Bộ Theo Dõi Tài Sản LTE + GNSS Phần 2

Đây là Phần Hai của dự án LTE GNSS Asset Tracker của tôi. Trong phần một, tôi đã xác định các linh kiện phù hợp cho dự án và thiết kế sơ đồ mạch. Trong phần này, chúng ta sẽ hoàn thành dự án với việc thiết kế bố trí và định tuyến PCB.

Trong bài viết trước, tôi đã đề ra mục tiêu làm cho bo mạch này càng nhỏ càng tốt với ý định tạo ra một bo mạch có mật độ cao, dự kiến tôi sẽ cần 6 lớp để định tuyến. Tuy nhiên, kích thước tổng thể của bo mạch được xác định bởi các linh kiện lớn nhất, bất kể nguyện vọng của nhà thiết kế. Chỉ riêng giá đỡ pin lithium-ion 18650 và ăng-ten LTE đã xác định dấu chân của bo mạch này, với ăng-ten LTE có các yêu cầu về khoảng cách và bố trí cụ thể kết hợp với pin 18650 để xác định chiều dài, và riêng ăng-ten LTE xác định chiều rộng.

Dự án vẫn tương đối gọn gàng, và kích thước lớn hơn dự kiến cho phép ít sự đánh đổi kỹ thuật hơn về vị trí đặt linh kiện.

Trước khi chúng ta đi sâu vào việc thiết kế bố cục và định tuyến, tôi muốn nhắc lại những gì đã được đề cập trong phần trước của bài viết này—dự án này là mã nguồn mở và được cung cấp dưới giấy phép MIT linh hoạt. Bạn có thể tìm thấy các tệp dự án trên GitHub. Các thành phần cho dự án này đến từ thư viện thành phần mã nguồn mở Altium Designer® của tôi, thư viện Celestial Altium Library. Bạn có thể sử dụng dự án này làm điểm khởi đầu cho dự án/sản phẩm của riêng bạn, hoặc sử dụng bất kỳ phần nào của nó theo ý muốn của bạn.

Chồng Lớp

Xét đến việc đây là một bảng mạch RF, điều đầu tiên tôi sẽ thiết lập trên bảng mạch là chồng lớp. Nó cần ít nhất 4 lớp để cho phép một đường dẫn nhỏ đủ cho các đường truyền RF. Tôi sẽ sử dụng cơ bản cùng một chồng lớp như tôi đã sử dụng trong dự án CC1125 Sub-1GHz Transceiver của mình. Bạn có thể tìm hướng dẫn thiết lập cho chồng lớp và trở kháng trong bài viết đó.

Một điều tôi làm khác biệt trong dự án này so với dự án Sub 1Ghz là không sử dụng cấu trúc xếp chồng đối xứng. Dưới lớp trên cùng, tôi có một lớp mặt phẳng, nhưng phía trên lớp dưới cùng, tôi có một lớp tín hiệu. Theo mặc định, Altium sử dụng một cấu trúc xếp chồng đối xứng, sẽ thay đổi các cặp lớp khớp nhau để cả hai đều trở thành lớp mặt phẳng hoặc tín hiệu khi bạn thay đổi một trong các lớp.

Để vô hiệu hóa chức năng này, bạn có thể xem trong bảng thuộc tính dưới phần Board, và bỏ chọn Stack Symmetry.

Với cấu trúc bảng mạch đã được thiết lập, các quy tắc và lớp trở kháng đã được thiết lập, tôi sẵn sàng bắt đầu bố trí.

Bố Trí Bảng Mạch

Tiếp tục từ phần trước của dự án này, tôi đã chuyển các thành phần sang PCB. Đối với dự án này, tôi không sử dụng phòng—phòng rất hữu ích cho nhiều dự án, đặc biệt là bất kỳ dự án nào đa kênh, ví dụ, dự án Current Monitor and Controller Project của tôi sử dụng phòng một cách hiệu quả cho việc định tuyến nhanh. Tuy nhiên, trong dự án này, tôi có lẽ chỉ ẩn các phòng và làm cho mỗi phòng bao phủ toàn bộ bảng mạch, vì tôi không có quy tắc liên quan đến phòng và tôi không sử dụng bất kỳ tính năng liên quan đến phòng nào trong Altium.

Để vô hiệu hóa việc tạo phòng trên PCB khi cập nhật bảng mạch, bạn có thể tắt chúng bằng cách vào Project -> Project Options và chọn Ignore Differences từ tab ECO Generation.

Điều này dẫn đến việc tất cả 141 linh kiện trong thiết kế được chuyển sang bảng mạch, tôi luôn thích cách chúng trông khi được chuyển lần đầu.

Như tôi đã đề cập trong các bài viết trước, tôi thực sự thích bắt đầu bố trí bằng cách nhóm các linh kiện lại với nhau thành các khối mà tôi sẽ bố trí riêng lẻ. Thông thường, những nhóm này còn chi tiết hơn là chỉ theo bảng mạch. Tôi thấy làm như vậy giúp tôi hiểu rõ hơn về khoảng cách và bố trí. 

Ví dụ, sơ đồ mạch của vi điều khiển sẽ nhóm các linh kiện lọc nhiễu và nguồn cùng nhau, và vi điều khiển cùng với bất kỳ linh kiện bị động nào liên quan đến nó ngay cạnh nhóm đó, và cuối cùng là cổng Debug Đơn Dây và nút reset. Bảng mạch của vi điều khiển trong dự án này cũng bao gồm một chip flash SPI, mà tôi không nhất thiết phải đặt ngay cạnh vi điều khiển trong bố trí, vì vậy tôi cũng nhóm nó riêng biệt. Nếu tôi đã nhóm IC flash với vi điều khiển, nó có thể hạn chế các lựa chọn bố trí của tôi khi tôi bắt đầu lắp ráp câu đố các linh kiện.

Điều này sau đó tạo ra những khối nhỏ để tôi có thể sắp xếp riêng lẻ. Mặc dù bo mạch này chỉ có 140 linh kiện, nhưng nếu bạn áp dụng chiến lược này cho những bo mạch có hàng trăm linh kiện, nó có thể làm cho dự án về bố trí và định tuyến trở nên ít đáng sợ và phức tạp hơn nhiều.

Khả năng tập trung vào nhiều phần nhỏ một cách độc lập và sau đó kết hợp các phần đó từng chút một làm cho việc bố trí trở nên dễ tiếp cận hơn nhiều.

Bố Trí Sơ Bộ

Sau khi tất cả các khối linh kiện được sắp xếp riêng lẻ, phần lớn nó giống như một trò chơi ghép hình xem làm thế nào để phù hợp chúng lại với nhau trên bo mạch. Trong khi lắp ráp các khối linh kiện, luôn là một ý tưởng tốt khi có một số suy nghĩ trước về cách để truyền tín hiệu giữa các phần. Rất dễ để bị cuốn theo việc đóng gói chặt chẽ mà không để lại không gian cho các dẫn điện hoặc vias có kích thước đủ.

Bố cục đầu vào với các diode TVS và cầu chì đã mất nhiều thời gian thử nghiệm, không giống như các mô-đun và IC, đây là phần linh hoạt nhất về vị trí. Điều quan trọng là các diode TVS phải nằm giữa kết nối tải và nguồn, để chúng có thể giảm thiểu bất kỳ dòng điện đột biến nào trước khi các mạch nhạy cảm bị hỏng. Đường dẫn mát/hoàn trả cần phải rộng và có trở kháng thấp để cho phép một dòng điện đột biến lớn được quản lý hiệu quả mà không làm hỏng bản thân bảng mạch.

Mặt dưới của bảng mạch khá trống trải, chủ yếu là do vị trí của giá đỡ pin khá hạn chế do các cột đỡ được thiết kế để đảm bảo độ ổn định cơ học. Các cột này ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc đặt các linh kiện khác trên bảng mạch, chỉ cho phép một phần nhỏ của bảng mạch có thể sử dụng được ở một bên của giá đỡ. Ban đầu, tôi dự định đặt một trong những mô-đun điều chỉnh dưới mô-đun GNSS, nhưng thực sự không thích vị trí đó, vì tôi lo lắng về việc nhiễu chuyển mạch lan truyền lên mô-đun GNSS. May mắn thay, tôi muốn đặt ổ cắm thẻ SIM ở mặt dưới của bảng mạch nữa, và dưới mô-đun GNSS hoạt động rất tốt. Tôi muốn ổ cắm thẻ SIM ở cùng một bên với pin và khối đầu vào nguồn điện để nếu như nó được đặt trong một vỏ bảo vệ, điều này sẽ cho phép các linh kiện có thể bảo dưỡng được ở cùng một bên, và dễ dàng tiếp cận bởi một kỹ thuật viên.

Tôi cũng đặt ăng-ten LTE ở phía đối diện của bảng mạch so với ăng-ten GNSS để cố gắng sử dụng bảng mạch làm lá chắn cho một số nhiễu phát ra trực tiếp. Nó không tạo ra nhiều sự khác biệt, nhưng tôi sẽ nhận lấy những gì mình có thể.

Định Tuyến Quan Trọng

Sau khi tôi có một bố cục sơ bộ, tôi thích đi dây cho những phần quan trọng đối với hiệu suất của bảng mạch—đối với bảng mạch này, đó là các mạng RF, các mạng có dòng điện cao hơn, như nguồn điện vào và nguồn điện LTE, và nguồn điện chuyển đổi đơn không phải là một mô-đun.

Điều này đảm bảo rằng những mạng đó được đặt vào vị trí và cần phải như vậy, vì vậy các mạng IO không có yêu cầu đặc biệt nào có thể tìm cách đi xung quanh những khu vực đó.

Regulator Texas Instruments TPS61089 là một thiết bị điều chỉnh thú vị, bố cục của nó hơi khác so với nhiều bộ chuyển đổi tăng áp ở chỗ điện áp đầu ra đi qua chính con chip. Như mọi khi, chúng tôi cố gắng tuân theo các khuyến nghị bố cục của nhà sản xuất càng chặt chẽ càng tốt, trừ khi bạn có lý do chính đáng để không làm như vậy. Bố cục của nhà sản xuất thường sẽ mang lại cho bạn cơ hội cao nhất để thực hiện thành công, ổn định, ít nhiễu của một bộ điều chỉnh chế độ chuyển đổi.

Anten LTE cũng có một khuyến nghị về bố trí, tuy nhiên tôi đã phải lệch khỏi khuyến nghị này do vị trí đặt module và anten. Tôi để module LTE ở phía trên của bảng mạch, với anten ở phía dưới của bảng mạch, vì nó tạo khoảng cách ngắn nhất giữa các pad của anten và các pad cổng anten LTE. Tôi vẫn tuân theo bố trí, tuy nhiên nó được đặt ở góc 45 độ sau cuộn cảm, và có một via để thay đổi mặt của bảng mạch tại tụ điện.

Dưới đây là hướng dẫn nhanh để thiết lập khớp trở kháng cho bảng mạch của bạn trong Altium. Tôi đã cung cấp hướng dẫn từng bước trong một dự án trước, nhưng tôi biết rằng một số người thích video.

Như với tất cả mọi thứ liên quan đến RF, bạn nên đánh giá hiệu suất và định tuyến của nguyên mẫu đầu tiên với một máy phân tích mạng để xem cần phải điều chỉnh gì. Các nhà sản xuất, hoặc định tuyến của một thiết kế tham khảo, chỉ nên được coi là điểm khởi đầu ban đầu cho nguyên mẫu đầu tiên của bạn để giúp bạn tiến gần hơn đến một thiết kế tối ưu. Các công cụ mô phỏng như Microwave Studio, HFSS và các công cụ khác cũng là một cách tuyệt vời để có được một điểm khởi đầu tốt—nhưng đồng thực tế trên nền chất liệu luôn có một số biến thể so với mô phỏng. Mô phỏng không hoàn hảo, và việc sản xuất cũng vậy.

Đây là lần đầu tiên tôi định tuyến mặt trên và mặt dưới của bảng mạch.

Thật không may, nó nhanh chóng trở nên rõ ràng rằng không có cách nào tôi có thể tạo tất cả các kết nối qua phần nhập của sơ đồ. 

Các đa giác ở đây quá dày đặc để cho phép bất kỳ via nào cho các mạng khác đi qua, và không có chỗ để thêm vào.

Câu hỏi là, tôi có thực sự cần nhiều diện tích đồng như vậy không? Tôi đã nhắc đến một máy tính toán chiều rộng đường dẫn PCB trong bài viết nhanh và bẩn về mật độ dòng điện của mình, vì vậy tôi sẽ lấy lời khuyên của chính mình và truy cập vào đó để tính toán những gì tôi thực sự cần.

Đối với các lớp trên cùng và dưới cùng của tôi, tôi cần độ rộng dấu vết nhỏ hơn 1mm, đó là tin tuyệt vời. Tôi có thể làm sạch những đa giác đó rất nhiều. Đáng chú ý là nhiều nhà sản xuất PCB giá rẻ sẽ sử dụng lớp trong cùng 17uM, và do đó, các lớp trong cùng cần phải rộng gấp đôi để dẫn dòng điện như một lớp đồng bên ngoài

Thật tuyệt khi mơ về những khu vực đồng lớn, nhưng trong trường hợp này không thể thực hiện được. Một dẫn điện nhỏ hơn vẫn sẽ đủ.

Để so sánh, đây là cùng một khu vực của bảng mạch sau khi hoàn thành việc định tuyến.

Phần lớn các thay đổi nằm ở lớp dưới cùng, điều này cho phép tôi cung cấp một số nguồn điện cho IC sạc pin và thực hiện tất cả các kết nối cho các mô-đun điều chỉnh khác nhau cần thiết.

Hoàn thành Bảng Mạch

Bố cục hoàn thành cho bảng mạch này cuối cùng khá giống với những gì tôi bắt đầu với. Tôi khá ngạc nhiên, vì tôi đã nghĩ mình sẽ di chuyển một số thứ xung quanh một chút khi tiến hành, nhưng với không gian hạn chế và yêu cầu giữ các bộ phận nhất định tránh xa nhau, thực sự không có nhiều lựa chọn thay thế mà không cần thay đổi hoàn toàn vị trí của mọi linh kiện.

Mô-đun LTE sẽ nhận được tín hiệu có cường độ cao hơn nhiều so với mô-đun GNSS, do đó, việc đảm bảo mô-đun GNSS và ăng-ten của nó ở trên một phần sạch của bảng mạch là rất quan trọng. Tôi thích hơn là đặt phần lớn các bộ điều chỉnh chế độ chuyển mạch và nhiễu điện từ liên quan của chúng gần mô-đun LTE và ăng-ten của nó hơn là gần GNSS. Phần cuối của bảng mạch với mô-đun GNSS chỉ thực sự có bộ giám sát dung lượng pin và bộ thu phát CAN, không cái nào trong số đó nên ảnh hưởng đến việc nhận tín hiệu định vị.

Tôi đã dành khá nhiều thời gian để sắp xếp lại các đường dẫn một khi các lớp đất cuối cùng đã được đổ trên bảng mạch, nhằm đảm bảo một lớp đất liên tục, không bị gián đoạn trên mỗi lớp. Mặc dù có một lớp đất toàn bộ, tôi luôn thích đi qua và làm nổi bật mạng lưới đất và xem xét từng lớp để xem tôi có thể làm sạch thiết kế ở đâu đó một cách tiềm năng. Thường thì, một sự điều chỉnh nhỏ của một đường dẫn theo hướng này hay hướng khác có thể mở ra khoảng trống để cho phép đổ đất chạy qua, tạo ra một lớp đổ hoàn chỉnh hơn.

Đây là nơi công cụ Gloss Selected mới thực sự hữu ích, kết hợp với tính năng định tuyến tương tác hug và push. Một số đường mạch mà tôi đã đặt từ sớm—chỉ để tạo một kết nối và xem điều gì sẽ xảy ra—sau đó đã được di chuyển đáng kể trong quá trình định tuyến, khi đường mạch và/hoặc các via liên kết với nó được dịch chuyển để tạo không gian cho các kết nối khác. Nhiều đường mạch này khi sử dụng công cụ gloss đã chiếm ít không gian hơn và kết hợp chặt chẽ hơn, cho phép đổ mặt đất hoàn chỉnh hơn.

Kết luận

Tôi đã hy vọng đạt được ít nhất 80% mật độ trên bảng mạch trong dự án này, chỉ như một mục tiêu cá nhân, tuy nhiên mà không thay đổi hình dạng bảng mạch chỉ để giảm diện tích bề mặt, điều đó không thể xảy ra. Bảng mạch vẫn sẽ chiếm cùng một không gian vật lý. Cuối cùng, tôi đã đạt được mật độ 60%, theo ý kiến của tôi, đó là một bảng mạch khá thưa. Nhưng, nhờ vậy, tôi đã có thể sử dụng chỉ 4 lớp và cũng đạt được bố cục tối ưu hơn với số lượng mô-đun điều chỉnh chuyển mạch mà bảng mạch này có.

Mặc dù có kích thước lớn hơn, thiết bị theo dõi vẫn đáng kể nhỏ gọn hơn so với các thiết bị theo dõi và chẩn đoán từ xa có sẵn trên thị trường mà tôi đã sử dụng trước đây. Trong một thiết bị, như một tháp đèn hoặc máy phát điện, việc này vẫn dễ dàng che giấu, và nếu được đặt vào một vỏ bọc, có thể được lắp đặt chắc chắn, điều này sẽ giảm đáng kể khả năng bị tháo rời hoặc hư hại, đặc biệt trong trường hợp bị trộm.

Với việc gửi dữ liệu gia tốc kế và CAN đến nền tảng đám mây phù hợp sử dụng công cụ (như IBM Watson), sẽ có thể xác định nhu cầu bảo trì từ sớm, trước khi một bộ phận quan trọng có thể bị hỏng không thể sửa chữa. Thay vì phản ứng với sự cố hỏng hóc hoàn toàn hoặc hư hỏng, hệ thống học máy có thể cảnh báo kỹ thuật viên về nhu cầu cần hành động. Nếu được triển khai đúng cách, tính năng này có thể tiết kiệm cho công ty nhiều tiền hơn nhiều so với việc tiết kiệm chi phí bảo hiểm cho thiết bị.

Kết hợp dự đoán bảo trì phòng ngừa từ học máy với khả năng phục hồi nhanh chóng của thiết bị/nhà máy trong trường hợp bị trộm có thể giảm đáng kể thời gian chết, và cải thiện tỷ lệ sẵn có của thiết bị.

Tôi có thể dành thêm một tuần nữa hoặc lâu hơn để tinh chỉnh việc đấu nối, thực hiện những cải tiến nhỏ ở đây và đó, nhưng đến một lúc nào đó, một thiết kế cần được coi là đã hoàn thành, ít nhất là cho bản sửa đổi đầu tiên. Nếu bạn sử dụng thiết kế này và thực hiện một số thay đổi sau khi kiểm tra, đừng ngần ngại gửi một yêu cầu kéo trên GitHub, để người khác cũng có thể tận hưởng sự triển khai của bạn.

Dự án này là mã nguồn mở, như đã đề cập ở đầu bài viết, bạn có thể tải xuống các tệp thiết kế trên GitHub dưới giấy phép MIT.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.