Blokada NFC - gdy płytka drukowana jest również przyciskami, anteną i nie tylko: 7 kroków (ze zdjęciami)

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

Możesz wziąć jedną z dwóch rzeczy z tej instrukcji. Możesz śledzić i tworzyć własną kombinację klawiatury numerycznej i czytnika NFC. Schemat jest tutaj. Układ PCB jest tutaj. Znajdziesz listę materiałów, aby zamówić potrzebne części. Dostarczyłem kod do programowania mikrokontrolera. Jest wszystko, czego potrzebujesz, aby skopiować lub rozszerzyć ten projekt.

Podejrzewam jednak, że większość czytelników jest bardziej skłonna do czerpania inspiracji z niektórych jego aspektów. Ta instrukcja pokazuje, że PCB to coś więcej niż tylko sposób na połączenie komponentów. Ten mały prostokąt z włókna szklanego i miedzi ma wiele innych zastosowań, a jednocześnie nadal zajmuje się wykonywaniem połączeń elektrycznych. Najpierw przedstawię wszystkie te aspekty, zanim połączę je w gotowy projekt. Mam nadzieję, że spodoba ci się ta podróż i może zdecydujesz się użyć jednej lub dwóch z tych sztuczek w swoim własnym projekcie!

Krok 1: Proces

Tak wiele projektów podąża tą samą trajektorią na ścieżce do „zakończenia” i tak wielu potyka się tuż przed ostatnią przeszkodą.

Prototyp

Najpierw jest prototyp. Masz pomysł i z szuflady wyłania się płyta rozwojowa dla mikrokontrolera. Dla wielu będzie to Arduino, ale najbardziej podoba mi się linia 16-bitowych mikrokontrolerów małej mocy MSP430 firmy TI. Niezależnie od wyboru, zwykle jest pomocna płyta programistyczna. Oznacza to, że nie musisz zaczynać od tworzenia własnej płytki drukowanej i możesz testować teorie i potencjalne urządzenia peryferyjne. Często pojawia się Booster Pack / Shield / Hat - lub jakakolwiek dziwna nazwa płyty-córki, którą wymyślił producent. Żaden z użytkowników nie jest obcy płytce stykowej ani zabłąkanemu drutowi.

Widać, że tutaj użyłem zestawu rozwojowego TI CapTIvate i pakietu TRF7970A NFC Booster, aby udowodnić, że koncepcja prawdopodobnie zadziała.

Zrobisz też trochę kodu koncepcyjnego. Może być bałagan. Może polegać na pobranych bibliotekach, które zaprowadzą Cię na część drogi. Osobiście mam tendencję do pozostawiania go trochę niedoskonałym, ponieważ wiem, że mam przed sobą te tygodnie oczekiwania na przybycie AWK. Wtedy mogę to posprzątać.

Projektowanie

Dalej jest projekt. Uruchom swoje ulubione oprogramowanie do projektowania PCB. W moim przypadku to Orzeł. Przejście od pomysłu do perfekcji zajmuje zaskakująco dużo czasu, a tu leży nasza przygoda! Kolejne kroki pomogą Ci w pełni wykorzystać to.

Czekam na twoje PCB

Możesz wytrawić własne lub zrobić je w pośpiechu, ale większość z nas zamawia z pensjonatu w Chinach i czeka kilka tygodni. Czas wrócić do tego kodu. Sam się nie posprząta!

Montaż i debugowanie

Wyjmij lutownicę lub toster. Następnie możesz sprawdzić, czy działa zgodnie z oczekiwaniami. Może cofnij się o 2 kroki. Może nie.

Obudowa i panel przedni

Twoja płytka PCB wygląda profesjonalnie. Teraz potrzebuje obudowy i panelu przedniego. Może coś wydrukujesz w 3D. Wygląda dobrze, ale nie do końca oddaje finezję cudownej płytki drukowanej w środku. Cóż, tutaj ten przewodnik naprawdę pomoże!

Krok 2: Twoja płytka drukowana jako panel przedni

Kiedyś Soldermask był po prostu zielony. Sitodruk był raczej funkcjonalny niż dekoracyjny. Płytka drukowana była czymś, co było ukryte i tylko maniacy tacy jak my byliby zainteresowani jej zobaczeniem. Cóż, już nie!

Wiele domów z desek pozwala teraz wybierać z szerokiej gamy kolorów. Jakość sitodruku znacznie się poprawiła. Dozwolone są funky kształty i wycięcia. Dlaczego więc tego nie wykorzystać? Jeśli starannie utworzysz płytkę drukowaną, dom z płyt może wykonać dla Ciebie panele przednie!

W moim przykładzie umieściłem wszystkie komponenty po jednej stronie i upewniłem się, że druga strona wygląda wystarczająco dobrze, aby być przodem mojego urządzenia. Nie musisz tego robić. Może chcesz mieć piękno i mózg na osobnych planszach. To zależy od Ciebie.

Widziałem nawet kilka płytek drukowanych zlutowanych razem, tworząc całą obudowę, ale to niezwykłe. Jeśli jednak myślisz, że możesz to zrobić - czemu nie!

Moja tablica jest dość prosta - po prostu schludny biały sitodruk na czarnej soldermasce. Pasował do mojego wyglądu. Łącząc na różne sposoby sitodruk, soldermaskę i miedź, można uzyskać całkiem szeroką gamę kolorów i odcieni. Zostawię Cię w Google „sztuka PCB” i zobaczę niektóre z niesamowitych dzieł, które wymyślili inni! Choć są imponujące, może nie wszystkie nadają się na front.

Krok 3: Twoja płytka drukowana jako przyciski

Być może zauważyłeś, że liczby z sitodrukiem wyglądają jak klawiatura numeryczna, a to dlatego, że tak jest. Aby być precyzyjnym, są to pojemnościowe przyciski dotykowe. Jeśli wybierasz się tą drogą, prawdopodobnie będziesz potrzebować mikrokontrolera, który obsługuje pojemnościowy dotyk, chociaż możliwe jest "ustawienie własnego" pojemnościowego wykrywania dotyku, jeśli naprawdę chcesz.

Wszystkie pojemnościowe przyciski dotykowe składają się z kilku ścieżek PCB, które są umieszczone tak, aby mieć wykrywalną pojemność albo do masy (znanej jako pojemność własna) lub do innego śladu (znanego jako pojemność wzajemna).

Zacząłem swój projekt od przewodnika TI CapTIvate dla ich urządzenia MSP430FR2633, ale jeśli używasz innego mikrokontrolera, prawdopodobnie warto zapoznać się z przewodnikami i projektami referencyjnymi dostarczonymi przez producenta. Dostarczony jest nie tylko przewodnik po układzie PCB, ale jest nawet CapTIvate Design Center, które wygeneruje kod szablonu pasujący do Twojego sprzętu.

Zauważysz, że istotą przycisku są tylko dwa miedziane kręgi dość blisko siebie. Zbliżanie palca zmniejsza pojemność między nimi. MSP430 używa stałego źródła prądu do ładowania tego kondensatora i mierzy, jak szybko zmienia się napięcie na nim. Biblioteka CapTIvate upraszcza przekształcanie tego w wykryte naciśnięcia przycisków.

Zaprojektowałem niestandardową część w Eagle, aby uprościć dodawanie dwunastu tych przycisków i abym mógł ich używać w przyszłych projektach.

Krok 4: Twoja płytka drukowana jako dyfuzor LED

Sokoleoki wśród was mogło zauważyć małą okrągłą plamkę, w której po obu stronach płytki PCB brakuje czarnej maski lutowniczej. Jak w przypadku prawie każdego projektu elektronicznego, potrzebowałem wizualnej informacji zwrotnej dla użytkownika. Poszedłem z diodą LED RGB i miałem na to kilka opcji.

• Mógłbym użyć diody LED z otworem przelotowym i wyciąć otwór, przez który będzie mógł się przebić. Nie jestem pewien jak bym to podłączył bez kolejnej płytki.
• Mógłbym użyć diody LED do montażu powierzchniowego. Wtedy miałbym jakieś ślady i diodę LED psującą mój schludny panel przedni.
• Mógłbym użyć diody LED do montażu wstecznego.

Niektórzy z was mogą się zastanawiać, czym jest dioda LED do montażu wstecznego. Cóż, jest to dioda LED do montażu powierzchniowego „do góry nogami”, która świeci z powrotem na płytkę drukowaną, na której jest zamontowana. Co?! Dlaczego chcesz to zrobić? Cóż, usuwa to z drogi po drugiej stronie PCB. Większość projektów nadal będzie miała otwór w PCB, aby ta dioda LED przeświecała, ale zdecydowałem się po prostu usunąć miedź i soldermaskę i sprawdzić, czy materiał PCB był wystarczająco przezroczysty, aby dioda LED przeświecała. Ostrzeżenie spoilera - było! Jestem pewien, że z otworem byłby nieco jaśniejszy, ale łatwo jest być widoczny w świetle słonecznym przez 1,6 mm FR4. Jest też ładnie rozproszony.

Potrzebował niestandardowej części zaprojektowanej jako Eagle, aby upewnić się, że pod nią nie ma miedzi ani maski lutowniczej, ale wystarczyło kilka kółek na warstwach Restrict i Keepout po obu stronach. Tę niestandardową część znajdziesz w załączonej bibliotece Eagle.

Krok 5: Twoja płytka drukowana jako antena

Używanie śladu PCB jako anteny nie jest niczym nowym. Pakiet NFC Booster, którego użyłem, ma jeden. Korzysta z nich większość komercyjnych czytników NFC. Jednym z problemów, który znalazłem, jest to, że są one dostosowane do najpopularniejszych formatów tagów NFC - kart i breloków. Jestem na tyle maniakiem, że wszczepiono mi do ręki mały tag NFC. Szczegóły są tutaj, jeśli nie jesteś przeczulony. Zrobiłem też poprzedni projekt wykorzystując jako antenę cewkę uzwojoną drutem. W tym projekcie chciałem sprawdzić, czy możliwe jest stworzenie anteny PCB, która byłaby ładnie dopasowana do malutkiego wszczepionego znacznika.

Najpierw postanowiłem stworzyć ścieżkę PCB, która fizycznie będzie mniejsza niż te, które normalnie widzisz. Indukcyjność jest ważna podczas strojenia anteny, więc używam internetowego kalkulatora cewek PCB i staram się, aby około 1 μH było mniej więcej takie samo jak drut nawinięty, którego używałem wcześniej. Użyłem L_Calculate firmy TI i to powiedziało mi, że 7 zwojów o średniej wielkości 9 mm x 6,5 mm z szerokością śladu 0,1524 powinno być 950nH. Wystarczająco blisko.

Kiedy odzyskałem płytki, zmierzył 0,627 μH - przy rezystancji 0,867 Ω. Czas wymyślić, jak powinna wyglądać dopasowana sieć, aby TRF7970A widział 50 Ω. Dopasowanie anteny to cały temat sam w sobie, więc nie będę się teraz w to rozwodził, ale jeśli jesteś zainteresowany, omówiłem tutaj, jak dostroić antenę bez konieczności korzystania z drogiego VNA.

Wystarczy powiedzieć, że twoja płytka drukowana może być wykorzystana do stworzenia anteny o zerowych kosztach, niezależnie od tego, czy jest to cewka indukcyjna do RFID (nie tylko antena), czy do WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz itp. Jeszcze raz sugeruję, że jeśli potrzebujesz, zacznij od uwag projektowych dla dowolnego używanego urządzenia. Producent chce, abyś kupował jego komponenty, więc są one bardzo pomocne, jeśli chodzi o korzystanie z nich.

Krok 6: Twoja płytka PCB jako nagłówek debugowania

Jak tylko dodasz mikrokontroler do swojego projektu, pojawia się problem, jak umieścić na nim swój kod. Często ładna, niskoprofilowa płytka drukowana kończy się masywną główką pinów. Często są to również wersje przewlekane, więc urocza, schludna płytka PCB została uszkodzona po obu stronach. Oczywiście tak, jak chciałem, aby jedna strona była moim przednim panelem, przez otwór jak na zewnątrz. Listwy stykowe do montażu powierzchniowego mogą grozić oderwaniem śladów - zwłaszcza jeśli istnieje prawdopodobieństwo, że kilka razy łączysz się i rozłączasz.

Na szczęście istnieje alternatywa - szpilki pogo. Te sprężynowe kołki zapewniają dobry kontakt elektryczny z płytą. Może nie być wystarczająco cichy dla stałego połączenia, ale z pewnością służy do programowania. Widziałem pogo piny używane z niestandardowym uchwytem zarówno do programowania, jak i do testowania płytki produkcyjnej. Widziałem je nawet przyklejone do klamerek do bielizny, aby uzyskać bardzo domowy wygląd programisty. Skorzystałem jednak z komercyjnego produktu dostępnego dla wielu rodzin mikrokontrolerów - Tag Connect. Wymaga to kilku małych otworów wyrównujących w twojej płycie, więc może nie być idealne, jeśli potrzebujesz wodoodpornego panelu przedniego, ale zdecydowałem, że będzie w porządku dla tego projektu.

Wszystko, co jest wymagane, to powierzchnia PCB i gotowe! Otwory spełniają wymagania domu z desek, a może nawet wytrawiania domu.

Krok 7: Gotowa płytka drukowana

Tak więc, po włączeniu wszystkich tych pomysłów na PCB w jeden projekt - oto ostateczny rezultat. Odpowiada na prawidłowy tag NFC lub kod dostępu i otwiera drzwi. Operacja drzwi jest osobna, ponieważ będzie obsługiwać kilka różnych drzwi na kilka różnych sposobów. Drzwi do mojego domu będą wyzwalane elektromagnetycznie, podobnie jak w bloku z domofonem.

Jestem kitesurferem, więc często znajduję się w oceanie i zawsze trudno jest wiedzieć, co zrobić z kluczami. Z tagiem NFC w ręku zawsze mam przy sobie klucz! W moim vanie połączy się z centralnym zamkiem.

Dla własnych drzwi możesz chcieć wybrać odpowiedni sposób ich otwierania lub otwierania.

Znajdziesz wszystko, czego potrzebujesz do replikacji (lub adaptacji) tego projektu w tym repozytorium GitHub.https://github.com/FredMurphy/LockNFC

Mam nadzieję, że podobało Ci się czytanie o tym projekcie i że zainspirował Cię do włączenia niektórych pomysłów do własnych PCB. Jeśli tak, daj mi znać w komentarzach poniżej. Zapraszamy również do zapoznania się z pracami w konkursie PCB i głosowania na to, co uważasz za najlepsze. Mam nadzieję, że będzie mój, ale jestem pewien, że jest tam też wiele innych dobrych wpisów.

Drugie miejsce w konkursie PCB