Biglietto da visita PCB con NFC: 18 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Arrivato alla fine dei miei studi, di recente ho dovuto cercare uno stage di sei mesi nel campo dell'ingegneria elettronica. Per fare colpo e massimizzare le mie possibilità di essere assunto nell'azienda dei miei sogni, ho avuto l'idea di creare il mio biglietto da visita. Volevo realizzare qualcosa di unico, utile e in grado di dimostrare le mie capacità di progettazione di circuiti elettronici a chi lo consegnerò.

Tre anni fa, navigando su Instructables, ho trovato un progetto molto interessante realizzato da Joep1986, intitolato "Biglietto da visita digitale con NFC". Questo progetto prevedeva l'inserimento di un tag NFC in un biglietto da visita cartaceo per condividere le informazioni di contatto con un telefono dotato di tecnologia NFC. Ho trovato questo progetto molto stimolante e ho pensato di sostituire il tag NFC generico con un circuito personalizzato di mia invenzione.

È così che mi è venuta l'idea di creare il mio biglietto da visita su un circuito stampato, in grado di inviare in un istante il mio profilo LinkedIn sullo smartphone di un recruiter utilizzando la tecnologia NFC.

Questo Instructable copre ogni passaggio che ho seguito per immaginare, progettare e creare il mio biglietto da visita PCB con NFC, dai calcoli dei parametri dell'antenna alla programmazione del chip NFC attraverso il design del PCB testurizzato.

Passaggio 1: Distinta materiali, strumenti e competenze necessarie

Avrai bisogno:

Strumenti necessari:

• saldatore
• strumento di rilavorazione ad aria calda
• pasta per saldature
• flusso di saldatura
• filo di saldatura
• pinzette a naso lungo
• pinzette incrociate
• alcool isopropilico
• un Q-tip
• uno stuzzicadenti
• un telefono con NFC

Strumenti opzionali (ma utili):

• Aspiratore fumi
• Bicchiere magnifico

Abilità:

Competenze di saldatura SMD

Distinta base:

Componente	Pacchetto	Riferimento	Quantità	Fornitore
Chip NFC 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
LED giallo	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
Resistenza da 47	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
Condensatore da 220 nF	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Passaggio 2: la tecnologia NFC

Cos'è l'NFC?

NFC è l'acronimo di Near Field Communication. È una tecnologia radio a corto raggio che consente la comunicazione tra dispositivi che si trovano nelle immediate vicinanze (< 10 cm). I sistemi NFC si basano sul tradizionale RFID ad alta frequenza (HF), operante a 13, 56 MHz.

Attualmente, lo standard NFC supporta diverse velocità di trasmissione dati fino a 424 kbit/s. Il meccanismo principale della comunicazione NFC tra due dispositivi è lo stesso del tradizionale RFID a 13, 56 MHz, dove sono presenti sia un master che uno slave. Il master è chiamato emettitore o lettore/scrittore e lo slave è un tag o una scheda.

Come funziona ?

NFC coinvolge sempre un iniziatore e un bersaglio: l'iniziatore (Emettitore) genera attivamente un campo RF che può alimentare un bersaglio passivo (Tag) utilizzando l'induzione elettromagnetica tra due antenne a telaio:

Le antenne dell'emettitore e del tag sono accoppiate tramite un campo elettromagnetico e questo sistema può essere visto al meglio come un trasformatore a nucleo d'aria in cui il lettore funge da avvolgimento primario e il tag da avvolgimento secondario: la corrente alternata che passa attraverso il primario bobina (Emettitore) induce un campo nell'aria, inducendo corrente nella bobina secondaria (Tag). Il tag può utilizzare la corrente del campo per alimentarsi: in questo caso non è necessaria alcuna batteria per accedervi, né in lettura né in scrittura. Il chip tag NFC trae tutta l'energia necessaria per operare dal campo magnetico generato dal lettore attraverso la sua antenna ad anello.

Dove viene utilizzato l'NFC?

NFC è una tecnologia in crescita con la necessità di connettere dispositivi elettronici in modalità wireless. NFC è stato ampiamente integrato negli smartphone per interagire con i dispositivi fisici compatibili con NFC e fornire nuovi servizi come il pagamento contactless.

Poiché i tag NFC non hanno bisogno di integrare una fonte di alimentazione perché possono essere alimentati dall'energia emessa dal lettore, possono assumere fattori di forma molto semplici come tag non alimentati, adesivi, carte o persino anelli.

Mi è piaciuto molto il fatto che i tag NFC non incorporino celle a bottone inquinanti per funzionare, ma utilizzino invece solo l'energia del trasmettitore.

Passaggio 3: il chip NFC

NFC IC

Il chip NFC è il cuore del biglietto da visita.

La mia richiesta era:

• un piccolo pacchetto SMD
• memoria sufficiente per un collegamento al mio profilo LinkedIn
• modulo di raccolta dell'energia integrato

Dopo aver confrontato diversi moduli NFC, ho optato per l'IC NTAG NT3H1101 di NXP. Secondo la sua scheda tecnica:

"NTAG I2C è il primo prodotto della famiglia NTAG di NXP che offre interfacce sia contactless che contact (vedi Figura 1). Oltre all'interfaccia contactless passiva conforme a NFC Forum, l'IC dispone di un'interfaccia di contatto I2C, che può comunicare con un microcontrollore se l'NTAG I2C è alimentato da un alimentatore esterno. Un'ulteriore SRAM alimentata esternamente mappata nella memoria consente un rapido trasferimento dei dati tra le interfacce RF e I2C e viceversa, senza le limitazioni del ciclo di scrittura della memoria EEPROM. Le caratteristiche del prodotto NTAG I2C un pin di rilevamento del campo configurabile, che fornisce un trigger a un dispositivo esterno a seconda delle attività sull'interfaccia RF. Il prodotto NTAG I2C può anche fornire alimentazione a dispositivi esterni (a bassa potenza) (ad esempio un microcontrollore) tramite il circuito integrato di raccolta dell'energia."

Passaggio 4: calcolo dell'induttanza dell'antenna

Per comunicare ed essere alimentato, un tag NFC deve disporre di un'antenna. La procedura di progettazione dell'antenna inizia con il modello equivalente del chip NFC e della sua antenna a telaio:

dove:

• Voc è la tensione a circuito aperto indotta dal campo magnetico nell'antenna a telaio
• Ra è la resistenza equivalente dell'antenna a telaio
• La è l'induttanza equivalente dell'antenna a telaio
• Rs è la resistenza equivalente seriale del chip NFC
• Cs è la capacità di sintonia equivalente seriale del chip NFC

L'antenna può essere descritta da un induttore La con un resistore di perdita molto piccolo Ra. Quando un campo magnetico viene indotto dall'emettitore nell'antenna a telaio, in essa viene indotta una corrente e ai suoi terminali appare una tensione a circuito aperto Voc. Il chip NFC può essere descritto da un resistore di ingresso Rs e un condensatore di sintonizzazione integrato Cs.

I resistori in serie Ra e Rs sono sommati per l'ultimo modello equivalente del circuito costituito dal circuito integrato NFC e dalla sua antenna ad anello:

Il resistore NFC IC Rs insieme al resistore d'antenna Ra e al condensatore integrato Cs forma un circuito risonante RLC con l'induttore La dell'antenna. Maggiori informazioni sui circuiti di risonanza RLC sono spiegate nei tutorial di elettronica online.

La frequenza di risonanza di un circuito RLC in serie è data dalla formula:

dove:

• f è la frequenza di risonanza (Hz)
• L è l'induttanza equivalente del circuito (H)
• C è la capacità equivalente del circuito (F)

L'unico parametro sconosciuto dell'equazione è il valore dell'induttanza L. Questa è così isolata da poter essere calcolata:

Sapendo che la frequenza operativa dell'NFC è 13, 56 MHz e che il condensatore di sintonia NT3H1101 è 50 pF, si calcola l'induttanza L:

Per risuonare alla frequenza NFC, l'antenna del biglietto da visita PCB deve avere un'induttanza totale di 2,75 μH.

Passaggio 5: definizione della forma dell'antenna: calcoli geometrici (primo metodo)

Progettare un'antenna ad anello su un PCB con una specifica induttanza è possibile e deve rispettare dei vincoli geometrici. Un'antenna può assumere varie forme: rettangolare, quadrata, rotonda, esagonale o anche ottagonale. Ad ogni forma corrisponde una formula specifica che fornisce l'induttanza equivalente a seconda della dimensione, del numero di spire, della larghezza delle piste, dello spessore del rame e di molti altri parametri…

Per la progettazione del mio biglietto da visita, ho scelto di utilizzare un'antenna rettangolare la cui geometria è la seguente:

dove:

• a0 e b0 sono le dimensioni complessive dell'antenna (m)
• aavg & bavg sono le dimensioni medie dell'antenna (m)
• t è lo spessore della pista (m)
• w è la carreggiata (m)
• g è lo spazio tra i binari (m)
• Nant è il numero di giri
• d è il diametro equivalente del binario (m)

Per questa specifica geometria, l'induttanza equivalente Lant è data dalla formula:

dove:

Per facilitare i calcoli, ho creato uno strumento di calcolo basato su excel che calcola automaticamente l'induttanza equivalente dell'antenna in base ai diversi parametri geometrici. Questo file mi ha fatto risparmiare molto tempo e sforzi per trovare la giusta geometria dell'antenna.

Avevo un'induttanza equivalente Lant = 2, 76 μH (abbastanza vicino) con i seguenti parametri:

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

Se sei allergico alla matematica e ai calcoli, esistono altri metodi e sono dettagliati nei passaggi seguenti. È ancora importante passare attraverso i calcoli per saperne di più sulle basi del design dell'antenna;)

Passaggio 6: definizione della forma dell'antenna: calcolatrici online (secondo metodo)

Un'alternativa ai lunghi calcoli sostenuti nel passaggio precedente è l'esistenza di calcolatori online della geometria dell'antenna. Questi calcolatori sono realizzati da privati o professionisti e hanno lo scopo di semplificare la progettazione delle antenne. Poiché è difficile verificare quali calcoli vengono eseguiti da questi calcolatori online, si consiglia vivamente di utilizzare calcolatori che mostrino i riferimenti e le formule utilizzate o quelli sviluppati da società specializzate.

STMicroelectronics offre tale calcolatore nella sua applicazione online eDesignSuite per aiutare i clienti a integrare i prodotti ST nel loro circuito. La calcolatrice è valida per qualsiasi applicazione con tecnologia NFC e può quindi essere utilizzata per il chip NFC di NXP.

Con i valori geometrici calcolati in precedenza, l'induttanza risultante calcolata dall'applicazione eDesignSuite è 2, 88 μH invece del valore atteso di 2, 76 μH. Questa differenza è sorprendente e mette in discussione il risultato ottenuto in precedenza. La formula utilizzata dall'applicazione è sconosciuta ed è impossibile effettuare il confronto con i calcoli effettuati in precedenza.

Quindi, quale dei due metodi dà un risultato corretto?

Nessuno ! I calcolatori e le formule online sono strumenti teorici per approssimare un risultato, ma devono essere completati da simulazioni con software specializzati e test reali per ottenere il risultato atteso.

Fortunatamente, le soluzioni NFC già simulate e testate sono state messe a disposizione dei progettisti elettronici, e sono oggetto del prossimo passo…

Passaggio 7: definizione della forma dell'antenna: antenne open source (3° metodo)

Per facilitare l'implementazione dei loro circuiti integrati NFC, alcuni produttori forniscono soluzioni complete per i progettisti di elettronica, come guide alla progettazione, note applicative e persino file EDA.

Questo è il caso di NXP, che offre per la sua gamma di circuiti integrati NFC NTAG una guida completa che include riferimenti per la progettazione di antenne NFC, strumento di calcolo basato su excel per antenne rettangolari e rotonde, file gerber e Eagle per diverse classi di antenne.

Una classe definisce i fattori di forma e dimensione di un'antenna. Più grande è la classe, più piccola è l'antenna. Per l'NFC, NXP consiglia di utilizzare antenne di "Classe 3", "Classe 4", "Classe 5" o "Classe 6".

Ho deciso di puntare su antenne rettangolari di classe 4, le cui dimensioni sembravano adatte al mio biglietto da visita, che dovranno essere posizionate all'interno di una zona definita o:

• Rettangolo esterno: 50 x 27 mm
• Rettangolo interno: 35 x 13 mm, centrato nel rettangolo esterno, con raggio d'angolo 3 mm

Per questa classe, NXP fornisce i file Eagle di un'antenna realizzata dai propri ingegneri e già integrata in alcuni dei propri prodotti. Il vantaggio principale di questo design è che è già stato simulato, corretto e completamente ottimizzato. I metodi di prova, le correzioni e le ottimizzazioni sono presentati anche in un documento disponibile.

Ho deciso di utilizzare questo design open source come modello e creare la mia versione per implementarlo in una libreria dedicata al progetto.

Passaggio 8: creazione della libreria Eagle

Per disegnare il circuito elettronico del biglietto da visita su Eagle è necessario avere i simboli e le impronte digitali dei componenti utilizzati. Mancavano solo l'antenna e il tag NFC, quindi ho dovuto crearli e includerli in una libreria per il progetto.

Ho iniziato progettando l'antenna copiando l'antenna rettangolare di classe 4 open source fornita da NXP. Ho solo cambiato la posizione dei connettori e li ho posizionati sulla lunghezza dell'antenna. Quindi, ho associato il pacco al simbolo di una bobina e ho aggiunto il nome e le etichette dei valori:

Successivamente, ho progettato il chip NFC utilizzando i dati forniti nella sua scheda tecnica. Ho chiamato, dimensionato e messo insieme gli 8 pin dei componenti per formare l'ingombro di 1, 6 * 1, 6 mm del pacchetto XQFN8. Infine, ho associato il pacco al simbolo della NTAG e ho aggiunto il nome e le etichette dei valori:

Per ulteriori informazioni sulle librerie Eagle e sulla creazione di componenti, Autodesk fornisce tutorial sul proprio sito Web.

Passaggio 9: schema

La creazione dello schema elettronico avviene su PCB EAGLE.

Dopo aver importato la libreria "PCB_BusinessCard.lbr" creata in precedenza, i diversi componenti elettronici vengono aggiunti allo schema.

Il circuito integrato NFC NT3H1101, unico componente attivo del circuito, è collegato ai componenti passivi utilizzando le descrizioni dei suoi pin riportate nella sua scheda tecnica:

• L'antenna a telaio di 2,75 μH è collegata ai pin LA e LB.
• L'uscita di raccolta dell'energia VOUT viene utilizzata per alimentare il chip NFC ed è quindi collegata al suo pin VCC.
• Un condensatore da 220 nF è collegato tra VOUT e VSS per garantire il funzionamento durante la comunicazione RF.
• Infine, il LED e la sua resistenza in serie sono alimentati da VOUT.

Il valore della resistenza del LED è calcolato con la legge di ohm in base ai parametri del LED e della tensione di alimentazione:

dove:

• R è la resistenza (Ω)
• Vcc è la tensione di alimentazione (V)
• Vled è la tensione diretta del LED (V)
• Iled è la corrente diretta del LED (A)

Passaggio 10: progettazione PCB: faccia inferiore

Per il design del mio biglietto da visita, volevo realizzare qualcosa di sobrio ma che potesse mostrare quanto sono inventiva nella vita e sempre con una nuova idea in mente. Ho scelto il design della lampadina ad incandescenza, simbolo di una nuova idea la cui luce può illuminare le zone grigie di un problema. Mi è piaciuto anche il fatto che un reclutatore potesse facilmente associare il mio profilo LinkedIn che appare sul suo telefono a una nuova buona idea per la sua azienda.

Ho iniziato progettando una lampadina radiante sul software di disegno vettoriale Inkscape. Il disegno viene esportato in due file BitMap, il primo contenente solo la lampadina e il secondo solo i raggi luminosi.

Tornando ad Eagle, ho utilizzato l'ULP import-bmp per importare le immagini BitMap generate da Inkscape in un disegno Eagle. Questo ULP genera un file SCRIPT che disegna piccoli rettangoli di pixel in successione con lo stesso colore che, combinati, ricreano l'immagine.

• Il disegno della lampadina viene importato sul 22° strato "bPlace" e apparirà sulla serigrafia del PCB in bianco, sopra la maschera di saldatura nera.
• Il disegno dei raggi luminosi viene importato sul 16° strato "Bottom" e sarà considerato come una traccia di rame coperta dalla maschera di saldatura nera.

L'utilizzo dello strato di rame per un'immagine consente di giocare con lo spessore del PCB e creare così texture e effetti di colore normalmente impossibili su un PCB. Le tavole artistiche possono essere realizzate con questi trucchi e sono stato molto ispirato da alcuni progetti di PCB-art.

Infine, ho disegnato i contorni del circuito e ho aggiunto il mio motto "Sempre una nuova idea". sul 22° livello "bPlace".

Passaggio 11: progettazione PCB: faccia superiore

Poiché la parte superiore della scheda è priva di componenti, sono stato libero di trovare un modo elegante per contrassegnare le mie informazioni di contatto classiche: cognome, nome, titolo, e-mail e numero di telefono.

Ancora una volta, ho giocato con i diversi strati del PCB: ho iniziato definendo un piano di massa parziale. Quindi, ho importato un testo contenente le mie informazioni di contatto sul 29° livello "tStop", che controlla la maschera di saldatura per la faccia superiore. La sovrapposizione del piano terra e del testo sul livello "tStop" fa sì che le lettere appaiano sul piano terra senza la maschera di saldatura su di esso, conferendo al testo un bell'aspetto metallico lucido.

Ma perché non mettere il piano di terra su tutto il biglietto da visita?

La disposizione di un'antenna induttiva su un PCB richiede un'attenzione particolare poiché le onde radio non possono attraversare i metalli e non devono esserci piani di rame sopra o sotto l'antenna.

L'esempio seguente mostra una buona implementazione, dove il trasferimento di energia e la comunicazione tra il lettore e il tag NFC sono adatti perché nessun piano di rame si sovrappone all'antenna.

L'esempio seguente mostra una cattiva implementazione, in cui il flusso elettromagnetico non può fluire attraverso l'antenna. Il piano di massa su un lato del PCB blocca il trasferimento di energia tra il lettore e l'antenna del tag NFC:

Passaggio 12: instradamento PCB

Ho iniziato posizionando tutti i diversi componenti sulla faccia inferiore del PCB.

Il LED è posizionato sul filamento della lampadina, e gli altri componenti sono disposti nel modo più discreto possibile alla base della lampadina.

I fili che collegano i diversi componenti passivi tra loro o al tag NFC sono preferibilmente posti sotto le linee che disegnano la lampadina per motivi estetici.

Infine, l'antenna è posta nella parte inferiore del circuito, attorno al motto, e collegata al circuito integrato NFC tramite due fili sottili.

La progettazione del PCB è ora completata!

Passaggio 13: generazione dei file Gerber

I file Gerber sono il file standard utilizzato dal software dell'industria dei circuiti stampati per descrivere le immagini del PCB: strati di rame, maschera di saldatura, legenda, ecc …

Sia che tu scelga di produrre il tuo PCB a casa o di affidare il processo di produzione a un professionista, è essenziale generare i file Gerber dal PCB precedentemente realizzato su Eagle.

L'esportazione di file Gerber da Eagle è molto semplice utilizzando il processore CAM integrato: ho utilizzato il file CAM per il PCB a 2 strati Seeed Fusion che contiene tutte le impostazioni utilizzate da questo produttore e molti altri. Maggiori informazioni sulla generazione Gerber con questo file possono essere trovate sul sito web di Seeed.

Il processore CAM genera un file.zip "NFC_BusinessCard.zip" contenente 10 file corrispondenti ai seguenti livelli del PCB NFC Business Card:

Estensione	Strato
NFC_BusinessCard. GBL	Rame inferiore
NFC_BusinessCard. GBO	Serigrafia inferiore
NFC_BusinessCard. GBP	Pasta saldante inferiore
NFC_BusinessCard. GBS	Soldermask inferiore
NFC_BusinessCard. GML	Strato mulino
NFC_BusinessCard. GTL	Top rame
NFC_BusinessCard. GTO	Serigrafia superiore
NFC_BusinessCard. GTP	Pasta saldante superiore
NFC_BusinessCard. GTS	Top Soldermask
NFC_BusinessCard. TXT	File trapano

Per essere sicuro che il PCB appaia esattamente come volevo, ho caricato i file Gerber nel visualizzatore Gerber online di EasyEDA. Ho cambiato il tema in nero e la finitura superficiale in argento per visualizzare il design finale dopo la fabbricazione.

Ero davvero contento del risultato e ho deciso di andare avanti con la fase di produzione…

Passaggio 14: ordinare i PCB

Poiché volevo una finitura di qualità per i miei biglietti da visita, ho affidato il processo di produzione a un professionista.

Molti produttori di PCB ora offrono prezzi molto competitivi: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay e molti altri… Consiglio: Per confrontare prezzi e servizi offerti da diversi produttori di PCB, consiglio di utilizzare il sito PCB Shopper che trovo molto utile.

Per la realizzazione dei miei biglietti da visita, ho tenuto conto di un dettaglio importante: molti produttori di PCB si permettono di segnare il numero d'ordine sulla serigrafia del PCB. Questo numero, sebbene piccolo, è fastidioso soprattutto quando il PCB deve essere estetico. Ad esempio, ho avuto questa brutta sorpresa per i miei alberi di Natale PCB da $ 1, ordinati su SeeedStudio.

Per esperienza, sapevo che Elecrow non aveva questa cattiva abitudine e quindi ho deciso di affidare la fabbricazione delle mie carte a questo produttore e ho ordinato 10 biglietti da visita per $ 4,9 con le seguenti impostazioni:

• Strati: 2 strati
• Dimensioni: 54*86 mm
• Design PCB diverso: 1
• Spessore PCB: 0,6 mm (il più sottile disponibile)
• Colore PCB: nero
• Finitura superficiale: HASL
• Foro a castella: No
• Peso del rame: 1 oz (come scelto nella formula dell'induttanza dell'antenna)

Due settimane dopo, ho ricevuto i miei PCB perfettamente realizzati e senza alcun fastidioso numero d'ordine segnato sulla serigrafia. Fin qui tutto bene, è ora di saldare queste schede!

Passaggio 15: saldatura del chip NFC

Premio della Giuria al Concorso PCB