PCB visittkort med NFC: 18 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Da jeg kom til slutten av studiene, måtte jeg nylig lete etter et seks måneders internship innen elektronikk. For å gjøre inntrykk og maksimere sjansene for å bli rekruttert i selskap med mine drømmer, hadde jeg ideen om å lage mitt eget visittkort. Jeg ønsket å gjøre noe unikt, nyttig og i stand til å demonstrere mine ferdigheter innen elektronisk kretsdesign til hvem jeg vil overlate det.

For tre år siden, da jeg søkte på Instructables, fant jeg et veldig interessant prosjekt laget av Joep1986, med tittelen "Digital Business Card With NFC". Dette prosjektet innebar å legge inn en NFC -tag i et visittkort i papir for å dele kontaktinformasjon med en telefon utstyrt med NFC -teknologi. Jeg fant dette prosjektet veldig inspirerende, og jeg tenkte å bytte ut den generiske NFC -taggen med en tilpasset krets av oppfinnelsen min.

Slik kom jeg på ideen om å lage mitt eget visittkort på et kretskort, som på et øyeblikk kan sende LinkedIn -profilen min på en rekrutterers smarttelefon ved hjelp av NFC -teknologi.

Denne instruksen dekker hvert trinn jeg fulgte for å forestille meg, designe og lage mitt PCB -visittkort med NFC, fra antenneparameterberegningene til NFC -brikkeprogrammeringen gjennom det strukturerte PCB -designet.

Trinn 1: BOM, verktøy og ferdigheter som trengs

Du vil trenge:

Nødvendige verktøy:

• loddejern
• varmluftsbehandlingsverktøy
• Loddemasse
• loddefluks
• loddetråd
• lang nesepincett
• krysslås pinsett
• isopropylalkohol
• et Q-tips
• en tannpirker
• en telefon med NFC

Valgfrie (men praktiske) verktøy:

• Avtrekk
• Storslått glass

Ferdigheter:

SMD lodding ferdigheter

Stykklister:

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

Trinn 2: NFC -teknologien

Hva er NFC?

NFC er et akronym for Near Field Communication. Det er en kortdistanse radioteknologi som muliggjør kommunikasjon mellom enheter som holdes i nærheten (<10 cm). NFC -systemer er basert på tradisjonell høyfrekvent (HF) RFID, som opererer ved 13, 56 MHz.

For øyeblikket støtter NFC -standarden forskjellige dataoverføringshastigheter på opptil 424 kbit/s. Prinsippmekanismen for NFC -kommunikasjon mellom to enheter er den samme som tradisjonell 13, 56 MHz RFID, hvor det er både en master og en slave. Mesteren kalles emitter, eller leser/skribent, og slaven er en etikett eller et kort.

Hvordan virker det ?

NFC involverer alltid en initiator og et mål: initiatoren (Emitter) genererer aktivt et RF -felt som kan drive et passivt mål (Tag) ved hjelp av elektromagnetisk induksjon mellom to sløyfeantenner:

Senderens og taggenes antenner er koblet via et elektromagnetisk felt, og dette systemet kan best ses på som en luftkjernetransformator der leseren fungerer som primærvikling og tag som sekundærvikling: vekselstrømmen som går gjennom primæren spole (Emitter) induserer et felt i luften og induserer strøm i sekundærspolen (Tag). Taggen kan bruke strømmen fra feltet til å drive seg selv: i dette tilfellet er det ikke nødvendig med batteri for å få tilgang til den, verken i lese- eller skrivemodus. NFC -taggbrikken trekker all nødvendig strøm for å operere fra magnetfeltet som leseren genererer gjennom sløyfeantennen.

Hvor brukes NFC?

NFC er en voksende teknologi med behov for å koble til elektroniske enheter trådløst. NFC har blitt mye integrert i smarttelefoner for å samhandle med NFC -kompatible fysiske enheter og tilby nye tjenester som kontaktløs betaling.

Siden NFC -koder ikke trenger å integrere en strømkilde fordi de kan drives av energien som leseren slipper ut, kan de ta veldig enkle formfaktorer som tagger, klistremerker, kort eller til og med ringer uten strøm.

Jeg likte det faktum at NFC -taggene ikke legger inn forurensende knappeceller for å fungere, men bruker bare senderens energi i stedet.

Trinn 3: NFC -brikken

NFC IC

NFC -brikken er hjertet i visittkortet.

Kravet mitt var:

• en liten SMD -pakke
• nok minne for en lenke til LinkedIn -profilen min
• innebygd energihøstingsmodul

Etter å ha sammenlignet flere NFC -moduler, valgte jeg NTAG NT3H1101 IC fra NXP. I henhold til databladet:

"NTAG I2C er det første produktet av NXPs NTAG -familie som tilbyr både kontaktløse og kontaktgrensesnitt (se figur 1). I tillegg til det passive NFC Forum -kompatible kontaktløse grensesnittet, har IC et I2C -kontaktgrensesnitt, som kan kommunisere med en mikrokontroller hvis NTAG I2C får strøm fra en ekstern strømforsyning. En ekstra eksternt drevet SRAM som er kartlagt i minnet, tillater en rask dataoverføring mellom RF- og I2C -grensesnittene og omvendt, uten skrivesyklusbegrensninger for EEPROM -minnet. NTAG I2C -produktfunksjonene en konfigurerbar feltdeteksjonspinne, som gir en utløser til en ekstern enhet avhengig av aktivitetene på RF -grensesnittet. NTAG I2C -produktet kan også levere strøm til eksterne (lav effekt) enheter (f.eks. en mikrokontroller) via den innebygde energihøstingskretsen."

Trinn 4: Beregning av antenneinduktansen

For å kommunisere og få strøm må en NFC -tag ha en antenne. Antennedesignprosedyren starter med den tilsvarende modellen til NFC -brikken og sløyfeantennen:

hvor:

• Voc er åpen kretsspenning indusert av magnetfeltet i sløyfeantennen
• Ra er ekvivalent motstand til sløyfeantennen
• La er ekvivalent induktans for sløyfeantennen
• Rs er den serielle ekvivalente motstanden til NFC -brikken
• Cs er den serielle ekvivalente tuningskapasiteten til NFC -brikken

Antennen kan beskrives av en induktor La med en veldig liten tapsmotstand Ra. Når et magnetfelt induseres av emitteren i sløyfeantennen, induseres en strøm i det og en åpen kretsspenning Voc vises på terminalene. NFC-brikken kan beskrives med en inngangsmotstand Rs og en innebygd tuningskondensator Cs.

Seriemotstandene Ra og Rs er oppsummert for den siste ekvivalente modellen av kretsen som består av den integrerte NFC -kretsen og dens sløyfeantenne:

NFC IC-motstanden Rs sammen med antennemotstanden Ra og den innebygde kondensatoren Cs danner en resonanskrets-RLC med induktoren La på antennen. Mer informasjon om RLC -resonans kretser er forklart i elektroniske elektroniske opplæringsprogrammer.

Resonansfrekvensen til en serie RLC -krets er gitt av formelen:

hvor:

• f er resonansfrekvensen (Hz)
• L er ekvivalent induktans av kretsen (H)
• C er ekvivalent kapasitans for kretsen (F)

Den eneste ukjente parameteren i ligningen er verdien av induktansen L. Denne er så isolert for å kunne beregnes:

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

For å resonere ved NFC -frekvensen, må PCB -visittkortantennen ha en total induktans på 2, 75 μH.

Trinn 5: Definere antenneformen: Geometriske beregninger (første metode)

Det er mulig å designe en sløyfeantenne på en PCB med en spesifikk induktans, og må respektere geometriske begrensninger. En antenne kan ha forskjellige former: rektangulær, firkantet, rund, sekskantet eller til og med åttekantet. For hver form tilsvarer en spesifikk formel som gir ekvivalent induktans avhengig av størrelsen, antall svinger, bredden på sporene, tykkelsen på kobberet og mange andre parametere …

For utformingen av visittkortet mitt valgte jeg å bruke en rektangulær antenne hvis geometri er som følger:

hvor:

• a0 og b0 er de overordnede dimensjonene til antennen (m)
• aavg og bavg er gjennomsnittsdimensjonene til antennen (m)
• t er banetykkelsen (m)
• w er sporbredden (m)
• g er gapet mellom sporene (m)
• Nant er antall svinger
• d er sporets ekvivalente diameter (m)

For denne spesifikke geometrien er ekvivalent induktans Lant gitt av formelen:

hvor:

For å gjøre beregninger enklere, opprettet jeg et Excel-basert beregningsverktøy som automatisk beregner den tilsvarende induktansen til antennen i henhold til de forskjellige geometriske parametrene. Denne filen sparte meg mye tid og innsats for å finne den riktige antennegeometrien.

Jeg hadde en liknende induktans Lant = 2, 76 μH (nær nok) med følgende parametere:

• 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 mot matematikk og beregninger, finnes andre metoder og er beskrevet i trinnene nedenfor. Det er fortsatt viktig å gå gjennom beregningene for å lære mer om grunnleggende antennedesign;)

Trinn 6: Definere antenneform: Online kalkulatorer (2. metode)

Et alternativ til lange beregninger i det forrige trinnet er eksistensen av online antennegeometri -kalkulatorer. Disse kalkulatorene er laget av enkeltpersoner eller fagfolk, og er ment å forenkle utformingen av antenner. Siden det er vanskelig å bekrefte hvilke beregninger som er gjort av disse online kalkulatorene, anbefales det på det sterkeste å bruke kalkulatorer som viser referanser og formler som brukes, eller de som er utviklet av spesialiserte selskaper.

STMicroelectronics tilbyr en slik kalkulator i sin elektroniske applikasjon eDesignSuite for å hjelpe kundene med å integrere ST -produkter i kretsen. Kalkulatoren er gyldig for alle applikasjoner med NFC -teknologi, og kan derfor brukes for NFC -brikken fra NXP.

Med de geometriske verdiene som tidligere er beregnet, er den resulterende induktansen beregnet av eDesignSuite -applikasjonen 2, 88 μH i stedet for den forventede verdien på 2, 76 μH. Denne forskjellen er overraskende og stiller spørsmål ved resultatet tidligere. Formelen som brukes av applikasjonen er ukjent, og det er umulig å sammenligne med beregningene som er gjort tidligere.

Så, hvilken av de to metodene gir et riktig resultat?

Ingen ! Online kalkulatorer og formler er teoretiske verktøy for å tilnærme et resultat, men må fullføres med simuleringer med spesialiserte programvarer og virkelige tester for å oppnå det forventede resultatet.

Heldigvis har NFC -løsninger som allerede er simulert og testet blitt gjort tilgjengelig for elektronikkdesignere, og er gjenstand for neste trinn …

Trinn 7: Definere antenneform: åpen kildekode -antenner (tredje metode)

For å lette implementeringen av deres NFC ICer, tilbyr noen produsenter komplette løsninger for elektronikkdesignere, for eksempel designguider, applikasjonsnotater og til og med EDA -filer.

Dette er tilfellet med NXP, som tilbyr et komplett utvalg av NFC-integrerte kretser NTAG, inkludert referanser for NFC-antennedesign, excelbasert beregningsverktøy for rektangulære og runde antenner, gerber og Eagle-filer for forskjellige antenneklasser.

En klasse definerer formen og størrelsesfaktorene til en antenne. Jo større klasse, jo mindre antenne. For NFC anbefaler NXP å bruke "klasse 3", "klasse 4", "klasse 5" eller "klasse 6" antenner.

Jeg bestemte meg for å fokusere på rektangulære antenner i klasse 4, hvis størrelse virket tilpasset visittkortet mitt, som skal være innenfor en sone definert enten:

• Utvendig rektangel: 50 x 27 mm
• Innvendig rektangel: 35 x 13 mm, sentrert i det ytre rektangelet, med 3 mm hjørneradius

For denne klassen gir NXP Eagle -filer til en antenne laget av ingeniørene deres og allerede integrert i noen av produktene deres. Hovedfordelen med dette designet er at det allerede er simulert, korrigert og fullt optimalisert. Testmetoder, korreksjoner og optimaliseringer presenteres i et dokument som også er tilgjengelig.

Jeg bestemte meg for å bruke dette open source -designet som en modell, og lage min egen versjon for å implementere det i et bibliotek dedikert til prosjektet.

Trinn 8: Opprette Eagle Librairy

For å tegne den elektroniske kretsen til visittkortet på Eagle, er det nødvendig å ha symbolene og fingeravtrykkene til komponentene som brukes. Bare antennen og NFC -taggen manglet, så jeg måtte lage dem og inkludere dem i et bibliotek for prosjektet.

Jeg begynte med å designe antennen ved å kopiere den rektangulære open source-klassen 4-antennen levert av NXP. Jeg endret bare posisjonen til kontaktene og plasserte dem på lengden på antennen. Deretter assosierte jeg pakken med symbolet på en spole og la til navn- og verdietikettene:

Deretter designet jeg NFC -brikken ved å bruke dataene i databladet. Jeg navngav, dimensjonerte og satte sammen de 8 pinnene på komponentene for å danne et 1, 6 * 1, 6 mm fotavtrykk av XQFN8 -pakken. Til slutt assosierte jeg pakken med symbolet for NTAG og la til navn- og verdietikettene:

For mer informasjon om Eagle -biblioteker og komponentskaping, tilbyr Autodesk opplæringsprogrammer på nettstedet.

Trinn 9: Skjematisk

Opprettelsen av det elektroniske skjemaet er gjort på EAGLE PCB.

Etter å ha importert biblioteket "PCB_BusinessCard.lbr" som ble opprettet tidligere, legges de forskjellige elektroniske komponentene til skjematikken.

Den integrerte NFC NT3H1101 -kretsen, den eneste aktive komponenten i kretsen, er koblet til de passive komponentene ved hjelp av beskrivelsene av pinnene i databladet:

• Sløyfeantennen på 2, 75 μH er koblet til LA- og LB -pinner.
• Energihøstingsutgangen VOUT brukes til å drive NFC -brikken og er derfor koblet til VCC -pinnen.
• En 220 nF kondensator er koblet mellom VOUT og VSS for å garantere drift under RF -kommunikasjon.
• Til slutt drives LED og seriemotstanden av VOUT.

Verdien av LED -motstanden beregnes med ohmens lov i henhold til parametrene til LED og forsyningsspenningen:

hvor:

• R er motstanden (Ω)
• Vcc er forsyningsspenning (V)
• Vled er LED fremover spenning (V)
• Iled er LED -fremoverstrømmen (A)

Trinn 10: PCB Design: Bottom Face

For utformingen av visittkortet mitt, ønsket jeg å oppnå noe edru, men det kan vise hvor oppfinnsom jeg er i livet og alltid med en ny idé i tankene. Jeg valgte designet til glødelampen, symbolet på en ny idé hvis lys kan belyse de grå områdene i et problem. Jeg likte også det faktum at en rekrutterer enkelt kunne assosiere LinkedIn -profilen min på telefonen sin med en ny god idé for selskapet hans.

Jeg begynte med å designe en utstrålende lyspære på vektortegningsprogramvaren Inkscape. Tegningen eksporteres i to BitMap -filer, den første inneholder bare pæren og den andre bare lysstrålene.

Tilbake til Eagle, jeg brukte import-bmp ULP for å importere BitMap-bildene generert av Inkscape til en Eagle-tegning. Denne ULP genererer en SCRIPT -fil som tegner små rektangler av påfølgende piksler med identiske farger som kombinerer, gjenskaper bildet.

• Utformingen av lyspæren importeres på det 22. laget "bPlace" og vil vises på silketrykket på kretskortet i hvitt, over den svarte loddemasken.
• Tegningen av lysstrålene importeres på det 16. laget "Bottom" og vil bli betraktet som et kobberspor dekket av den svarte loddemasken.

Ved å bruke kobberlaget for et bilde kan du leke med PCB -tykkelsen og dermed skape tekstur og fargeeffekter som normalt er umulige på en PCB. Kunstneriske tavler kan gjøres med slike triks, og jeg har blitt sterkt inspirert av noen PCB-kunstprosjekter.

Til slutt tegnet jeg konturene av kretsen og la til mottoet mitt "Alltid en ny idé." på 22. lag "bPlace".

Trinn 11: PCB Design: Top Face

Ettersom bordets overflate er blottet for komponenter, fant jeg en elegant måte å merke min klassiske kontaktinformasjon: etternavn, fornavn, tittel, e -post og telefonnummer.

Nok en gang lekte jeg med de forskjellige lagene på PCB: Jeg begynte med å definere et delvis bakkeplan. Deretter importerte jeg en tekst som inneholder kontaktinformasjonen min på det 29. laget "tStop", som styrer loddemasken for det øverste ansiktet. Superposisjonen av grunnplanet og teksten på "tStop" -laget får bokstavene til å vises på grunnplanet uten loddemasken på det, noe som gir teksten et fint skinnende metallisk aspekt.

Men hvorfor ikke sette grunnplanet på hele visittkortet?

Utformingen av en induktiv antenne på en PCB krever spesiell oppmerksomhet ettersom radiobølger ikke kan gå gjennom metaller, og det må ikke være kobberplan over eller under antennen.

Følgende eksempel viser en god implementering, der energioverføringen og kommunikasjonen mellom leseren og NFC -taggen er egnet fordi ingen kobberplan overlapper antennen.

Følgende eksempel viser en dårlig implementering, der den elektromagnetiske fluxen ikke kan strømme gjennom antennen. Jordplanet på den ene siden av kretskortet blokkerer energioverføringen mellom leseren og NFC -tagantennen:

Trinn 12: PCB -ruting

Jeg begynte med å plassere alle de forskjellige komponentene på PCB -undersiden.

LED -en er plassert på lyspæretråden, og de andre komponentene er arrangert på en så diskret måte som mulig ved foten av lyspæren.

Ledningene som forbinder de forskjellige passive komponentene med hverandre eller til NFC -taggen er fortrinnsvis plassert under linjene som tegner pæren av estetiske årsaker.

Til slutt plasseres antennen nederst i kretsen, rundt mottoet, og kobles til NFC -integrerte krets med to tynne ledninger.

PCB -designen er nå ferdig!

Trinn 13: Generering av Gerber -filer

Gerber -filer er standardfilen som brukes av kretskortindustriprogramvare for å beskrive PCB -bildene: kobberlag, loddemaske, legende osv …

Enten du velger å produsere kretskortet ditt hjemme eller overlate produksjonsprosessen til en profesjonell, er det viktig å generere Gerber -filene fra kretskortet som tidligere var laget på Eagle.

Eksport av Gerber-filer fra Eagle er veldig enkelt ved hjelp av den innebygde CAM-prosessoren: Jeg brukte CAM-filen til Seeed Fusion 2-lags PCB som inneholder alle innstillinger som brukes av denne produsenten og mange andre. Mer informasjon om Gerber -generasjon med denne filen finnes på Seeeds nettsted.

CAM -prosessoren genererer en.zip -fil "NFC_BusinessCard.zip" som inneholder 10 filer som tilsvarer følgende lag på NFC Business Card PCB:

Utvidelse	Lag
NFC_BusinessCard. GBL	Bunn kobber
NFC_BusinessCard. GBO	Nederste silketrykk
NFC_BusinessCard. GBP	Bunnloddepasta
NFC_BusinessCard. GBS	Bunnlodemaske
NFC_BusinessCard. GML	Kvernlag
NFC_BusinessCard. GTL	Topp kobber
NFC_BusinessCard. GTO	Topp silketrykk
NFC_BusinessCard. GTP	Topp loddemasse
NFC_BusinessCard. GTS	Topp loddemaske
NFC_BusinessCard. TXT	Drill File

For å være sikker på at kretskortet vil se akkurat ut som jeg ønsket, lastet jeg opp Gerber -filene i EasyEDAs online Gerber -visningsprogram. Jeg endret temaet til svart og overflaten til sølv for å visualisere det endelige designet etter fabrikasjon.

Jeg var veldig fornøyd med resultatet og bestemte meg for å fortsette med produksjonstrinnet …

Trinn 14: Bestilling av kretskort

Ettersom jeg ønsket en kvalitetsfinish for visittkortene mine, overlot jeg produksjonsprosessen til en profesjonell.

Mange PCB -produsenter tilbyr nå svært konkurransedyktige priser: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay og mange andre … Tips: For å sammenligne priser og tjenester som tilbys av forskjellige PCB -produsenter, anbefaler jeg å bruke PCB Shopper -nettstedet som jeg synes er veldig praktisk.

Ved fremstilling av visittkortene mine tok jeg hensyn til en viktig detalj: mange PCB -produsenter tillater seg å merke bestillingsnummeret på PCB -silketrykket. Dette tallet, selv om det er lite, er irriterende, spesielt når kretskortet må være estetisk. For eksempel hadde jeg denne dårlige overraskelsen for mine $ 1 PCB juletre, bestilt på SeeedStudio.

Av erfaring visste jeg at Elecrow ikke hadde denne dårlige vanen, og derfor bestemte jeg meg for å overlate fabrikasjonen av kortene mine til denne produsenten, og jeg bestilte 10 visittkort for $ 4,9 med følgende innstillinger:

• Lag: 2 lag
• Dimensjoner: 54*86 mm
• Ulike PCB -design: 1
• PCB -tykkelse: 0, 6 mm (den tynneste tilgjengelig)
• PCB -farge: svart
• Overflatebehandling: HASL
• Castellated Hole: Nei
• Kobbervekt: 1oz (som valgt i antenneinduktansformelen)

To uker senere mottok jeg PCB -ene mine perfekt laget og uten noe irriterende bestillingsnummer merket på silketrykket. Så langt så bra, på tide å lodde disse brettene!

Trinn 15: Lodding av NFC -brikken

Dommerpris i PCB -konkurransen