PCB визитка с NFC: 18 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Пристигайки в края на следването си, наскоро трябваше да потърся шестмесечен стаж в областта на електрониката. За да направя впечатление и да увелича максимално шансовете си да бъда нает в компанията на моите мечти, имах идеята да направя своя собствена визитка. Исках да направя нещо уникално, полезно и в състояние да демонстрирам уменията си за проектиране на електронни схеми, на които ще го предам.

Преди три години, докато разглеждах Instructables, открих един много интересен проект, направен от Joep1986, озаглавен „Digital Business Card With NFC“. Този проект включваше вграждане на NFC етикет в хартиена визитка за споделяне на информация за контакт с телефон, оборудван с NFC технология. Намирах този проект за много вдъхновяващ и мислех да заменя общия NFC етикет с персонализирана схема на моето изобретение.

Така дойдох с идеята да създам своя собствена визитка на печатна платка, способна да изпрати в един миг профила си в LinkedIn на смартфон на наемател, използвайки NFC технология.

Тази инструкция обхваща всяка стъпка, която следвах, за да си представя, проектирам и създам своята визитка за печатни платки с NFC, от изчисленията на параметрите на антената до програмирането на чипове NFC чрез текстурирания дизайн на печатни платки.

Стъпка 1: Спецификация, необходими инструменти и умения

Ще имаш нужда:

Необходими инструменти:

• поялник
• инструмент за преработка на горещ въздух
• спойка паста
• спойка поток
• спойка тел
• пинцета за дълъг нос
• пинсета с кръстосано заключване
• изопропил алкохол
• Q-съвет
• клечка за зъби
• телефон с NFC

Незадължителни (но удобни) инструменти:

• Изсмуквател на дим
• Великолепно стъкло

Умения:

SMD умения за запояване

Сметка на материалите:

Съставна част	Пакет	Справка	Количество	Доставчик
NFC чип 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Жълт светодиод	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
Резистор 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF кондензатор	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
Печатни платки	-	-	1	Elecrow

Стъпка 2: NFC технологията

Какво е NFC?

NFC е акроним за комуникация в близкото поле. Това е радио технология на къси разстояния, която позволява комуникация между устройства, които се държат в непосредствена близост (<10 см). NFC системите са базирани на традиционни високочестотни (HF) RFID, работещи на 13, 56 MHz.

В момента стандартът NFC поддържа различни скорости на предаване на данни до 424 kbit/s. Принципният механизъм на NFC комуникация между две устройства е същият като традиционния 13, 56 MHz RFID, където има както главен, така и подчинен. Главният се нарича излъчвател или четец/писател, а подчиненият е етикет или карта.

Как работи ?

NFC винаги включва инициатор и цел: инициаторът (излъчвателят) активно генерира радиочестотно поле, което може да захранва пасивна цел (маркер), използвайки електромагнитна индукция между две контурни антени:

Антените на излъчвателя и етикета са свързани чрез електромагнитно поле и тази система може най-добре да се разглежда като трансформатор с въздушно ядро, където четецът действа като първична намотка, а етикетът като вторична намотка: променливият ток, преминаващ през първичната намотка (излъчвател) индуцира поле във въздуха, предизвиквайки ток във вторичната намотка (Tag). Етикетът може да използва тока от полето за захранване: в този случай не е необходима батерия за достъп до него, нито в режим на четене, нито в режим на запис. Чипът с NFC етикет черпи цялата необходима мощност за работа от магнитното поле, генерирано от четеца, чрез неговата бримка антена.

Къде се използва NFC?

NFC е нарастваща технология с необходимостта от безжично свързване на електронни устройства. NFC е широко интегриран в смартфоните, за да взаимодейства с NFC съвместими физически устройства и да предоставя нови услуги като безконтактно плащане.

Тъй като NFC етикетите не трябва да интегрират източник на захранване, тъй като могат да се захранват от енергията, излъчвана от четеца, те могат да приемат много прости форм -фактори, като например етикети без захранване, стикери, карти или дори пръстени.

Много ми хареса фактът, че NFC таговете не вграждат замърсяващи клетки от бутони за работа, а използват вместо това само енергията на предавателя.

Стъпка 3: NFC чипът

NFC IC

Чипът NFC е сърцето на визитката.

Изискването ми беше:

• малък SMD пакет
• достатъчно памет за връзка към моя профил в LinkedIn
• вграден модул за събиране на енергия

След като сравних няколко NFC модула, избрах IC NTAG NT3H1101 от NXP. Според листа с данни:

"NTAG I2C е първият продукт от семейството NTAG на NXP, предлагащ както безконтактни, така и контактни интерфейси (вижте Фигура 1). В допълнение към пасивния безконтактен интерфейс, съвместим с NFC Forum, IC разполага с I2C интерфейс за контакт, който може да комуникира с микроконтролер, ако NTAG I2C се захранва от външно захранване. Допълнителен външно захранван SRAM, картографиран в паметта, позволява бърз трансфер на данни между RF и I2C интерфейсите и обратно, без ограничения на цикъла на запис на EEPROM паметта. Характеристиките на продукта NTAG I2C конфигурируем щифт за откриване на поле, който осигурява задействане на външно устройство в зависимост от дейностите в RF интерфейса. Продуктът NTAG I2C може също да захранва външни устройства (с ниска мощност) (например микроконтролер) чрез вградената схема за събиране на енергия."

Стъпка 4: Изчисляване на антенната индуктивност

За да комуникира и да се захранва, NFC етикетът трябва да има антена. Процедурата за проектиране на антената започва с еквивалентния модел на NFC чипа и неговата антена:

където:

• Voc е напрежението на отворената верига, индуцирано от магнитното поле в антената
• Ra е еквивалентното съпротивление на контурната антена
• La е еквивалентната индуктивност на контурната антена
• Rs е серийно еквивалентно съпротивление на NFC чипа
• Cs е сериен еквивалентен капацитет за настройка на NFC чипа

Антената може да бъде описана чрез индуктор La с много малък резистор за загуба Ra. Когато магнитното поле се индуцира от излъчвателя в бримковата антена, в него се индуцира ток и на неговите клеми се появява напрежение на отворена верига Voc. Чипът NFC може да бъде описан чрез входен резистор Rs и вграден кондензатор за настройка Cs.

Серийните резистори Ra и Rs се сумират за последния еквивалентен модел на веригата, състоящ се от NFC интегрална схема и нейната контурна антена:

NFC IC резисторът заедно с антенния резистор Ra и вградения кондензатор Cs образува резонансна верига RLC с индуктор La на антената. Повече информация за резонансните вериги RLC е обяснена в онлайн уроци по електроника.

Резонансната честота на последователна RLC верига се определя от формулата:

където:

• f е резонансната честота (Hz)
• L е еквивалентната индуктивност на веригата (H)
• C е еквивалентният капацитет на веригата (F)

Единственият неизвестен параметър на уравнението е стойността на индуктивността L. Този е толкова изолиран, за да се изчисли:

Знаейки, че работната честота на NFC е 13, 56 MHz и че кондензаторът за настройка на NT3H1101 е 50 pF, индуктивността L се изчислява:

За да резонира на честота NFC, антената за визитни карти на печатни платки трябва да има обща индуктивност 2, 75 μH.

Стъпка 5: Определяне на формата на антената: Геометрични изчисления (първи метод)

Проектирането на контурна антена на печатна платка със специфична индуктивност е възможно и трябва да спазва геометричните ограничения. Антената може да има различни форми: правоъгълна, квадратна, кръгла, шестоъгълна или дори осмоъгълна. За всяка форма съответства специфична формула, която дава еквивалентна индуктивност в зависимост от размера, броя на завоите, ширината на коловозите, дебелината на медта и много други параметри …

За дизайна на моята визитка избрах да използвам правоъгълна антена, чиято геометрия е следната:

където:

• a0 & b0 са общите размери на антената (m)
• aavg & bavg са средните размери на антената (m)
• t е дебелината на коловоза (m)
• w е ширината на коловоза (m)
• g е пролуката между коловозите (m)
• Nant е броят на завоите
• d е еквивалентният диаметър на коловоза (m)

За тази специфична геометрия еквивалентната индуктивност Lant се определя от формулата:

където:

За да улесня изчисленията, създадох инструмент за изчисление, базиран на excel, който автоматично изчислява еквивалентната индуктивност на антената според различните геометрични параметри. Този файл ми спести много време и усилия да намеря правилната геометрия на антената.

Имах еквивалентна индуктивност Lant = 2, 76 μH (достатъчно близо) със следните параметри:

• a0 = 50 mm
• b0 = 37 мм
• t = 34, 79 µm (1oz)
• w = 0, 3 mm
• g = 0, 3 mm
• Nant = 5

Ако сте алергични към математика и изчисления, съществуват други методи и са подробно описани в следващите стъпки. Все още е важно да преминете през изчисленията, за да научите повече за основите на дизайна на антената;)

Стъпка 6: Определяне на формата на антената: Онлайн калкулатори (2 -ри метод)

Алтернатива на дългите изчисления, издържани в предишната стъпка, е съществуването на онлайн калкулатори за геометрия на антената. Тези калкулатори са направени от физически лица или професионалисти и са предназначени да опростят проектирането на антени. Тъй като е трудно да се провери какви изчисления се извършват от тези онлайн калкулатори, силно се препоръчва да се използват калкулатори, които показват използвани препратки и формули, или тези, разработени от специализирани компании.

STMicroelectronics предлага такъв калкулатор в своето онлайн приложение eDesignSuite, за да помогне на клиентите да интегрират ST продукти в своята схема. Калкулаторът е валиден за всяко приложение с NFC технология и следователно може да се използва за NFC чип от NXP.

С предварително изчислените геометрични стойности, получената индуктивност, изчислена от приложението eDesignSuite, е 2, 88 μH вместо очакваната стойност от 2, 76 μH. Тази разлика е изненадваща и поставя под въпрос резултата, получен по -рано. Формулата, използвана от приложението, е неизвестна и е невъзможно да се направи сравнение с изчисленията, направени по -рано.

И така, кой от двата метода дава правилен резултат?

Нито един ! Онлайн калкулаторите и формулите са теоретични инструменти за сближаване на резултат, но трябва да бъдат завършени чрез симулации със специализиран софтуер и реални тестове, за да се получи очакваният резултат.

За щастие, вече симулираните и тествани NFC решения са предоставени на разположение на дизайнерите на електроника и са предмет на следващата стъпка …

Стъпка 7: Определяне на формата на антената: Антени с отворен код (трети метод)

За да улеснят внедряването на своите NFC интегрални схеми, някои производители предоставят цялостни решения за дизайнери на електроника, като ръководства за проектиране, бележки за приложения и дори EDA файлове.

Такъв е случаят с NXP, който предлага за своята гама от NFC интегрални схеми NTAG пълно ръководство, включващо справки за дизайна на NFC антени, базиран на excel инструмент за правоъгълни и кръгли антени, файлове gerber и Eagle за различни класове антени.

Класът определя формата и размера на антената. Колкото по -голям е класът, толкова по -малка е антената. За NFC NXP препоръчва да се използват антени “Клас 3”, “Клас 4”, “Клас 5” или “Клас 6”.

Реших да се съсредоточа върху правоъгълни антени клас 4, чийто размер изглеждаше адаптиран за моята визитка, който ще бъде разположен в определена зона:

• Външен правоъгълник: 50 x 27 мм
• Вътрешен правоъгълник: 35 x 13 мм, центриран във външния правоъгълник, с радиус на ъгъла 3 мм

За този клас NXP предоставя файловете Eagle на антена, направени от техните инженери и вече интегрирани в някои от техните продукти. Основното предимство на този дизайн е, че той вече е симулиран, коригиран и напълно оптимизиран. Методите за изпитване, корекциите и оптимизациите са представени в наличен документ.

Реших да използвам този дизайн с отворен код като модел и да създам своя собствена версия, за да го внедря в библиотека, посветена на проекта.

Стъпка 8: Създаване на библиотеката Eagle

За да нарисувате електронната схема на визитката на Eagle, е необходимо да имате символите и пръстовите отпечатъци на използваните компоненти. Липсваха само антената и NFC етикетът, така че трябваше да ги създам и да ги включа в библиотека за проекта.

Започнах с проектирането на антената, като копирах правоъгълната антена от клас 4 с отворен код, предоставена от NXP. Промених само позицията на конекторите и ги поставих върху дължината на антената. След това свързах пакета със символа на бобина и добавих етикетите с името и стойността:

След това проектирах NFC чипа, използвайки данните, предоставени в неговия лист с данни. Назовах, оразмерих и събрах 8 -те пина на компонентите, за да оформя отпечатъка 1, 6 * 1, 6 mm на пакета XQFN8. И накрая, свързах пакета със символа на NTAG и добавих етикетите за име и стойност:

За повече информация относно библиотеките на Eagle и създаването на компоненти, Autodesk предоставя уроци на своя уебсайт.

Стъпка 9: Схеми

Създаването на електронната схема се извършва на EAGLE PCB.

След импортирането на създадената по -рано библиотека „PCB_BusinessCard.lbr“, различните електронни компоненти се добавят към схемата.

Интегралната схема NFC NT3H1101, единственият активен компонент на веригата, е свързана към пасивните компоненти, като се използват описанията на нейните щифтове, дадени в нейния лист с данни:

• Контурната антена от 2, 75 μH е свързана към щифтове LA и LB.
• Изходът за събиране на енергия VOUT се използва за захранване на NFC чипа и следователно е свързан към неговия VCC щифт.
• Кондензатор 220 nF е свързан между VOUT и VSS, за да се гарантира работа по време на RF комуникация.
• И накрая, светодиодът и неговият сериен резистор се захранват от VOUT.

Стойността на светодиодното съпротивление се изчислява със закона на ома според параметрите на светодиода и захранващото напрежение:

където:

• R е съпротивлението (Ω)
• Vcc е захранващо напрежение (V)
• Vled е напрежението на светодиода напред (V)
• Iled е светодиодният ток напред (A)

Стъпка 10: Дизайн на печатни платки: Долна страна

За дизайна на моята визитка исках да постигна нещо трезво, но това може да покаже колко съм изобретателен в живота и винаги с нова идея в ума. Избрах дизайна на крушката с нажежаема жичка, символ на нова идея, чиято светлина може да осветява сивите зони на проблем. Хареса ми и фактът, че набиращият персонал може лесно да свърже моя профил в LinkedIn, който се появява на телефона му, с нова добра идея за неговата компания.

Започнах с проектирането на излъчваща крушка върху софтуера за векторно рисуване Inkscape. Чертежът се експортира в два файла BitMap, първият съдържа само крушката, а вторият само светлинните лъчи.

Обратно към Eagle, използвах import-bmp ULP, за да импортирам изображенията на BitMap, генерирани от Inkscape, в чертеж на Eagle. Този ULP генерира SCRIPT файл, който рисува малки правоъгълници от последователни пиксели с идентичен цвят, които комбинират, пресъздават изображението.

• Дизайнът на крушката е импортиран на 22 -рия слой „bPlace“и ще се появи на копринената печатна платка в бяло, над черната маска за спойка.
• Чертежът на светлинните лъчи се внася на 16 -ия слой "Bottom" и ще се счита за медна следа, покрита с черна спойка маска.

Използването на меден слой за изображение позволява да се играе с дебелината на печатната платка и по този начин да се създадат текстурни и цветни ефекти, които обикновено са невъзможни за печатни платки. Художествени дъски могат да се правят с такива трикове и аз бях силно вдъхновен от някои проекти за печатни платки.

Накрая нарисувах контурите на веригата и добавих мотото си „Винаги нова идея“. на 22 -рия слой "bPlace".

Стъпка 11: Дизайн на печатни платки: Горно лице

Тъй като горната част на дъската е лишена от компоненти, бях свободен да намеря елегантен начин да маркирам класическата си информация за контакт: фамилия, име, заглавие, имейл и телефонен номер.

За пореден път играх с различните слоеве на печатната платка: започнах с определяне на частична равнина на земята. След това импортирах текст, съдържащ моята информация за контакт, на 29 -ия слой "tStop", който контролира маската за спойка за горната страна. Суперпозицията на заземяващата равнина и текста на слоя "tStop" кара буквите да се появяват на равнината на земята без маската за запояване върху нея, придавайки на текста приятен лъскав метален аспект.

Но защо да не поставите наземната равнина върху цялата визитка?

Разположението на индуктивна антена на печатна платка изисква специално внимание, тъй като радиовълните не могат да преминават през метали и не трябва да има медни равнини над или под антената.

Следващият пример показва добра реализация, където преносът на енергия и комуникацията между четеца и NFC етикета са подходящи, тъй като никакви медни равнини не припокриват антената.

Следващият пример показва лошо изпълнение, при което електромагнитният поток не може да тече през антената. Заземяващата равнина от едната страна на печатната платка блокира преноса на енергия между четеца и антената с NFC етикет:

Стъпка 12: Маршрутизиране на печатни платки

Започнах, като поставих всички различни компоненти на долната страна на печатната платка.

Светодиодът е поставен върху нажежаема жичка на крушката, а останалите компоненти са подредени по възможно най -дискретен начин в основата на крушката.

Проводите, свързващи различните пасивни компоненти един към друг или към NFC етикета, за предпочитане са поставени под линиите, изчертаващи крушката по естетически причини.

И накрая, антената се поставя в долната част на веригата, около мотото и е свързана към интегралната схема на NFC чрез два тънки проводника.

Дизайнът на печатни платки вече е готов!

Стъпка 13: Генериране на Gerber файлове

Gerber файловете са стандартният файл, използван от индустриалния софтуер за печатни платки за описание на изображенията на печатни платки: медни слоеве, маска за спойка, легенда и др.

Независимо дали решите да произвеждате вашата печатна платка у дома или поверите производствения процес на професионалист, от съществено значение е да генерирате файловете Gerber от печатната платка, направена преди това на Eagle.

Експортирането на Gerber файлове от Eagle е много просто с помощта на вградения CAM процесор: Използвах CAM файла за двуслойна печатна платка Seeed Fusion, която съдържа всички настройки, използвани от този производител и много други. Повече информация за генерирането на Gerber с този файл можете да намерите на уебсайта на Seeed.

Процесорът CAM генерира.zip файл "NFC_BusinessCard.zip", съдържащ 10 файла, съответстващи на следните слоеве на печатната платка на NFC Business Card:

Удължаване	Слой
NFC_BusinessCard. GBL	Долна мед
NFC_BusinessCard. GBO	Долен копринен екран
NFC_BusinessCard. GBP	Поста за долна спойка
NFC_BusinessCard. GBS	Долна запояваща маска
NFC_BusinessCard. GML	Мелничен слой
NFC_BusinessCard. GTL	Топ мед
NFC_BusinessCard. GTO	Горна коприна
NFC_BusinessCard. GTP	Топ паста за запояване
NFC_BusinessCard. GTS	Топ Soldermask
NFC_BusinessCard. TXT	Пробивна пила

За да съм сигурен, че печатната платка ще изглежда точно както исках, качих Gerber файловете в онлайн Gerber Viewer на EasyEDA. Промених темата на черна, а повърхността - на сребърна, за да визуализирам окончателния дизайн след изработката.

Бях наистина доволен от резултата и реших да продължа с производствената стъпка …

Стъпка 14: Поръчване на печатни платки

Тъй като исках качествен завършек на моите визитки, поверих производствения процес на професионалист.

Сега много производители на печатни платки предлагат много конкурентни цени: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay и много други … Съвет: За да сравните цените и услугите, предлагани от различни производители на печатни платки, съветвам да използвате уебсайта на PCB Shopper, който намирам за много удобен.

За производството на моите визитки взех предвид една важна подробност: много производители на печатни платки си позволяват да маркират номера на поръчката на печатната платка. Този брой, макар и малък, е досаден, особено когато печатната платка трябва да бъде естетична. Например, имах тази лоша изненада за моите коледни елхи от 1 щатска платка, поръчани на SeeedStudio.

От опит знаех, че Elecrow няма този лош навик и затова реших да поверя производството на картите си на този производител и поръчах 10 визитки за $ 4,9 със следните настройки:

• Слоеве: 2 слоя
• Размери: 54*86 мм
• Различен дизайн на печатни платки: 1
• Дебелина на печатни платки: 0, 6 mm (най -тънкият наличен)
• Цвят на печатната платка: Черен
• Повърхностно покритие: HASL
• Кастелирана дупка: Не
• Тегло на медта: 1 унция (както е избрано във формулата за индуктивност на антената)

Две седмици по -късно получих моите печатни платки перфектно направени и без никакъв досаден номер на поръчка, отбелязан върху копринената печат. Дотук добре, време е за запояване на тези дъски!

Стъпка 15: Запояване на NFC чипа

Съдийска награда в конкурса за печатни платки