Blocco NFC - Quando un PCB è anche i pulsanti, l'antenna e altro: 7 passaggi (con immagini)

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

Puoi prendere una delle due cose da questo Instructable. Puoi seguire e creare la tua combinazione di un tastierino numerico e un lettore NFC. Lo schema è qui. Il layout del PCB è qui. Troverai una distinta base per ordinare le parti di cui hai bisogno. Ho fornito il codice per la programmazione del microcontrollore. C'è tutto ciò di cui hai bisogno per copiare o estendere questo progetto.

Tuttavia, sospetto che la maggior parte dei lettori sia più propensa a trarre ispirazione solo da alcuni aspetti di esso. Questo Instructable ti mostra che il PCB è più di un semplice modo per collegare i componenti insieme. Quel piccolo rettangolo di fibra di vetro e rame ha molti altri usi, pur continuando a svolgere il suo compito principale di effettuare collegamenti elettrici. Presenterò tutti questi aspetti prima di riunirli in un progetto completato. Spero che il viaggio vi piaccia e che possiate decidere di utilizzare uno o due di questi trucchi in un vostro progetto!

Passaggio 1: il processo

Tanti progetti prendono la stessa traiettoria sulla strada del "finito" e tanti inciampano proprio prima dell'ostacolo finale.

Il prototipo

Prima c'è il prototipo. Hai un'idea e dal cassetto arriva la tua scheda di sviluppo per microcontrollori. Per molti questo sarà un Arduino, ma sono più felice della linea MSP430 di microcontrollori a bassa potenza a 16 bit di TI. Qualunque sia la tua scelta, di solito c'è una scheda di sviluppo che aiuta. Significa che non devi iniziare con la creazione del tuo PCB e puoi testare teorie e potenziali periferiche. C'è spesso un Booster Pack / Shield / Hat - o qualsiasi altro nome strano per una scheda figlia che il produttore ha inventato. Nessuno degli utenti è estraneo a una breadboard o a un filo vagante.

Puoi vedere che qui ho usato il kit di sviluppo CapTIvate di TI e il pacchetto NFC Booster TRF7970A per dimostrare che il concetto potrebbe funzionare.

Inventerai anche un codice di prova del concetto. Potrebbe essere disordinato. Può fare affidamento su librerie scaricate che ti portano a fare parte del percorso. Personalmente, tendo a lasciarlo un po' imperfetto perché so di avere quelle settimane in attesa che arrivino i PCB. Posso metterlo in ordine allora.

Il design

Poi viene il design. Avvia il tuo software di progettazione PCB preferito. Nel mio caso è Eagle. Ci vuole una quantità sorprendente di tempo per passare dall'idea alla perfezione, ed è qui che sta la nostra avventura! I prossimi passaggi ti aiuteranno a ottenere il massimo da questo.

Aspettando i tuoi PCB

Potresti incidere i tuoi o farli fare in fretta, ma la maggior parte di noi ordinerà da una pensione in Cina e aspetterà qualche settimana. Ora è il momento di tornare a quel codice. Non si riordina da solo!

Assemblaggio e debug

Prendi il saldatore o il tostapane. Quindi puoi vedere se funziona come previsto. Forse tornare indietro di 2 passaggi. Forse no.

La custodia e il pannello frontale

Quindi il tuo PCB sembra professionale. Ora ha bisogno di un recinto e di un pannello frontale. Forse stamperai qualcosa in 3D. Sembra OK, ma non rappresenta esattamente la finezza del delizioso PCB all'interno. Bene, ecco dove questa guida ti aiuterà davvero!

Passaggio 2: il tuo PCB come pannello frontale

Soldermask era solo verde. La serigrafia era funzionale piuttosto che decorativa. Un PCB era qualcosa che era nascosto e solo i geek come noi sarebbero stati interessati a vederlo. Bene, non più!

Molte pensioni ora ti consentono di scegliere tra un'ampia gamma di colori. La qualità della serigrafia è migliorata molto. Sono consentite forme e ritagli funky. Allora perché non approfittarne? Se crei il PCB con attenzione, una board house può realizzare i tuoi pannelli frontali per te!

Nel mio esempio, ho posizionato tutti i componenti su un lato e mi sono assicurato che l'altro lato fosse abbastanza bello da essere la parte anteriore del mio dispositivo. Non devi farlo. Forse vuoi avere la bellezza e il cervello su schede separate. Tocca a voi.

Ho anche visto un certo numero di PCB saldati insieme per formare l'intero involucro, ma è insolito. Se pensi di potercela fare, perché no!

La mia tavola è abbastanza semplice: solo una serigrafia bianca ordinata su un soldermask nero. Si adattava al look che cercavo. È possibile ottenere una vasta gamma di colori e sfumature combinando serigrafia, soldermask e rame in vari modi. Ti lascio a Google "PCB art" e vedrò alcune delle fantastiche creazioni che altre persone hanno creato! Per quanto siano impressionanti, forse non tutti sono adatti per un pannello frontale.

Passaggio 3: il tuo PCB come pulsanti

Potresti aver notato che i numeri serigrafati assomigliano molto a un tastierino numerico ed è perché lo sono. Per essere precisi sono pulsanti a sfioramento capacitivi. Se stai seguendo questa strada, probabilmente vorrai un microcontrollore che supporti il tocco capacitivo sebbene sia possibile "far rotolare il tuo" rilevamento tattile capacitivo se lo desideri davvero.

Tutti i pulsanti tattili capacitivi sono costituiti da alcune tracce PCB posizionate per avere una capacità rilevabile verso terra (nota come capacità autonoma) o verso un'altra traccia (nota come capacità reciproca).

Ho iniziato il mio progetto seguendo la guida CapTIvate di TI per il loro dispositivo MSP430FR2633, ma se stai usando un altro microcontrollore probabilmente vale la pena guardare le guide e i progetti di riferimento forniti dal produttore. Non solo viene fornita una guida al layout del PCB, ma c'è anche il CapTIvate Design Center che genererà un codice modello per abbinare il tuo hardware.

Noterai che l'essenza del pulsante sono solo due cerchi di rame abbastanza vicini l'uno all'altro. Avvicinare il dito riduce la capacità tra di loro. L'MSP430 utilizza una sorgente di corrente costante per caricare questo condensatore e misura la velocità con cui cambia la tensione ai suoi capi. La libreria CapTIvate semplifica la trasformazione in pressioni di pulsanti rilevate.

Ho progettato una parte personalizzata in Eagle per semplificare l'aggiunta di dodici di questi pulsanti e in modo da poterli utilizzare in progetti futuri.

Passaggio 4: il tuo PCB come diffusore LED

Gli occhi di falco tra di voi potrebbero aver notato la piccola toppa circolare dove manca il soldermask nero da entrambi i lati del PCB. Come per quasi tutti i progetti elettronici, avevo bisogno di un feedback visivo per l'utente. Sono andato con un LED RGB e avevo alcune opzioni per questo.

• Potrei usare un LED a foro passante e fare un buco per farlo entrare. Non sono sicuro di come lo collegherei senza un altro PCB.
• Potrei usare un LED a montaggio superficiale. Quindi avrei alcune tracce e un LED che incasinava il mio pannello frontale pulito.
• Potrei usare un LED a montaggio inverso.

Alcuni di voi potrebbero chiedersi cos'è un LED a montaggio inverso. Bene, è un LED a montaggio superficiale "capovolto" che risplende sul PCB su cui è montato. Che cosa?! Perché dovresti farlo? Bene, lo toglie di mezzo dall'altra parte del PCB. La maggior parte dei progetti avrà ancora un foro nel PCB per far brillare questo LED, ma ho deciso di rimuovere solo il rame e il soldermask e vedere se il materiale del PCB era abbastanza traslucido da far risplendere il LED. Avviso spoiler: lo era! Sono sicuro che sarebbe un po' più luminoso con un foro, ma è abbastanza facile da essere visibile alla luce del sole attraverso 1,6 mm di FR4. È anche ben diffuso.

Aveva bisogno di una parte personalizzata progettata da Eagle per assicurarsi che non ci fosse rame o soldermask sotto di essa, ma tutto ciò che richiedeva erano un paio di cerchi sugli strati Restrict e Keepout su entrambi i lati. Troverai questa parte personalizzata nella libreria Eagle allegata.

Passaggio 5: il tuo PCB come antenna

L'uso di una traccia PCB come antenna non è una novità. Il pacchetto NFC Booster che ho usato ne ha uno. La maggior parte dei lettori NFC commerciali che troverai li usa. Un problema che ho riscontrato è che questi sono sintonizzati per adattarsi ai formati di tag NFC più comuni: schede e telecomandi. Sono abbastanza geniale da farmi impiantare in mano un piccolo tag NFC. I dettagli sono qui se non sei schizzinoso. Ho anche realizzato un progetto precedente utilizzando un induttore a filo avvolto come antenna. Per questo progetto volevo vedere se fosse possibile creare un'antenna PCB che fosse ben abbinata a un minuscolo tag impiantato.

Per prima cosa ho deciso di creare una traccia PCB fisicamente più piccola di quelle che vedrai normalmente. L'induttanza è importante quando si sintonizza l'antenna, quindi uso un calcolatore di induttori PCB online e mirato a circa 1μH per essere circa lo stesso di quello a filo avvolto che avevo usato prima. Ho usato L_Calculate di TI e questo mi ha detto che 7 giri con una dimensione media di 9 mm x 6,5 mm con una larghezza di traccia di 0,1524 dovrebbero essere 950 nH. Abbastanza vicino.

Quando ho recuperato i PCB, misurava 0,627 μH, con una resistenza di 0,867. È ora di capire come dovrebbe essere la rete corrispondente in modo che il TRF7970A veda 50. L'abbinamento dell'antenna è un argomento a sé stante, quindi non mi dilungherò su questo ora, ma se sei interessato ho spiegato come sintonizzare un'antenna senza bisogno di un costoso VNA qui.

Basti dire che il tuo PCB può essere utilizzato per creare un'antenna a costo zero che si tratti di una bobina induttiva per RFID (non strettamente un'antenna) o per WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz, ecc. Ancora una volta, suggerirei che se ne hai bisogno, parti dalle note di progettazione per qualsiasi dispositivo tu stia utilizzando. Il produttore vuole che tu acquisti i loro componenti, quindi sono di grande aiuto quando si tratta di utilizzarli.

Passaggio 6: il tuo PCB come intestazione di debug

Non appena aggiungi un microcontrollore al tuo progetto, hai il problema di come ottenere il tuo codice su di esso. Spesso il tuo bel PCB a basso profilo finisce con un grosso pin header su di esso. Spesso queste sono anche versioni con foro passante, quindi il tuo bel PCB pulito è stato interessato su entrambi i lati. Ovviamente perché volevo che un lato fosse il mio pannello frontale, attraverso il foro come fuori. Le intestazioni dei pin a montaggio superficiale possono rischiare di staccare le tracce, soprattutto se è probabile che ci si colleghi e si disconnettono alcune volte.

Fortunatamente c'è un'alternativa: i perni pogo. Questi perni caricati a molla creano un bel contatto elettrico con la scheda. Potrebbe non essere abbastanza silenzioso per una connessione permanente, ma lo è certamente per la programmazione. Ho visto pin pogo usati con un jig personalizzato sia per la programmazione che per testare una scheda di produzione. Li ho persino visti attaccati a una molletta da bucato per un look da programmatore molto casalingo. Tuttavia, ho utilizzato un prodotto commerciale disponibile per molte famiglie di microcontrollori: Tag Connect. Richiede alcuni piccoli fori di allineamento nella scheda, quindi potrebbe non essere perfetto se hai bisogno di un pannello frontale impermeabile, ma ho deciso che sarebbe andato bene per questo progetto.

Tutto ciò che serve è un footprint PCB e il gioco è fatto! I fori rientrano ampiamente nei requisiti di una pensione e forse anche di un'incisione domestica.

Passaggio 7: il PCB finito

Quindi, dopo aver incorporato tutte queste idee PCB in un progetto, ecco il risultato finale. Risponde al tag NFC corretto o al codice di accesso e apre la porta. L'operazione della porta è separata perché aziona un paio di porte diverse in un paio di modi diversi. La porta di casa mia sarà un rilascio elettromagnetico, proprio come si trova in un condominio con un sistema di citofono.

Sono un kitesurfer così spesso mi trovo nell'oceano ed è sempre difficile sapere cosa fare con le tue chiavi. Con un tag NFC in mano ho sempre la chiave con me! Per il mio furgone si collegherà al sistema di chiusura centralizzata.

Per la tua porta potresti voler scegliere un modo appropriato per aprirla o sbloccarla.

Troverai tutto il necessario per replicare (o adattare) questo progetto in questo repository GitHub.https://github.com/FredMurphy/LockNFC

Spero che ti sia piaciuto leggere di questo progetto e che ti abbia ispirato a incorporare alcune delle idee nei tuoi PCB. Se lo fai, per favore fammelo sapere nei commenti qui sotto. Si prega di dare un'occhiata anche alle voci nel concorso PCB e votare per quello che ritieni sia il migliore. Spero che sia mio, ma sono sicuro che ci sono anche molte altre buone voci.

Secondo classificato al PCB Contest