PCB -visitkort med NFC: 18 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Da jeg ankom til slutningen af mine studier, var jeg for nylig nødt til at lede efter et seks måneders praktikophold inden for elektronik. For at gøre indtryk og maksimere mine chancer for at blive rekrutteret i mine drømmes selskab, havde jeg ideen om at lave mit eget visitkort. Jeg ville gøre noget unikt, nyttigt og i stand til at demonstrere mine elektroniske kredsløbsdesignfærdigheder, som jeg vil overdrage det til.

For tre år siden, mens jeg kiggede på Instructables, fandt jeg et meget interessant projekt lavet af Joep1986, med titlen "Digitalt visitkort med NFC". Dette projekt involverede indlejring af et NFC -mærke i et papirkort for at dele kontaktoplysninger med en telefon udstyret med NFC -teknologi. Jeg fandt dette projekt meget inspirerende, og jeg tænkte at erstatte det generiske NFC -tag med et tilpasset kredsløb ifølge min opfindelse.

Sådan kom jeg på ideen om at oprette mit eget visitkort på et printkort, der på et øjeblik kunne sende min LinkedIn -profil på en rekrutterings smartphone ved hjælp af NFC -teknologi.

Denne instruktionsbog dækker hvert trin, jeg fulgte for at forestille mig, designe og oprette mit PCB -visitkort med NFC, fra antenneparameterberegninger til NFC -chipprogrammering gennem det strukturerede PCB -design.

Trin 1: BOM, nødvendige værktøjer og færdigheder

Du får brug for:

Nødvendige værktøjer:

• loddekolbe
• varmluftsbehandlingsværktøj
• loddemasse
• loddeflux
• loddetråd
• pincet med lang næse
• cross-lock pincet
• isopropylalkohol
• et Q-tip
• en tandstikker
• en telefon med NFC

Valgfrie (men praktisk) værktøjer:

• Røgudsugning
• Storslået glas

Færdigheder:

SMD loddefærdigheder

Stykliste:

Komponent	Pakke	Reference	Antal	Leverandør
NFC -chip 1 kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Gul LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 Ω modstand	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF kondensator	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Trin 2: NFC -teknologien

Hvad er NFC?

NFC er et akronym for Near Field Communication. Det er en kortdistance radioteknologi, der muliggør kommunikation mellem enheder, der holdes i nærheden (<10 cm). NFC -systemer er baseret på traditionel højfrekvens (HF) RFID, der fungerer ved 13, 56 MHz.

I øjeblikket understøtter NFC -standarden forskellige dataoverførselshastigheder på op til 424 kbit/s. Den principielle mekanisme for NFC -kommunikation mellem to enheder er den samme som traditionel 13, 56 MHz RFID, hvor der både er en master og en slave. Mesteren kaldes emitter eller læser/skribent, og slaven er et mærke eller et kort.

Hvordan virker det ?

NFC involverer altid en initiator og et mål: Initiatoren (Emitter) genererer aktivt et RF -felt, der kan drive et passivt mål (Tag) ved hjælp af elektromagnetisk induktion mellem to loopantenner:

Emitterens og taggenes antenner er koblet via et elektromagnetisk felt, og dette system kan bedst ses som en luftkerntransformator, hvor læseren fungerer som den primære vikling og mærket som den sekundære vikling: vekselstrømmen, der passerer gennem primæren spole (Emitter) inducerer et felt i luften, hvilket fremkalder strøm i den sekundære spole (Tag). Mærket kan bruge strømmen fra feltet til at drive sig selv: i dette tilfælde kræves der ikke batteri for at få adgang til det, hverken i læse- eller skrivemodus. NFC -tagchippen trækker al den nødvendige strøm til at fungere fra det magnetiske felt, som læseren genererer gennem sin loop -antenne.

Hvor bruges NFC?

NFC er en voksende teknologi med behov for trådløs tilslutning af elektroniske enheder. NFC er blevet bredt integreret i smartphones for at interagere med NFC -kompatible fysiske enheder og levere nye tjenester som kontaktløs betaling.

Da NFC -tags ikke behøver at integrere en strømkilde, fordi de kan drives af den energi, som læseren udsender, kan de tage meget enkle formfaktorer, f.eks. Tags uden mærke, klistermærker, kort eller endda ringe.

Jeg kunne virkelig godt lide det faktum, at NFC -tags ikke indlejrer forurenende knapceller til at fungere, men kun bruger senderens energi i stedet.

Trin 3: NFC -chippen

NFC IC

NFC -chippen er hjertet i visitkortet.

Mit krav var:

• en lille SMD -pakke
• hukommelse nok til et link til min LinkedIn -profil
• indlejret modul til energihøstning

Efter at have sammenlignet flere NFC -moduler valgte jeg NTAG NT3H1101 IC fra NXP. Ifølge databladet:

"NTAG I2C er det første produkt af NXP's NTAG -familie, der tilbyder både kontaktløse og kontaktgrænseflader (se figur 1). Ud over det passive NFC Forum -kompatible kontaktløse interface har IC en I2C -kontaktgrænseflade, som kan kommunikere med en mikrokontroller, hvis NTAG I2C får strøm fra en ekstern strømforsyning. En ekstra eksternt drevet SRAM, der er kortlagt i hukommelsen, muliggør en hurtig dataoverførsel mellem RF- og I2C -grænsefladerne og omvendt uden begrænsninger i EEPROM -skrivecyklusbegrænsningerne. NTAG I2C -produktfunktionerne en konfigurerbar feltdetekteringsstift, som giver en trigger til en ekstern enhed afhængigt af aktiviteterne ved RF -interfacet. NTAG I2C -produktet kan også levere strøm til eksterne (lav effekt) enheder (f.eks. en mikrokontroller) via det integrerede energihøstkredsløb."

Trin 4: Beregning af antenneinduktansen

For at kommunikere og få strøm, skal et NFC -tag have en antenne. Antennedesignproceduren starter med den tilsvarende model af NFC -chippen og dens loop -antenne:

hvor:

• Voc er den åbne kredsløbsspænding induceret af magnetfeltet i sløjfeantennen
• Ra er den tilsvarende modstand af sløjfeantennen
• La er den tilsvarende induktans af sløjfeantennen
• Rs er den serielle ækvivalente modstand for NFC -chippen
• Cs er den serielle ækvivalente tuningskapacitet for NFC -chippen

Antennen kan beskrives af en induktor La med en meget lille tabsmodstand Ra. Når et magnetfelt induceres af emitatoren i sløjfeantennen, induceres en strøm i det, og der vises en åben kredsløbsspænding Voc ved dens terminaler. NFC-chippen kan beskrives ved en input-modstand Rs og en indbygget tuning-kondensator Cs.

Seriemodstandene Ra og Rs summeres for den sidste ækvivalente model af kredsløbet, der består af det integrerede NFC -kredsløb og dets loop -antenne:

NFC IC-modstanden Rs sammen med antennemodstanden Ra og den indbyggede kondensator Cs danner et resonanskredsløb RLC med induktoren La i antennen. Flere oplysninger om RLC -resonanskredsløb forklares i online elektronikundervisning.

Resonansfrekvensen for et serie RLC -kredsløb er givet ved formlen:

hvor:

• f er resonansfrekvensen (Hz)
• L er den ækvivalente induktans af kredsløbet (H)
• C er den tilsvarende kapacitans for kredsløbet (F)

Den eneste ukendte parameter i ligningen er værdien af induktansen L. Denne er så isoleret for at kunne beregnes:

Ved at NFC -driftsfrekvensen er 13, 56 MHz og at tuningskondensatoren NT3H1101 er 50 pF, beregnes induktansen L:

For at give genlyd ved NFC -frekvensen skal PCB -visitkortantennen have en total induktans på 2, 75 μH.

Trin 5: Definition af antenneform: Geometriske beregninger (1. metode)

Det er muligt at designe en loop -antenne på et printkort med en specifik induktans og skal respektere geometriske begrænsninger. En antenne kan have forskellige former: rektangulær, firkantet, rund, sekskantet eller endda ottekantet. For hver form svarer en bestemt formel, der giver den tilsvarende induktans afhængigt af størrelsen, antallet af omdrejninger, sporets bredde, kobberens tykkelse og mange andre parametre …

Til udformningen af mit visitkort valgte jeg at bruge en rektangulær antenne, hvis geometri er som følger:

hvor:

• a0 & b0 er antennens overordnede dimensioner (m)
• aavg & bavg er antennens gennemsnitlige dimensioner (m)
• t er banetykkelsen (m)
• w er sporbredden (m)
• g er afstanden mellem sporene (m)
• Nant er antallet af omdrejninger
• d er sporets ækvivalente diameter (m)

For denne specifikke geometri er den tilsvarende induktans Lant givet ved formlen:

hvor:

For at gøre beregninger lettere har jeg oprettet et excel-baseret beregningsværktøj, der automatisk beregner antennens ækvivalente induktans i henhold til de forskellige geometriske parametre. Denne fil sparede mig en masse tid og kræfter på at finde den rigtige antennegeometri.

Jeg havde en tilsvarende induktans Lant = 2, 76 μH (tæt nok) med følgende parametre:

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

Hvis du er allergisk over for matematik og beregninger, findes der andre metoder og er detaljeret i de følgende trin. Det er stadig vigtigt at gå igennem beregningerne for at lære mere om det grundlæggende i antennedesign;)

Trin 6: Definition af antenneform: Online -regnemaskiner (2. metode)

Et alternativ til lange beregninger, der blev udholdt i det foregående trin, er eksistensen af online antennegeometri -regnemaskiner. Disse regnemaskiner er lavet af enkeltpersoner eller fagfolk og har til formål at forenkle design af antenner. Da det er svært at kontrollere, hvilke beregninger der foretages af disse online regnemaskiner, anbefales det stærkt at bruge regnemaskiner, der viser referencer og formler, der bruges, eller dem, der er udviklet af specialiserede virksomheder.

STMicroelectronics tilbyder en sådan lommeregner i sin online applikation eDesignSuite for at hjælpe kunderne med at integrere ST -produkter i deres kredsløb. Regnemaskinen er gyldig til enhver applikation med NFC -teknologi og kan derfor bruges til NFC -chippen fra NXP.

Med de tidligere beregnede geometriske værdier er den resulterende induktans beregnet af eDesignSuite -applikationen 2, 88 μH i stedet for den forventede værdi på 2, 76 μH. Denne forskel er overraskende og sætter spørgsmålstegn ved det tidligere opnåede resultat. Formlen, der bruges af applikationen, er ukendt, og det er umuligt at foretage en sammenligning med de tidligere udførte beregninger.

Så hvilken af de to metoder giver et korrekt resultat?

Ingen ! Online regnemaskiner og formler er teoretiske værktøjer til at tilnærme et resultat, men skal afsluttes med simuleringer med specialiserede software og reelle tests for at opnå det forventede resultat.

Heldigvis er NFC -løsninger, der allerede er simuleret og testet, blevet gjort tilgængelige for elektronikdesignere og er genstand for det næste trin …

Trin 7: Definition af antenneform: Open Source -antenner (3. metode)

For at lette implementeringen af deres NFC IC'er leverer nogle producenter komplette løsninger til elektronikdesignere, såsom designguider, applikationsnotater og endda EDA -filer.

Dette er tilfældet med NXP, der tilbyder for sit sortiment af NFC-integrerede kredsløb NTAG en komplet vejledning inklusive referencer til NFC-antennedesign, excel-baseret beregningsværktøj til rektangulære og runde antenner, gerber og Eagle-filer til forskellige antenneklasser.

En klasse definerer formen og størrelsesfaktorerne på en antenne. Jo større klasse, jo mindre antenne. Til NFC anbefaler NXP at bruge "klasse 3", "klasse 4", "klasse 5" eller "klasse 6" antenner.

Jeg besluttede at fokusere på klasse 4 rektangulære antenner, hvis størrelse syntes tilpasset mit visitkort, som skal være placeret inden for en zone, der er defineret enten:

• Eksternt rektangel: 50 x 27 mm
• Indvendigt rektangel: 35 x 13 mm, centreret i det ydre rektangel, med 3 mm hjørneradius

Til denne klasse leverer NXP Eagle -filer fra en antenne fremstillet af deres ingeniører og allerede integreret i nogle af deres produkter. Den største fordel ved dette design er, at det allerede er simuleret, korrigeret og fuldt optimeret. Testmetoder, korrektioner og optimeringer præsenteres i et dokument, der også er tilgængeligt.

Jeg besluttede at bruge dette open source -design som en model og oprette min egen version for at implementere det i et bibliotek dedikeret til projektet.

Trin 8: Oprettelse af Eagle Librairy

For at tegne visitkortets elektroniske kredsløb på Eagle er det nødvendigt at have symboler og fingeraftryk på de anvendte komponenter. Kun antennen og NFC -mærket manglede, så jeg var nødt til at oprette dem og inkludere dem i et bibliotek til projektet.

Jeg startede med at designe antennen ved at kopiere den rektangulære open source klasse 4 antenne leveret af NXP. Jeg ændrede kun placeringen af stik og placerede dem på længden af antennen. Derefter tilknyttede jeg pakken med symbolet for en spole og tilføjede navne- og værdimærkerne:

Dernæst designede jeg NFC -chippen ved hjælp af dataene i databladet. Jeg navngav, dimensionerede og sammensatte de 8 ben af komponenterne til at danne XQFN8 -pakkens 1, 6 * 1, 6 mm fodaftryk. Endelig tilknyttede jeg pakken med symbolet for NTAG og tilføjede navne- og værdimærkerne:

For mere information om Eagle -biblioteker og oprettelse af komponenter, tilbyder Autodesk selvstudier på sit websted.

Trin 9: Skematisk

Oprettelsen af det elektroniske skema sker på EAGLE PCB.

Efter import af biblioteket "PCB_BusinessCard.lbr", der er oprettet tidligere, tilføjes de forskellige elektroniske komponenter til skematikken.

NFC NT3H1101 integreret kredsløb, den eneste aktive komponent i kredsløbet, er forbundet til de passive komponenter ved hjælp af beskrivelserne af dets ben i dets datablad:

• Sløjfeantennen på 2, 75 μH er forbundet til LA og LB ben.
• Energihøstudgangen VOUT bruges til at drive NFC -chippen og er derfor forbundet med dens VCC -pin.
• En 220 nF kondensator er forbundet mellem VOUT og VSS for at garantere drift under RF -kommunikation.
• Endelig er LED'en og dens seriemodstand drevet af VOUT.

Værdien af LED -modstanden beregnes med ohmens lov i henhold til parametrene for LED'en og forsyningsspændingen:

hvor:

• R er modstanden (Ω)
• Vcc er forsyningsspænding (V)
• Vled er LED -fremspændingen (V)
• Iled er LED -fremadstrømmen (A)

Trin 10: PCB Design: Bundflade

Til udformningen af mit visitkort ville jeg opnå noget ædru, men det kan vise, hvor opfindsom jeg er i livet og altid med en ny idé for øje. Jeg valgte designet af glødepæren, symbol på en ny idé, hvis lys kan belyse de grå områder af et problem. Jeg kunne også godt lide, at en rekrutterer let kunne knytte min LinkedIn -profil, der vises på sin telefon, til en ny god idé til sit firma.

Jeg startede med at designe en udstrålende pære på vektortegningssoftwaren Inkscape. Tegningen eksporteres i to BitMap -filer, den første indeholder kun pæren og den anden kun lysstrålerne.

Tilbage til Eagle, jeg brugte import-bmp ULP for at importere BitMap-billeder genereret af Inkscape til en Eagle-tegning. Denne ULP genererer en SCRIPT -fil, der tegner små rektangler af successive pixel med identisk farve, som kombineret genskaber billedet.

• Pærens design importeres på det 22. lag "bPlace" og vises på silketryk på printkortet i hvidt over den sorte loddemaske.
• Tegningen af lysstrålerne importeres på det 16. lag "Bund" og vil blive betragtet som et kobberspor dækket af den sorte loddemaske.

Brug af kobberlaget til et billede giver mulighed for at lege med PCB -tykkelsen og dermed skabe tekstur og farveeffekter, der normalt er umulige på et PCB. Kunstneriske tavler kan udføres med sådanne tricks, og jeg har været meget inspireret af nogle pcb-kunstprojekter.

Endelig tegnede jeg konturerne af kredsløbet og tilføjede mit motto "Altid en ny idé." på det 22. lag "bPlace".

Trin 11: PCB Design: Top Face

Da brættets overside er blottet for komponenter, kunne jeg frit finde en elegant måde at markere mine klassiske kontaktoplysninger: efternavn, fornavn, titel, e -mail og telefonnummer.

Endnu en gang legede jeg med de forskellige lag af printkortet: Jeg startede med at definere et delvis jordplan. Derefter importerede jeg en tekst, der indeholder mine kontaktoplysninger på det 29. lag "tStop", som styrer loddemasken til det øverste ansigt. Superpositionen af jordplanet og teksten på "tStop" -laget får bogstaverne til at vises på grundplanet uden loddemasken på det, hvilket giver teksten et flot skinnende metallisk aspekt.

Men hvorfor ikke sætte bundplanet på hele visitkortet?

Layoutet af en induktiv antenne på et printkort kræver særlig opmærksomhed, da radiobølger ikke kan gå gennem metaller, og der må ikke være kobberplan over eller under antennen.

Det følgende eksempel viser en god implementering, hvor energioverførslen og kommunikationen mellem læseren og NFC -mærket er velegnede, fordi ingen kobberplan overlapper antennen.

Følgende eksempel viser en dårlig implementering, hvor den elektromagnetiske flux ikke kan strømme gennem antennen. Jordplanet på den ene side af printkortet blokerer energioverførslen mellem læseren og NFC -tagantennen:

Trin 12: PCB -routing

Jeg startede med at placere alle de forskellige komponenter på bunden af printkortet.

LED'en placeres på glødepæretråden, og de andre komponenter er arrangeret på den mest diskrete måde i bunden af pæren.

Ledningerne, der forbinder de forskellige passive komponenter med hinanden eller til NFC -mærket, er fortrinsvis placeret under linjerne, der tegner pæren af æstetiske årsager.

Endelig placeres antennen i bunden af kredsløbet, omkring mottoet, og forbindes til det integrerede NFC -kredsløb med to tynde ledninger.

PCB -designet er nu færdigt!

Trin 13: Generering af Gerber -filer

Gerber -filer er standardfilen, der bruges af printkortindustriens software til at beskrive PCB -billederne: kobberlag, loddemaske, legende osv …

Uanset om du vælger at fremstille dit printkort derhjemme eller overlade fremstillingsprocessen til en professionel, er det vigtigt at generere Gerber -filerne fra det printkort, der tidligere var lavet på Eagle.

Eksport af Gerber-filer fra Eagle er meget enkel ved hjælp af den indbyggede CAM-processor: Jeg brugte CAM-filen til Seeed Fusion 2-lags PCB, som indeholder alle indstillinger, der bruges af denne producent og mange andre. Flere oplysninger om Gerber -generation med denne fil findes på Seeeds websted.

CAM -processoren genererer en.zip -fil "NFC_BusinessCard.zip", der indeholder 10 filer, der svarer til følgende lag af NFC -visitkortets printkort:

Udvidelse	Lag
NFC_BusinessCard. GBL	Bundkobber
NFC_BusinessCard. GBO	Nederste silketryk
NFC_BusinessCard. GBP	Bundlodningsmasse
NFC_BusinessCard. GBS	Bundlodemask
NFC_BusinessCard. GML	Møllag
NFC_BusinessCard. GTL	Top kobber
NFC_BusinessCard. GTO	Top silketryk
NFC_BusinessCard. GTP	Top loddemasse
NFC_BusinessCard. GTS	Top loddemaske
NFC_BusinessCard. TXT	Borefil

For at være sikker på, at printkortet ser præcis ud, som jeg ville, uploadede jeg Gerber -filerne i EasyEDAs online Gerber viewer. Jeg ændrede temaet til sort og overfladefinishen til sølv for at visualisere det endelige design efter fremstilling.

Jeg var virkelig glad for resultatet og besluttede at fortsætte med fremstillingstrinnet …

Trin 14: Bestilling af printkort

Da jeg ønskede en kvalitetsfinish til mine visitkort, overlod jeg fremstillingsprocessen til en professionel.

Mange PCB -producenter tilbyder nu meget konkurrencedygtige priser: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay og mange andre … Tip: For at sammenligne priser og tjenester, der tilbydes af forskellige PCB -producenter, anbefaler jeg at bruge PCB Shopper -webstedet, som jeg finder meget praktisk.

Ved fremstillingen af mine visitkort tog jeg en vigtig detalje i betragtning: mange PCB -producenter tillader sig selv at markere ordrenummeret på printkortet. Dette tal, selv om det er lille, er irriterende, især når printkortet skal være æstetisk. For eksempel havde jeg denne dårlige overraskelse til mine $ 1 PCB juletræer, bestilt på SeeedStudio.

Af erfaring vidste jeg, at Elecrow ikke havde denne dårlige vane, og derfor besluttede jeg at overlade fabrikationen af mine kort til denne producent, og jeg bestilte 10 visitkort til 4,9 $ med følgende indstillinger:

• Lag: 2 lag
• Dimensioner: 54*86 mm
• Forskellige PCB Design: 1
• PCB Tykkelse: 0, 6 mm (den tyndeste tilgængelige)
• PCB -farve: Sort
• Overfladebehandling: HASL
• Castelleret hul: Nej
• Kobbervægt: 1oz (som valgt i antenneinduktansformlen)

To uger senere modtog jeg mine printkort perfekt fremstillet og uden noget irriterende ordrenummer markeret på silketryk. Så langt så godt, tid til at lodde disse brædder!

Trin 15: Lodning af NFC -chippen

Dommerpris i PCB -konkurrencen