Wizytówka PCB z NFC: 18 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Przybywając pod koniec studiów musiałem ostatnio szukać półrocznego stażu z zakresu inżynierii elektronicznej. Aby zrobić wrażenie i zmaksymalizować szanse na zatrudnienie w firmie moich marzeń, wpadłem na pomysł zrobienia własnej wizytówki. Chciałem zrobić coś wyjątkowego, użytecznego i będącego w stanie zademonstrować moje umiejętności projektowania obwodów elektronicznych, komu to przekażę.

Trzy lata temu, przeglądając Instructables, natrafiłem na bardzo ciekawy projekt Joep1986 zatytułowany „Digital Business Card With NFC”. Projekt polegał na osadzeniu tagu NFC w papierowej wizytówce w celu udostępnienia informacji kontaktowych telefonowi wyposażonemu w technologię NFC. Uważam, że ten projekt jest bardzo inspirujący i pomyślałem o zastąpieniu ogólnego tagu NFC niestandardowym obwodem mojego wynalazku.

W ten sposób wpadłem na pomysł stworzenia własnej wizytówki na płytce drukowanej, umożliwiającej błyskawiczne przesłanie mojego profilu LinkedIn na smartfonie rekrutera z wykorzystaniem technologii NFC.

Ta instrukcja obejmuje każdy krok, który wykonałem, aby wyobrazić sobie, zaprojektować i stworzyć swoją wizytówkę PCB za pomocą NFC, od obliczeń parametrów anteny po programowanie chipów NFC po teksturowany projekt PCB.

Krok 1: BOM, potrzebne narzędzia i umiejętności

Będziesz potrzebować:

Niezbędne narzędzia:

• lutownica
• narzędzie do przerabiania gorącym powietrzem
• pasta lutownicza
• topnik lutowniczy
• drut lutowniczy
• pęseta z długim nosem
• pęseta krzyżowa
• alkohol izopropylowy
• Q-wskazówka
• wykałaczka
• telefon z NFC

Opcjonalne (ale poręczne) narzędzia:

• Odciąg oparów
• Wspaniałe szkło

Umiejętności:

Umiejętności lutowania SMD

Zestawienie materiałów:

Składnik	Pakiet	Referencja	Ilość	Dostawca
Układ NFC 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Żółta dioda LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
Rezystor 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
Kondensator 220 nF	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Krok 2: Technologia NFC

Co to jest NFC?

NFC to skrót od Near Field Communication. Jest to technologia radiowa krótkiego zasięgu, która umożliwia komunikację pomiędzy urządzeniami znajdującymi się w bliskiej odległości (< 10 cm). Systemy NFC oparte są na tradycyjnej technologii RFID wysokiej częstotliwości (HF), działającej na częstotliwości 13,56 MHz.

Obecnie standard NFC obsługuje różne szybkości transmisji danych do 424 kbit/s. Podstawowy mechanizm komunikacji NFC pomiędzy dwoma urządzeniami jest taki sam jak w tradycyjnym 13,56 MHz RFID, gdzie występuje zarówno master jak i slave. Master jest nazywany emiterem lub czytnikiem/zapisem, a slave jest tagiem lub kartą.

Jak to działa ?

NFC zawsze obejmuje inicjator i cel: inicjator (emiter) aktywnie generuje pole RF, które może zasilać pasywny cel (Tag) za pomocą indukcji elektromagnetycznej między dwiema antenami pętlowymi:

Anteny emitera i znacznika są sprzężone za pomocą pola elektromagnetycznego, a ten system można najlepiej postrzegać jako transformator z rdzeniem powietrznym, w którym czytnik działa jako uzwojenie pierwotne, a znacznik jako uzwojenie wtórne: prąd przemienny przepływający przez uzwojenie pierwotne cewka (Emiter) indukuje pole w powietrzu, indukując prąd w cewce wtórnej (Tag). Tag może wykorzystywać prąd z pola do zasilania się: w tym przypadku nie jest wymagana bateria, aby uzyskać do niego dostęp, ani w trybie odczytu, ani zapisu. Chip tagu NFC pobiera całą niezbędną moc do działania z pola magnetycznego generowanego przez czytnik przez jego antenę pętlową.

Gdzie jest używana NFC?

NFC to rozwijająca się technologia wymagająca bezprzewodowego łączenia urządzeń elektronicznych. NFC jest szeroko integrowane ze smartfonami w celu interakcji z urządzeniami fizycznymi kompatybilnymi z NFC i świadczenia nowych usług, takich jak płatności zbliżeniowe.

Ponieważ tagi NFC nie muszą integrować źródła zasilania, ponieważ mogą być zasilane energią emitowaną przez czytnik, mogą przybierać bardzo proste formy, takie jak niezasilane tagi, naklejki, karty, a nawet pierścienie.

Bardzo podobał mi się fakt, że tagi NFC nie osadzają zanieczyszczających komórek guzikowych do działania, a zamiast tego wykorzystują tylko energię nadajnika.

Krok 3: Chip NFC

Układ scalony NFC

Czip NFC to serce wizytówki.

Moim wymaganiem było:

• mały pakiet SMD
• wystarczająca ilość pamięci na link do mojego profilu na LinkedIn
• wbudowany moduł zbierania energii

Po porównaniu kilku modułów NFC zdecydowałem się na układ scalony NTAG NT3H1101 firmy NXP. Zgodnie z jego arkuszem danych:

„NTAG I2C jest pierwszym produktem z rodziny NTAG firmy NXP oferującym zarówno interfejsy zbliżeniowe, jak i stykowe (patrz rysunek 1). Oprócz pasywnego interfejsu bezstykowego zgodnego z NFC Forum, układ scalony jest wyposażony w interfejs stykowy I2C, który może komunikować się z mikrokontrolerem, jeśli NTAG I2C jest zasilany z zewnętrznego zasilacza Dodatkowa pamięć SRAM zasilana zewnętrznie mapowana do pamięci umożliwia szybki transfer danych między interfejsami RF i I2C i odwrotnie, bez ograniczeń cyklu zapisu pamięci EEPROM. konfigurowalny pin wykrywania pola, który zapewnia wyzwalanie do urządzenia zewnętrznego w zależności od aktywności na interfejsie RF. Produkt NTAG I2C może również zasilać urządzenia zewnętrzne (o małej mocy) (np. mikrokontroler) za pośrednictwem wbudowanego układu zbierania energii."

Krok 4: Obliczanie indukcyjności anteny

Aby komunikować się i być zasilanym, tag NFC musi mieć antenę. Procedura projektowania anteny rozpoczyna się od równoważnego modelu układu NFC i jego anteny pętlowej:

gdzie:

• Voc to napięcie w obwodzie otwartym indukowane przez pole magnetyczne w antenie pętlowej
• Ra jest równoważną rezystancją anteny pętlowej
• La jest równoważną indukcyjnością anteny pętlowej
• Rs to szeregowy odpowiednik rezystancji układu NFC
• Cs jest seryjnym odpowiednikiem pojemności strojenia układu NFC

Antena może być opisana przez cewkę indukcyjną La z bardzo małym rezystorem stratności Ra. Gdy emiter w antenie pętlowej indukuje pole magnetyczne, indukuje się w nim prąd, a na jego zaciskach pojawia się napięcie w obwodzie otwartym Voc. Układ NFC można opisać rezystorem wejściowym Rs i wbudowanym kondensatorem tuningowym Cs.

Rezystory szeregowe Ra i Rs są sumowane dla ostatniego równoważnego modelu układu składającego się z układu NFC i jego anteny pętlowej:

Rezystor NFC IC Rs wraz z rezystorem antenowym Ra i wbudowanym kondensatorem Cs tworzy obwód rezonansowy RLC z cewką indukcyjną La anteny. Więcej informacji o obwodach rezonansowych RLC wyjaśniono w samouczkach elektronicznych online.

Częstotliwość rezonansowa obwodu szeregowego RLC jest określona wzorem:

gdzie:

• f jest częstotliwością rezonansową (Hz)
• L jest równoważną indukcyjnością obwodu (H)
• C jest równoważną pojemnością obwodu (F)

Jedynym nieznanym parametrem równania jest wartość indukcyjności L. Ta jest tak odizolowana, aby można ją było obliczyć:

Wiedząc, że częstotliwość robocza NFC wynosi 13,56 MHz, a kondensator strojenia NT3H1101 ma 50 pF, oblicza się indukcyjność L:

Aby rezonować na częstotliwości NFC, antena wizytówkowa PCB musi mieć całkowitą indukcyjność 2,75 μH.

Krok 5: Definiowanie kształtu anteny: obliczenia geometryczne (pierwsza metoda)

Zaprojektowanie anteny pętlowej na płytce drukowanej o określonej indukcyjności jest możliwe i musi uwzględniać ograniczenia geometryczne. Antena może przybierać różne kształty: prostokątne, kwadratowe, okrągłe, sześciokątne, a nawet ośmiokątne. Każdemu kształtowi odpowiada określony wzór, który daje równoważną indukcyjność w zależności od rozmiaru, liczby zwojów, szerokości torów, grubości miedzi i wielu innych parametrów…

Do projektu mojej wizytówki wybrałem antenę prostokątną, której geometria jest następująca:

gdzie:

• a0 i b0 to całkowite wymiary anteny (m)
• aavg & bavg to średnie wymiary anteny (m)
• t to grubość toru (m)
• w to szerokość toru (m)
• g to odstęp między torami (m)
• Nant to liczba zwojów
• d jest równoważną średnicą toru (m)

Dla tej konkretnej geometrii równoważna indukcyjność Lant jest dana wzorem:

gdzie:

Aby ułatwić obliczenia, stworzyłem narzędzie obliczeniowe oparte na programie Excel, które automatycznie oblicza równoważną indukcyjność anteny zgodnie z różnymi parametrami geometrycznymi. Ten plik zaoszczędził mi dużo czasu i wysiłku, aby znaleźć odpowiednią geometrię anteny.

Miałem równoważną indukcyjność Lant = 2,76 μH (wystarczająco blisko) o następujących parametrach:

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

Jeśli masz alergię na matematykę i obliczenia, istnieją inne metody, które są szczegółowo opisane w poniższych krokach. Nadal ważne jest, aby przejść przez obliczenia, aby dowiedzieć się więcej o podstawach projektowania anten;)

Krok 6: Definiowanie kształtu anteny: Kalkulatory online (druga metoda)

Alternatywą dla długich obliczeń wykonywanych w poprzednim kroku jest istnienie kalkulatorów geometrii anten online. Kalkulatory te są wykonywane przez osoby prywatne lub profesjonalistów i mają na celu uproszczenie konstrukcji anten. Ponieważ trudno jest zweryfikować, jakie obliczenia są wykonywane przez te kalkulatory online, zdecydowanie zaleca się korzystanie z kalkulatorów, które pokazują referencje i używane formuły lub opracowanych przez wyspecjalizowane firmy.

STMicroelectronics oferuje taki kalkulator w swojej aplikacji online eDesignSuite, aby pomóc klientom zintegrować produkty ST z ich obwodami. Kalkulator jest ważny dla każdej aplikacji z technologią NFC i dlatego może być używany z chipem NFC firmy NXP.

Przy wcześniej obliczonych wartościach geometrycznych wynikowa indukcyjność obliczona przez aplikację eDesignSuite wynosi 2,88 μH zamiast oczekiwanej wartości 2,76 μH. Ta różnica jest zaskakująca i kwestionuje uzyskany wcześniej wynik. Formuła, z której korzysta aplikacja jest nieznana i niemożliwe jest porównanie z wcześniej wykonanymi obliczeniami.

Która z tych dwóch metod daje poprawny wynik?

Nic ! Kalkulatory i formuły online są teoretycznymi narzędziami do aproksymacji wyniku, ale muszą być uzupełnione symulacjami ze specjalistycznym oprogramowaniem i rzeczywistymi testami, aby uzyskać oczekiwany wynik.

Na szczęście już zasymulowane i przetestowane rozwiązania NFC zostały udostępnione projektantom elektroniki i są przedmiotem kolejnego kroku…

Krok 7: Definiowanie kształtu anteny: anteny typu open source (trzecia metoda)

Aby ułatwić implementację swoich układów scalonych NFC, niektórzy producenci dostarczają kompletne rozwiązania dla projektantów elektroniki, takie jak przewodniki projektowe, notatki aplikacyjne, a nawet pliki EDA.

Tak jest w przypadku firmy NXP, która oferuje dla swojej gamy układów scalonych NFC kompletny przewodnik zawierający referencje dotyczące projektowania anten NFC, narzędzie obliczeniowe oparte na programie Excel dla anten prostokątnych i okrągłych, pliki gerber i Eagle dla różnych klas anten.

Klasa definiuje współczynnik kształtu i rozmiaru anteny. Im większa klasa, tym mniejsza antena. W przypadku NFC firma NXP zaleca stosowanie anten „Klasy 3”, „Klasy 4”, „Klasy 5” lub „Klasy 6”.

Postanowiłem skupić się na antenach prostokątnych klasy 4, których wielkość wydawała się być dostosowana do mojej wizytówki, która powinna znajdować się w strefie zdefiniowanej albo:

• Prostokąt zewnętrzny: 50 x 27 mm
• Prostokąt wewnętrzny: 35 x 13 mm, wyśrodkowany w prostokącie zewnętrznym, z promieniem naroża 3 mm

Dla tej klasy NXP dostarcza pliki Eagle dotyczące anteny wykonanej przez ich inżynierów i już zintegrowanej z niektórymi produktami. Główną zaletą tego projektu jest to, że został już zasymulowany, poprawiony i w pełni zoptymalizowany. Metody testowe, poprawki i optymalizacje przedstawione są również w dostępnym dokumencie.

Postanowiłem wykorzystać ten projekt open source jako model i stworzyć własną wersję, aby zaimplementować go w bibliotece dedykowanej projektowi.

Krok 8: Tworzenie biblioteki orłów

Aby narysować obwód elektroniczny wizytówki na Eagle konieczne jest posiadanie symboli i odcisków palców użytych komponentów. Brakowało tylko anteny i tagu NFC, więc musiałem je stworzyć i dołączyć do biblioteki do projektu.

Zacząłem od zaprojektowania anteny, kopiując prostokątną antenę klasy 4 o otwartym kodzie źródłowym dostarczoną przez NXP. Zmieniłem tylko położenie złącz i umieściłem je na długości anteny. Następnie skojarzyłem opakowanie z symbolem cewki i dodałem etykiety z nazwą i wartością:

Następnie zaprojektowałem chip NFC, korzystając z danych zawartych w arkuszu danych. Nazwałem, zwymiarowałem i połączyłem 8 pinów komponentów, aby utworzyć ślad 1, 6 * 1, 6 mm pakietu XQFN8. Na koniec powiązałem paczkę z symbolem NTAG i dodałem nazwy i etykiety wartości:

Aby uzyskać więcej informacji na temat bibliotek Eagle i tworzenia komponentów, Autodesk udostępnia samouczki na swojej stronie internetowej.

Krok 9: Schemat

Tworzenie schematu elektronicznego odbywa się na PCB EAGLE.

Po zaimportowaniu utworzonej wcześniej biblioteki "PCB_BusinessCard.lbr" do schematu dodawane są różne komponenty elektroniczne.

Układ scalony NFC NT3H1101, jedyny aktywny element układu, łączy się z elementami pasywnymi za pomocą opisów jego wyprowadzeń podanych w jego karcie katalogowej:

• Antena pętlowa 2, 75 μH jest podłączona do pinów LA i LB.
• Wyjście zbierania energii VOUT służy do zasilania układu NFC i dlatego jest podłączone do jego pinu VCC.
• Kondensator 220 nF jest podłączony między VOUT i VSS, aby zagwarantować działanie podczas komunikacji RF.
• Wreszcie dioda LED i jej rezystor szeregowy są zasilane przez VOUT.

Wartość rezystancji LED obliczana jest z prawa omów zgodnie z parametrami LED i napięciem zasilania:

gdzie:

• R jest rezystancją (Ω)
• Vcc to napięcie zasilania (V)
• Vled to napięcie przewodzenia LED (V)
• Iled to prąd przewodzenia diody LED (A)

Krok 10: Projekt PCB: dolna powierzchnia

Przy projektowaniu mojej wizytówki chciałem osiągnąć coś trzeźwego, ale to może pokazać, jak bardzo jestem pomysłowy w życiu i zawsze mam w głowie nowy pomysł. Wybrałem projekt żarówki żarowej, symbolu nowego pomysłu, którego światło może rozświetlić szare obszary problemu. Podobało mi się również to, że rekruter mógł łatwo powiązać mój profil LinkedIn pojawiający się na jego telefonie z nowym dobrym pomysłem na jego firmę.

Zacząłem od zaprojektowania promieniującej żarówki w programie do rysowania wektorowego Inkscape. Rysunek jest eksportowany w dwóch plikach BitMap, pierwszy zawierający tylko żarówkę, a drugi tylko promienie świetlne.

Wracając do Eagle, użyłem import-bmp ULP, aby zaimportować obrazy BitMap wygenerowane przez Inkscape do rysunku Eagle. Ten ULP generuje plik SCRIPT, który rysuje małe prostokąty kolejnych pikseli o identycznym kolorze, które połączone, odtwarzają obraz.

• Projekt żarówki został zaimportowany na 22. warstwie „bPlace” i pojawi się na białym sitodruku PCB, nad czarną maską lutowniczą.
• Rysunek promieni świetlnych jest importowany na 16. warstwie „Dół” i będzie traktowany jako miedziana ścieżka pokryta czarną maską lutowniczą.

Użycie warstwy miedzi w obrazie pozwala na grę z grubością PCB, a tym samym na tworzenie efektów tekstur i kolorów, które normalnie są niemożliwe na PCB. Tablice artystyczne można wykonać za pomocą takich sztuczek i jestem bardzo zainspirowany niektórymi projektami pcb-art.

Na koniec narysowałem kontury toru i dodałem motto „Zawsze nowy pomysł”. na 22. warstwie „bPlace”.

Krok 11: Projekt PCB: górna powierzchnia

Ponieważ górna powierzchnia płyty jest pozbawiona elementów, mogłem znaleźć elegancki sposób na oznaczenie moich klasycznych danych kontaktowych: nazwisko, imię, tytuł, e-mail i numer telefonu.

Po raz kolejny bawiłem się różnymi warstwami PCB: zacząłem od zdefiniowania częściowej płaszczyzny uziemienia. Następnie zaimportowałem tekst zawierający moje dane kontaktowe na 29. warstwie „tStop”, która kontroluje maskę lutowniczą dla górnej powierzchni. Nałożenie płaszczyzny uziemienia i tekstu na warstwie „tStop” powoduje, że litery pojawiają się na płaszczyźnie uziemienia bez nałożonej na nią maski lutowniczej, nadając tekstowi ładny błyszczący metaliczny wygląd.

Ale dlaczego nie umieścić płaszczyzny uziemienia na całej wizytówce?

Szczególnej uwagi wymaga rozmieszczenie anteny indukcyjnej na płytce drukowanej, ponieważ fale radiowe nie mogą przechodzić przez metal, a nad lub pod anteną nie mogą znajdować się miedziane płaszczyzny.

Poniższy przykład pokazuje dobrą implementację, w której transfer energii i komunikacja między czytnikiem a znacznikiem NFC są odpowiednie, ponieważ żadna płaszczyzna miedzi nie zachodzi na antenę.

Poniższy przykład pokazuje złą implementację, w której strumień elektromagnetyczny nie może przepływać przez antenę. Płaszczyzna uziemienia po jednej stronie płytki drukowanej blokuje transfer energii między czytnikiem a anteną znacznika NFC:

Krok 12: Routing PCB

Zacząłem od umieszczenia wszystkich różnych komponentów na dolnej powierzchni płytki drukowanej.

Dioda LED umieszczona jest na żarniku żarówki, a pozostałe elementy są rozmieszczone w najbardziej dyskretny sposób u podstawy żarówki.

Przewody łączące różne elementy pasywne ze sobą lub z etykietą NFC są korzystnie umieszczone pod liniami rysującymi żarówkę ze względów estetycznych.

Na koniec antena jest umieszczona na dole obwodu, wokół motta i połączona z układem scalonym NFC dwoma cienkimi przewodami.

Projekt PCB jest już gotowy!

Krok 13: Generowanie plików Gerber

Pliki Gerber to standardowy plik używany przez oprogramowanie branżowe płytek drukowanych do opisywania obrazów PCB: warstw miedzi, maski lutowniczej, legendy itp.

Niezależnie od tego, czy zdecydujesz się wyprodukować płytkę PCB w domu, czy powierzyć proces produkcyjny profesjonaliście, konieczne jest wygenerowanie plików Gerber z płytki drukowanej wcześniej wykonanej w Eagle.

Eksportowanie plików Gerber z Eagle jest bardzo proste przy użyciu wbudowanego procesora CAM: użyłem pliku CAM dla 2-warstwowej płytki PCB Seeed Fusion, która zawiera wszystkie ustawienia używane przez tego producenta i wiele innych. Więcej informacji o generowaniu Gerber z tym plikiem można znaleźć na stronie Seeed.

Procesor CAM generuje plik.zip „NFC_BusinessCard.zip” zawierający 10 plików odpowiadających następującym warstwom PCB wizytówki NFC:

Rozbudowa	Warstwa
NFC_BusinessCard. GBL	Dolna Miedź
NFC_BusinessCard. GBO	Dolny sitodruk
NFC_BusinessCard. GBP	Dolna pasta lutownicza
NFC_BusinessCard. GBS	Dolna maska lutownicza
NFC_BusinessCard. GML	Warstwa młyna
NFC_BusinessCard. GTL	Górna miedź
NFC_BusinessCard. GTO	Top sitodruk
NFC_BusinessCard. GTP	Top pasta lutownicza
NFC_BusinessCard. GTS	Top maska lutownicza
NFC_BusinessCard. TXT	Plik wiertniczy

Aby mieć pewność, że PCB będzie wyglądać dokładnie tak, jak chciałem, przesłałem pliki Gerber do przeglądarki internetowej Gerber EasyEDA. Zmieniłem motyw na czarny, a wykończenie powierzchni na srebrny, aby zwizualizować ostateczny projekt po wyprodukowaniu.

Byłem bardzo zadowolony z rezultatu i postanowiłem kontynuować produkcję…

Krok 14: Zamawianie płytek drukowanych

Ponieważ zależało mi na jakościowym wykończeniu wizytówek, proces produkcji powierzyłem profesjonaliście.

Wielu producentów PCB oferuje obecnie bardzo konkurencyjne ceny: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay i wiele innych… Wskazówka: Aby porównać ceny i usługi oferowane przez różnych producentów PCB, radzę skorzystać ze strony PCB Shopper, która uważam za bardzo przydatną.

Przy produkcji moich wizytówek wziąłem pod uwagę ważny szczegół: wielu producentów PCB pozwala sobie na oznaczenie numeru zamówienia na sitodruku PCB. Ta liczba, choć niewielka, jest denerwująca zwłaszcza, gdy płytka drukowana musi być estetyczna. Na przykład miałem tę przykrą niespodziankę dla moich 1 $ choinek na PCB, zamówionych w SeeedStudio.

Z doświadczenia wiedziałem, że Elecrow nie ma tego złego nawyku i dlatego postanowiłem powierzyć produkcję moich kart temu producentowi i zamówiłem 10 wizytówek za 4,9 USD z następującymi ustawieniami:

• Warstwy: 2 warstwy
• Wymiary: 54*86mm
• Inna konstrukcja PCB: 1
• Grubość PCB: 0,6 mm (najcieńsza dostępna)
• Kolor PCB: czarny
• Wykończenie powierzchni: HASL
• Otwór ażurowy: Nie
• Waga miedzi: 1 uncja (wybrana we wzorze indukcyjności anteny)

Dwa tygodnie później otrzymałem moje płytki drukowane perfekcyjnie wykonane i bez denerwującego numeru zamówienia zaznaczonego na sitodruku. Jak na razie dobrze, czas przylutować te płytki!

Krok 15: Lutowanie układu NFC

Nagroda Sędziów w Konkursie PCB