - việc tham gia cùng đối tác bo mạch và lắp ráp của bạn sớm trong quá trình thiết kế của bạn có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy và giảm chi phí của bạn.
Nguồn: U-Blox NORA-B106 trên Digi-Key
Bạn nên tránh việc sử dụng via trong pad trên cả bo mạch chủ và bo mạch mô-đun để đảm bảo bạn không tạo ra túi khí trong hàn, hoặc hút hàn qua hành động mao dẫn.
LGA cũng rất hiệu quả về chi phí cho việc sản xuất mô-đun. Một số nhà sản xuất bo mạch có thể tính phí cao hơn cho các pad lồi.
Pad Lồi
Nhiều mô-đun thương mại sử dụng pad lồi cho các mô-đun của họ, và có lý do chính đáng. Pad lồi rất đáng tin cậy và rất dễ hàn thủ công và kiểm tra. Do hàn bám lên cạnh của bo mạch, bạn cũng có thể đạt được mật độ dòng điện tốt.
Một pad lồi là một lỗ thông hàn được cắt đôi trong quá trình sản xuất bảng mạch. Đường dẫn công cụ phay trên tấm panel của bạn sẽ đi qua trung tâm của lỗ, để lại một phần lồi được mạ trên cạnh bảng mạch có pad ở phía trên và dưới của bảng mạch.
Nguồn: DIGI Xbee Pro XB8X trên Digi-Key
Việc chỉ có pad trên cạnh bảng mạch cũng làm cho việc định tuyến bảng mạch chủ trở nên dễ dàng, và sẽ không gây cản trở cho việc đặt via hoặc đường dẫn trên bảng mạch module. Các pad cạnh có thể được kết nối trực tiếp với một đường dẫn hoặc mặt phẳng trên bất kỳ lớp nào, điều này có thể làm cho việc định tuyến đến các pad kết nối dễ dàng hơn trên module.
Thiết Kế Pad Lồi
Khó có thể sai lầm khi sử dụng các pad lồi lõm, tuy nhiên, có một số điều cần xem xét sẽ giúp bạn thành công hơn. Nếu bạn mới bắt đầu tạo pad lồi lõm, đáng giá khi tải về các tệp Altium cho các mô-đun thương mại nơi chúng có sẵn từ nhà sản xuất, như tôi đã làm với mô-đun ATWINC1500 mà tôi đang sử dụng trong thiết kế đa bảng này. Xem xét cấu trúc pad và bố cục của các mô-đun thành công trên thị trường trong cùng một loại với mô-đun bạn đang tạo có thể cho bạn một số ý tưởng về những gì hoạt động tốt trước khi bạn bắt đầu thử nghiệm của riêng mình.
Pad Không Đối Xứng
Khi tạo một pad lồi lõm, cấu trúc thường sẽ không đối xứng. Các pad trên và bên trong thường sẽ tròn và có kích thước giống như bất kỳ pad xuyên lỗ hoặc via nào. Tuy nhiên, pad dưới thường sẽ được mở rộng để cung cấp diện tích đồng lớn hơn và tiếp xúc hàn. Điều này làm cho pad lồi lõm có thể được sử dụng đáng tin cậy với các bảng mạch có khuôn hàn cũng như hàn tay.
Phủ Cạnh
Nếu bạn yêu cầu mật độ dòng điện cao hơn hoặc độ tin cậy cao hơn nữa, bạn cũng có thể làm cho các cạnh của bảng mạch được mạ thêm ngoài lỗ thông hơi. Lớp mạ này thường được thêm vào chiều rộng của pad dưới cùng, cung cấp thêm diện tích tiếp xúc ở bên cạnh của mô-đun. Hầu hết các nhà sản xuất bảng mạch sẽ tính phí cao hơn cho dịch vụ này và các nhà sản xuất bảng mạch giá rẻ, đa dạng cao có thể đơn giản bỏ qua điều này nếu họ thậm chí nhận thấy ghi chú fab.
Điểm Bắt Đầu Tốt
Nếu bạn không thiếu không gian cạnh, hãy bắt đầu với các pad lớn hơn cho các nguyên mẫu ban đầu của bạn. Khi bạn bắt đầu cảm thấy thoải mái hơn với quy trình và thấy kết quả của các mô-đun ban đầu, bạn có thể bắt đầu tối ưu hóa kích thước xuống nếu cần thiết.
Pad của Microchip ATWINC1500
Là một ví dụ về điều này, các pad của Microchip trên mô-đun ATWINC1500 có một lỗ mạ 0.635mm và một pad vuông 0.8mm cho tất cả các lớp. Chúng có thêm một pad tròn 1.7 x 0.8mm ở lớp dưới cùng (được hiển thị bên dưới chuyển sang trái, để thấy chúng là riêng biệt).
Microchip khuyến nghị một pad 0.8 x 1.9mm trên bảng mạch chủ, với pad được căn giữa trên đường viền của mô-đun.
Pad Castellated của Tôi
Tôi luôn làm mọi thứ một chút khác biệt so với ví dụ Microchip ở trên, tôi thích chỉ định toàn bộ cấu trúc pad trong một pad duy nhất.
Các pad của tôi cho mô-đun RF thường có một lỗ phủ 0.4mm, với một pad trên hình chữ nhật 0.8 x 1mm. Pad dưới là 0.8 x 2mm, tâm trên lỗ, cung cấp một khu vực đồng lộ ra 0.8 x 1mm dưới bảng mạch. Pad gắn bề mặt trên bảng mạch chủ cho các pad này rộng 0.8mm, và dài 1.8mm, tâm dưới hình dạng mô-đun.
Đối với các bảng mạch số lượng thấp mà gần như chắc chắn sẽ được hàn bằng tay, tôi sẽ sử dụng các lỗ lớn hơn khi mật độ chân không quan trọng. Chúng có một lỗ phủ 1.2mm, và một pad trên 1.5 x 2mm với một pad dưới 2.5 x 2mm. Chúng có ít đồng lộ ra dưới bảng mạch hơn, vì lỗ phủ lớn hơn ở bên sẽ cung cấp phần lớn điểm tiếp xúc hàn khi hàn chúng vào bảng mạch chủ bằng tay.
Thiết Kế Mô-đun Không Dây Của Riêng Bạn
Khi bạn tạo mô-đun của riêng mình, bạn nên tạo các pad castellated của mình như một dấu chân/ký hiệu duy nhất, vì điều này sẽ làm cho việc tạo dự án đa bảng mạch trở nên dễ dàng hơn, và cũng đảm bảo không có pad đơn lẻ hay cụm pad nào có thể bị di chuyển một cách vô tình gây ra vấn đề về sự căn chỉnh trong tương lai.
Như đã đề cập trước đó, chúng ta sẽ lấy sơ đồ cảm biến và màn hình LCD trước đây của mình và tạo thành một bảng mạch độc lập. Ban đầu, bảng mạch này sẽ được phát triển sử dụng một phần của thư viện có mô-đun WiFi dưới dạng mô hình STEP được nhúng vào trong đó. Nhiều thư viện của công ty sử dụng cách tiếp cận này cho thiết kế đa bảng mạch, tuy nhiên, nó không phải là tối ưu. Với sự tích hợp ấn tượng giữa MCAD và ECAD của Altium, làm việc trực tiếp với thiết kế bảng mạch có ý nghĩa hơn là xuất một mô hình STEP của mô-đun của bạn và nhập lại nó - đặc biệt là ở giai đoạn đầu của quá trình thiết kế. Khi mô-đun và yêu cầu bảng mạch chủ của bạn phát triển, sử dụng một lắp ráp đa bảng mạch cho phép bạn đảm bảo mọi thứ được giữ đồng bộ.
Sau khi hoàn thành thiết kế bảng mạch sử dụng thành phần thư viện, tôi sẽ chỉ cho bạn thấy việc chuyển đổi dự án đa bảng dựa trên thư viện hiện tại của bạn sang một bộ chân + lắp ráp đa bảng thực hiện dễ dàng như thế nào.
Để làm cho phần cứng này có thể hoạt động độc lập và có khả năng vận hành ngoài trời như một trạm thiết kế bảng mạch thời tiết, chúng ta cần một nguồn năng lượng. Tôi đang sử dụng vi điều khiển STM32L031K sẽ được cấu hình đểtiêu thụ năng lượng rất thấp, tuy nhiên, tôi muốn đảm bảo bảng mạch có thể tiếp tục hoạt động mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài trong một thời gian nếu cần. Tôi sử dụng hai pin 18650 giống như tôi đã làm trong dự án UPS 12V của mình, tuy nhiên lần này tôi sử dụng một IC sạc khác do thiếu hụt chip và yêu cầu khác nhau.
Tôi muốn trạm thiết kế bảng thời tiết của mình được năng lượng mặt trời, tuy nhiên, tôi ở phía bắc xa xôi của Scotland nơi vào mùa đông chúng tôi chỉ có ngày dài 5 giờ và có thể bị mắc kẹt trong băng mù hoặc đám mây dày đặc trong nhiều ngày liên tiếp - không phải là điều kiện lý tưởng cho các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời. Sử dụng hai pin 18650 sẽ cho phép tôi vận hành trạm thời tiết khoảng 6 tuần mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài nếu cần thiết. Tôi cũng có một tụ điện khổng lồ 6000uF ở đầu vào, để giúp đối phó với điều kiện ánh sáng biến đổi, giữ cho bộ sạc hoạt động một cách tối ưu.
Tôi đang sử dụng IC sạc pin lithium hai cell Microchip MCP73213 cho dự án. Nó có dải điện áp đầu vào rộng, hoạt động tốt cho cả năng lượng mặt trời hoặc điện AC nếu sử dụng trong nhà cũng như dòng điện có thể lập trình được. Cụ thể, tôi đang sử dụng mô hình sạc 8.2V, mặc dù pin của tôi có điện áp sạc tối đa là 8.4v. Vì tôi mong đợi những pin này được sạc đầy phần lớn thời gian trong năm, giữ chúng ở trạng thái ít hơn một chút so với trạng thái đầy đủ nên cải thiện tuổi thọ của chúng, và với dung lượng cao như vậy, sự giảm nhỏ về dung lượng không nên được nhận thấy. Tôi có dòng sạc có thể chọn thông qua một công tắc trượt, vì vậy nó có thể được thiết lập ở dòng điện thấp cho các ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời, hoặc được sạc nhanh bằng bộ chuyển đổi AC nếu cần.
Thay vì sử dụng một IC giám sát pin, tôi chọn phương án cắt điện áp đơn giản trong trường hợp pin cạn kiệt hoàn toàn. Tôi sử dụng một bộ điều chỉnh tuyến tính cho thiết kế này, Analog Devices ADP7105, có một chân Khóa Điện Áp Thấp để tắt bộ điều chỉnh nếu điện áp pin quá thấp. Thông thường, việc chạy một thiết bị 3.3v trên bộ điều chỉnh tuyến tính từ nguồn cung 8.4v sẽ được coi là rất không hiệu quả, và không tốt cho tuổi thọ pin. Sau nhiều lần tìm kiếm các bộ điều chỉnh chế độ chuyển mạch tải nhẹ hiệu quả cao có sẵn hàng, tôi thấy bộ điều chỉnh tuyến tính tổng thể hiệu quả hơn nhiều.
Thách thức với thiết bị này cho bộ điều chỉnh chế độ chuyển mạch là mô-đun WiFi, với dòng điện truyền là 290mA, tuy nhiên, nếu chúng ta truyền dữ liệu mỗi 10 giây thì 98.5% thời gian còn lại dòng điện có khả năng sẽ ở mức microamp kép thấp nơi mà bộ điều chỉnh chế độ chuyển mạch thực sự gặp khó khăn. Trong trường hợp này, việc chấp nhận hiệu suất thấp hơn khi truyền dòng điện hoàn toàn đáng giá cho hiệu suất và độ tin cậy tương đối ở dòng điện thấp.
Về mặt bố trí, tôi đã tạo các lớp đất riêng biệt cho từng khu vực nhiệt độ tiềm năng, giữ bộ điều chỉnh và bộ sạc ở phía trên của bảng mạch cùng với mô-đun WiFi. Tôi cũng đã tạo các khe trên bảng mạch xung quanh những linh kiện có khả năng phát nhiệt này nhằm cố gắng phá vỡ thêm khả năng dẫn nhiệt của cảm biến nhiệt độ. Giống như với tấm chắn, cảm biến nhiệt độ nằm ở phía dưới của bảng mạch trong khu vực cách ly nhiệt của riêng nó.
Cho đến nay, dự án này đã sử dụng một mục thư viện cho mô-đun RF, đó là cách công ty của bạn có thể đang xử lý các bộ phận phụ nội bộ. Tôi đã tải xuống các tệp Altium cho bảng mạch từ trang web của Microchip. Vì các tệp thiết kế sử dụng một dấu chân duy nhất cho các pad có răng cưa nên tất cả những gì tôi cần làm là thông báo cho Altium Designer rằng kết nối dành cho dự án đa bảng mạch bằng cách thêm một tham số gọi là “Hệ thống” vào biểu tượng sơ đồ và gán cho nó giá trị “Kết nối”. Chuẩn bị bảng mạch phụ cho kết nối đa bảng mạch đơn giản như vậy.
Đối với bảng chủ, tôi phải làm thêm một chút công việc, vì tôi đã có một dấu chân với mô hình STEP trong đó. Tôi đã sao chép các tệp biểu tượng và dấu chân từ thư viện của mình vào thư mục dự án để có một bản sao cục bộ để chỉnh sửa.
Trong dấu chân, tôi đã xóa thân 3D, sau đó thêm dấu chân vào biểu tượng sơ đồ. Sau khi thay đổi biểu tượng trong sơ đồ của tôi thành biểu tượng cục bộ mới, tôi đã thêm tham số System = Connector vào biểu tượng. Cuối cùng, tôi đã cập nhật tài liệu PCB từ sơ đồ, và sau đó trên PCB thực hiện một cập nhật Từ Thư viện PCB để làm mới dấu chân.
PCB giờ đây có một dấu chân không có thân và được đánh dấu là một kết nối đa bảng sẵn sàng cho việc lắp ráp.
Để thêm bảng mô-đun RF của chúng tôi vào bảng chủ, chúng ta cần tạo một dự án đa bảng mới. Việc tạo một dự án đa bảng mới gần như giống hệt với một dự án PCB thông thường, ngoại trừ việc chúng ta chọn Đa bảng thay vì PCB dưới màn hình tạo dự án.
Tiếp theo, chúng tôi thêm một sơ đồ nhiều bảng mạch và hai mô-đun. Mỗi mô-đun được gán một tiêu đề và một dự án/bảng mạch được chọn cho mô-đun.
Để thêm các kết nối đã thiết lập trước đó, chúng tôi vào Thiết kế -> Nhập Dự án Con sẽ thêm các kết nối vào các mô-đun.
Sau đó, chúng tôi có thể thêm một kết nối trực tiếp giữa hai mô-đun. Altium Designer không thể tự động ghép nối các kết nối cho hai mô-đun lần này, vì vậy chúng tôi có thể nhấp vào một trong các kết nối và trong cửa sổ thuộc tính gán thủ công chân ghép nối.
Với chân được ghép nối đúng cách, chúng tôi có thể thêm bảng mạch nhiều bảng vào dự án, lưu nó ngay khi nó được thêm vào. Sau đó, từ sơ đồ, vào Thiết kế -> Cập nhật Lắp ráp để nhập các mô-đun vào bảng mạch nhiều bảng. Tùy thuộc vào độ phức tạp của phần cứng của bạn, và thông số kỹ thuật của máy này có thể mất một thời gian. Tuy nhiên, đối với dự án tương đối đơn giản này, nó mất dưới một giây trên máy tính của tôi.
Thay vì sử dụng các công cụ ghép nối mà chúng tôi đã sử dụng trong bài viết trước, tôi muốn thay vào đó chứng minh rằng chúng ta có thể tự do định vị các thành phần đa bảng mạch ở bất cứ đâu chúng ta muốn nếu đó là yêu cầu của thiết kế. Bằng cách nhấp vào mô-đun radio, chúng ta có thể sử dụng View Gizmo để kéo nó vào vị trí trên bảng mạch chủ của chúng ta.
Trong bài viết này, chúng tôi đã xây dựng một bảng mạch cảm biến môi trường có thể hoạt động như một trạm thời tiết đơn giản cho việc sử dụng trong nhà hoặc ngoài trời, chứng minh sự hữu ích của một mô-đun RF đã được chứng nhận trước khi lắp ráp. Chúng tôi đã thảo luận về cách và lý do tại sao bạn nên tạo một mô-đun lắp ráp phụ cho các dự án của mình. Sử dụng một lắp ráp đa bảng mạch thay vì một mô hình 3D tĩnh trong thư viện cho các mô-đun gắn bề mặt tùy chỉnh đảm bảo các bảng mạch của bạn luôn đồng bộ trong suốt quá trình thiết kế và cho phép tích hợp cơ khí tốt hơn giữa các bảng mạch.
Tôi cũng có một trạm thời tiết Davis Instruments Vantage Pro2, vì vậy sẽ thú vị khi so sánh dữ liệu dài hạn từ dự án trạm thời tiết này với một sản phẩm được hiệu chuẩn bởi NIST.
Lắp ráp đa bảng mạch sẽ tiết kiệm thời gian và tăng năng suất cho bạn như thế nào? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium ngay bây giờ để tìm hiểu.
Trình phát video YouTube