PCB -visitekaartjie met NFC: 18 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

Aan die einde van my studies moes ek onlangs 'n ses maande lange internskap op soek na elektroniese ingenieurswese. Om 'n indruk te maak en my kans om in die geselskap van my drome gewerf te word, te maksimeer, het ek die idee gehad om my eie besigheidskaartjie te maak. Ek wou iets unieks, nuttig en in staat stel om my ontwerpvaardighede in elektroniese stroombane te demonstreer aan wie ek dit sal oorhandig.

Drie jaar gelede, terwyl ek na Instructables gekyk het, het ek 'n baie interessante projek gevind deur Joep1986, getiteld "Digital Business Card With NFC". Hierdie projek behels die insluiting van 'n NFC -etiket in 'n papierbesigheidskaartjie om kontakinligting te deel met 'n telefoon wat toegerus is met NFC -tegnologie. Ek het hierdie projek baie inspirerend gevind en ek het gedink om die generiese NFC -tag te vervang deur 'n pasgemaakte kring van my uitvinding.

So het ek die idee gekry om my eie besigheidskaartjie op 'n printplaat te skep, wat my LinkedIn -profiel in 'n oomblik op 'n werwer se slimfoon kan stuur met behulp van NFC -tegnologie.

Hierdie instruksies dek elke stap wat ek gevolg het om my PCB -visitekaartjie met NFC voor te stel, te ontwerp en te skep, van die berekening van die antenne -parameter tot die NFC -chipprogrammering deur die getextureerde PCB -ontwerp.

Stap 1: BOM, benodigde gereedskap en vaardighede

Jy sal nodig hê:

Noodsaaklike gereedskap:

• soldeerbout
• warm lug herwerktuig
• soldeer pasta
• soldeervloei
• soldeerdraad
• lang neus -pincet
• kruis-slot pincet
• isopropielalkohol
• 'n Q-wenk
• 'n tandestokkie
• 'n telefoon met NFC

Opsionele (maar handige) gereedskap:

• Afzuigkap
• Pragtige glas

Vaardighede:

SMD soldeervaardighede

Materiaallêer:

Komponent	Pakket	Verwysing	Hoeveelheid	Verskaffer
NFC -chip 1 kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Geel LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 Ω weerstand	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF kapasitor	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Stap 2: Die NFC -tegnologie

Wat is NFC?

NFC is 'n akroniem vir Near Field Communication. Dit is 'n kortafstand-radiotegnologie wat kommunikasie moontlik maak tussen toestelle wat naby (<10 cm) gehou word. NFC -stelsels is gebaseer op tradisionele hoëfrekwensie (HF) RFID, wat op 13, 56 MHz werk.

Tans ondersteun die NFC -standaard verskillende datatransmissiesnelhede tot 424 kbit/s. Die beginselmeganisme van NFC -kommunikasie tussen twee toestelle is dieselfde as tradisionele 13, 56 MHz RFID, waar daar beide 'n meester en 'n slaaf is. Die meester word die emitter, of leser/skrywer genoem, en die slaaf is 'n etiket of 'n kaart.

Hoe werk dit ?

NFC behels altyd 'n inisieerder en 'n teiken: die inisieerder (Emitter) genereer aktief 'n RF -veld wat 'n passiewe teiken (Tag) kan dryf met behulp van elektromagnetiese induksie tussen twee lusantennas:

Die antennas van die emitter en die tag word via 'n elektromagnetiese veld gekoppel, en hierdie stelsel kan die beste beskou word as 'n lugkerntransformator waar die leser optree as die primêre wikkeling en die tag as die sekondêre wikkeling: die wisselstroom wat deur die primêre spoel (Emitter) veroorsaak 'n veld in die lug en veroorsaak stroom in die sekondêre spoel (Tag). Die etiket mag die stroom uit die veld gebruik om homself aan te dryf: in hierdie geval is geen battery nodig om toegang daartoe te kry nie, nie in die lees- of in die skryfmodus nie. Die NFC -etiketskyfie trek al die nodige krag om te werk vanuit die magnetiese veld wat deur die leser deur sy lusantenne gegenereer word.

Waar word NFC gebruik?

NFC is 'n groeiende tegnologie met die behoefte om elektroniese toestelle draadloos aan te sluit. NFC is wyd geïntegreer in slimfone om met NFC -versoenbare fisiese toestelle te kommunikeer en nuwe dienste soos kontaklose betaling te bied.

Aangesien NFC -etikette nie 'n kragbron hoef te integreer nie, omdat dit kan aangedryf word deur die energie wat die leser uitstraal, kan dit baie eenvoudige vormfaktore aanneem, soos etikette sonder etikette, plakkers, kaarte of selfs ringe.

Ek het baie daarvan gehou dat die NFC -etikette nie besoedelde knoppieselle insluit nie, maar slegs die energie van die sender gebruik.

Stap 3: Die NFC -chip

NFC IC

Die NFC -chip is die hart van die besigheidskaartjie.

My vereiste was:

• 'n klein SMD -pakket
• genoeg geheue vir 'n skakel na my LinkedIn -profiel
• ingeboude energie -oesmodule

Nadat ek verskeie NFC -modules vergelyk het, het ek gekies vir die NTAG NT3H1101 IC van NXP. Volgens sy datablad:

"Die NTAG I2C is die eerste produk van NXP se NTAG -familie wat sowel kontaklose as kontakinterfaces bied (sien Figuur 1). Benewens die passiewe NFC Forum -voldoenbare kontaklose koppelvlak, bevat die IC 'n I2C -kontakinterface, wat met 'n mikrobeheerder kan kommunikeer as die NTAG I2C word van 'n eksterne kragtoevoer voorsien. 'n Bykomende ekstern aangedrewe SRAM wat in die geheue gekarteer word, maak 'n vinnige data -oordrag tussen die RF- en I2C -koppelvlakke moontlik en omgekeerd, sonder die beperkings van die skryfsiklus van die EEPROM -geheue. Die NTAG I2C -produkkenmerke 'n konfigureerbare veldopsporingspen, wat 'n sneller na 'n eksterne toestel bied, afhangende van die aktiwiteite op die RF -koppelvlak."

Stap 4: Berekening van die antennainduktansie

'N NFC -tag moet 'n antenna hê om te kommunikeer en van krag te voorsien. Die ontwerp van die antenna begin met die ekwivalente model van die NFC -chip en die lusantenne:

waar:

• Voc is die oopkringspanning wat veroorsaak word deur die magnetiese veld in die lusantenne
• Ra is die ekwivalente weerstand van die lusantenne
• La is die ekwivalente induktansie van die lusantenne
• Rs is die seriële ekwivalente weerstand van die NFC -chip
• Cs is die seriële ekwivalente afstemkapasiteit van die NFC -chip

Die antenna kan beskryf word deur 'n induktor La met 'n baie klein verliesweerstand Ra. As 'n magnetiese veld deur die emitter in die lusantenne veroorsaak word, word 'n stroom daarin veroorsaak en 'n oopkring spanning Voc verskyn by sy terminale. Die NFC-chip kan beskryf word deur 'n insetweerstand Rs en 'n ingeboude afstemkapasitor Cs.

Die reeksweerstands Ra en Rs word saamgevat vir die laaste ekwivalente model van die stroombaan wat bestaan uit die NFC geïntegreerde stroombaan en sy lusantenne:

Die NFC IC-weerstand Rs vorm saam met die antennaweerstand Ra en die ingeboude kapasitor Cs 'n resonante stroombaan RLC met die induktor La van die antenna. Meer inligting oor RLC -resonansiebane word verduidelik in aanlyn -elektroniese tutoriale.

Die resonante frekwensie van 'n reeks RLC -stroombaan word gegee deur die formule:

waar:

• f is die resonante frekwensie (Hz)
• L is die ekwivalente induktansie van die stroombaan (H)
• C is die ekwivalente kapasitansie van die stroombaan (F)

Die enigste onbekende parameter van die vergelyking is die waarde van die induktansie L. Hierdie een is so geïsoleerd om bereken te word:

Wetende dat die NFC -werkingsfrekwensie 13, 56 MHz is en dat die afstemkapasitor NT3H1101 50 pF is, word die induktansie L bereken:

Om op die NFC -frekwensie te resoneer, moet die PCB -visitekaartantenna 'n totale induktansie van 2, 75 μH hê.

Stap 5: Definisie van die antennevorm: meetkundige berekeninge (eerste metode)

Dit is moontlik om 'n lusantenne op 'n PCB met 'n spesifieke induktansie te ontwerp en moet meetkundige beperkings respekteer. 'N Antenne kan verskillende vorme aanneem: reghoekig, vierkantig, rond, seshoekig of selfs agtkantig. Vir elke vorm stem 'n spesifieke formule ooreen wat die ekwivalente induktansie gee, afhangende van die grootte, die aantal draaie, die breedte van die spore, die dikte van die koper en vele ander parameters …

Vir die ontwerp van my besigheidskaartjie het ek gekies om 'n reghoekige antenna te gebruik waarvan die meetkunde soos volg is:

waar:

• a0 en b0 is die algehele afmetings van die antenna (m)
• aavg en bavg is die gemiddelde afmetings van die antenna (m)
• t is die spoordikte (m)
• w is die baanbreedte (m)
• g is die gaping tussen die spore (m)
• Nant is die aantal draaie
• d is die ekwivalente deursnee van die baan (m)

Vir hierdie spesifieke meetkunde word die ekwivalente induktansie Lant gegee deur die formule:

waar:

Om berekeninge makliker te maak, het ek 'n Excel-gebaseerde berekeningsinstrument geskep wat die ekwivalente induktansie van die antenna outomaties volgens die verskillende meetkundige parameters bereken. Hierdie lêer het my baie tyd en moeite bespaar om die regte antenna meetkunde te vind.

Ek het 'n ekwivalente induktansie Lant = 2, 76 μH (naby genoeg) gehad met die volgende parameters:

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

As u allergies is vir wiskunde en berekeninge, bestaan daar ander metodes en word in die volgende stappe uiteengesit. Dit is nog steeds belangrik om deur die berekeninge te gaan om meer te wete te kom oor die basiese beginsels van antennaontwerp;)

Stap 6: Definieer die antennevorm: aanlyn sakrekenaars (2de metode)

'N Alternatief vir lang berekeninge wat in die vorige stap verduur is, is die bestaan van aanlyn -antenna meetkunde sakrekenaars. Hierdie sakrekenaars word gemaak deur individue of professionele persone en is bedoel om die ontwerp van antennas te vereenvoudig. Aangesien dit moeilik is om te kontroleer watter berekeninge deur hierdie aanlynrekenaars gedoen word, word dit sterk aanbeveel om sakrekenaars te gebruik wat verwysings en formules bevat, of dié wat deur gespesialiseerde ondernemings ontwikkel is.

STMicroelectronics bied so 'n sakrekenaar in sy aanlyn -toepassing eDesignSuite om kliënte te help om ST -produkte in hul stroombaan te integreer. Die sakrekenaar is geldig vir enige toepassing met NFC -tegnologie en kan dus gebruik word vir die NFC -chip van NXP.

Met die meetkundige waardes wat voorheen bereken is, is die resulterende induktansie wat deur die eDesignSuite -toepassing bereken is 2, 88 μH in plaas van die verwagte waarde van 2, 76 μH. Hierdie verskil is verbasend en bevraagteken die resultate wat voorheen verkry is. Die formule wat deur die toepassing gebruik word, is onbekend en dit is onmoontlik om die vergelyking te tref met die berekeninge wat voorheen gedoen is.

Dus, watter van die twee metodes gee die korrekte resultaat?

Geen! Aanlyn sakrekenaars en formules is teoretiese instrumente om 'n resultaat te benader, maar moet voltooi word deur simulasies met gespesialiseerde sagteware en werklike toetse om die verwagte resultaat te verkry.

Gelukkig is NFC -oplossings wat reeds gesimuleer en getoets is, aan elektroniese ontwerpers beskikbaar gestel, en is dit die onderwerp van die volgende stap …

Stap 7: Die definisie van die antennevorm: oopbron -antennas (derde metode)

Om die implementering van hul NFC IC's te vergemaklik, bied sommige vervaardigers volledige oplossings vir elektroniese ontwerpers, soos ontwerpgidse, toepassingsnotas en selfs EDA -lêers.

Dit is die geval met NXP, wat vir sy reeks NFC-geïntegreerde stroombane NTAG 'n volledige gids bevat, met verwysings na die ontwerp van NFC-antennas, 'n Excel-gebaseerde berekeningsinstrument vir reghoekige en ronde antennes, gerber- en Eagle-lêers vir verskillende antennaklasse.

'N Klas definieer die vorm en grootte faktore van 'n antenna. Hoe groter die klas, hoe kleiner is die antenna. Vir die NFC beveel NXP aan om "Klas 3", "Klas 4", "Klas 5" of "Klas 6" antennes te gebruik.

Ek het besluit om my toe te spits op die vierkantige antennas van klas 4, waarvan die grootte aangepas was vir my besigheidskaartjie, wat binne 'n bepaalde gebied geleë is:

• Eksterne reghoek: 50 x 27 mm
• Interne reghoek: 35 x 13 mm, gesentreer in die eksterne reghoek, met 'n hoekradius van 3 mm

Vir hierdie klas bied NXP die Eagle -lêers van 'n antenna wat deur hul ingenieurs gemaak is en reeds in sommige van hul produkte geïntegreer is. Die grootste voordeel van hierdie ontwerp is dat dit reeds gesimuleer, gekorrigeer en volledig geoptimaliseer is. Toetsmetodes, regstellings en optimalisering word aangebied in 'n dokument wat ook beskikbaar is.

Ek het besluit om hierdie open source -ontwerp as 'n model te gebruik, en my eie weergawe te skep om dit in 'n biblioteek vir die projek te implementeer.

Stap 8: Die skep van die Eagle Librairy

Om die elektroniese kring van die besigheidskaartjie op Eagle te teken, moet u die simbole en vingerafdrukke van die komponente gebruik. Slegs die antenna en die NFC -tag ontbreek, so ek moes dit skep en dit in 'n biblioteek vir die projek insluit.

Ek het begin met die ontwerp van die antenna deur die reghoekige oopbron klas 4-antenna wat deur NXP verskaf is, te kopieer. Ek het net die posisie van die verbindings verander en op die lengte van die antenna geplaas. Daarna het ek die pakket met die simbool van 'n spoel geassosieer en die naam- en waardetikette bygevoeg:

Vervolgens het ek die NFC -chip ontwerp met behulp van die data in sy datablad. Ek het die 8 penne van die komponente benoem, grootte gemaak en saamgestel om die 1, 6 * 1, 6 mm -voetafdruk van die XQFN8 -pakket te vorm. Uiteindelik het ek die pakket met die simbool van die NTAG geassosieer en die naam- en waardetikette bygevoeg:

Vir meer inligting oor Eagle -biblioteke en die skep van komponente, bied Autodesk tutoriale op sy webwerf.

Stap 9: Skematiese

Die skepping van die elektroniese skema word op EAGLE PCB gedoen.

Na die invoer van die biblioteek "PCB_BusinessCard.lbr" wat voorheen geskep is, word die verskillende elektroniese komponente by die skema gevoeg.

Die NFC NT3H1101 geïntegreerde stroombaan, die enigste aktiewe komponent van die stroombaan, is aan die passiewe komponente gekoppel deur gebruik te maak van die beskrywings van sy penne in die datablad:

• Die lusantenne van 2, 75 μH is gekoppel aan LA- en LB -penne.
• Die uitset VOUT vir energie -oes word gebruik om die NFC -chip aan te dryf en is dus gekoppel aan sy VCC -pen.
• 'N 220 nF -kondensator is verbind tussen VOUT en VSS om die werking tydens RF -kommunikasie te verseker.
• Laastens word die LED en sy reeksweerstand aangedryf deur VOUT.

Die waarde van die LED -weerstand word volgens die wet van ohm bereken volgens die parameters van die LED en die voedingspanning:

waar:

• R is die weerstand (Ω)
• Vcc is voedingsspanning (V)
• Vled is die LED -voorspanning (V)
• Iled is die LED vorentoe stroom (A)

Stap 10: PCB -ontwerp: onderkant

Vir die ontwerp van my besigheidskaartjie wou ek iets nugter bereik, maar dit kan wys hoe vindingryk ek in die lewe is en altyd met 'n nuwe idee in gedagte. Ek het die ontwerp van die gloeilamp gekies, simbool van 'n nuwe idee waarvan die lig die grys areas van 'n probleem kan verlig. Ek hou ook daarvan dat 'n werwer my LinkedIn -profiel wat op sy telefoon verskyn, maklik kan assosieer met 'n nuwe goeie idee vir sy onderneming.

Ek het begin met die ontwerp van 'n stralende gloeilamp op die vektortekensagteware Inkscape. Die tekening word uitgevoer in twee BitMap -lêers, die eerste bevat slegs die gloeilamp en die tweede slegs die ligstrale.

Terug na Eagle, ek het die import-bmp ULP gebruik om die BitMap-beelde wat deur Inkscape gegenereer is, in 'n Eagle-tekening in te voer. Hierdie ULP genereer 'n SCRIPT -lêer wat klein reghoeke van opeenvolgende pixels met dieselfde kleur teken, wat die beeld saam kombineer.

• Die ontwerp van die gloeilamp word ingevoer op die 22ste laag "bPlace" en sal op die syskerm van die PCB in wit bo die swart soldeermasker verskyn.
• Die tekening van die ligstrale word ingevoer op die 16de laag "Bottom" en word beskou as 'n koperbaan bedek met die swart soldeermasker.

Deur die koperlaag vir 'n beeld te gebruik, kan u met die PCB -dikte speel en sodoende tekstuur- en kleureffekte skep wat normaalweg onmoontlik is op 'n PCB. Artistieke borde kan met sulke truuks gedoen word, en ek is baie geïnspireer deur 'n paar PCB-kunsprojekte.

Uiteindelik het ek die kontoere van die kring getrek en my leuse "Altyd 'n nuwe idee" bygevoeg. op die 22ste laag "bPlace".

Stap 11: PCB -ontwerp: Top Face

Aangesien die voorkant van die bord sonder komponente bestaan, kon ek 'n elegante manier vind om my klassieke kontakinligting te merk: van, voornaam, titel, e -posadres en telefoonnommer.

Weer het ek met die verskillende lae van die PCB gespeel: ek het begin deur 'n gedeeltelike grondvlak te definieer. Daarna het ek 'n teks met my kontakinligting ingevoer op die 29ste laag "tStop", wat die soldeermasker vir die boonste gesig beheer. Die superposisie van die grondvlak en die teks op die "tStop" -laag laat die letters op die grondvlak verskyn sonder die soldeermasker, wat die teks 'n mooi glansende metaalaspek gee.

Maar waarom plaas u nie die grondvliegtuig op die hele besigheidskaartjie nie?

Die uitleg van 'n induktiewe antenna op 'n PCB vereis spesiale aandag, aangesien radiogolwe nie deur metale kan gaan nie, en daar mag geen kopervliegtuie bo of onder die antenna wees nie.

Die volgende voorbeeld toon 'n goeie implementering, waar die energie -oordrag en die kommunikasie tussen die leser en die NFC -tag geskik is omdat geen kopervliegtuie die antenna oorvleuel nie.

Die volgende voorbeeld toon 'n slegte implementering, waar die elektromagnetiese vloed nie deur die antenna kan vloei nie. Die grondvlak aan die een kant van die PCB blokkeer die energie -oordrag tussen die leser en die NFC -tagantenne:

Stap 12: PCB -routering

Ek het begin deur al die verskillende komponente op die onderkant van die printplaat te plaas.

Die LED word op die gloeilamp filament geplaas, en die ander komponente word op die mees diskrete manier aan die onderkant van die gloeilamp gerangskik.

Die drade wat die verskillende passiewe komponente met mekaar of met die NFC -tag verbind, word verkieslik onder estetiese redes onder die lyne geplaas.

Laastens word die antenna onderaan die kring geplaas, rondom die leuse, en deur twee dun drade aan die NFC geïntegreerde stroombaan gekoppel.

Die PCB -ontwerp is nou klaar!

Stap 13: Genereer die Gerber -lêers

Gerber -lêers is die standaard lêer wat deur die sagteware van die printplaatbedryf gebruik word om die PCB -beelde te beskryf: koperlae, soldeermasker, legende, ens …

Of u nou kies om u PCB tuis te vervaardig of die vervaardigingsproses aan 'n professionele persoon toevertrou, dit is noodsaaklik om die Gerber -lêers te genereer uit die PCB wat voorheen op Eagle gemaak is.

Die uitvoer van Gerber-lêers van Eagle is baie eenvoudig met behulp van die ingeboude CAM-verwerker: ek het die CAM-lêer gebruik vir Seeed Fusion 2-lae PCB wat alle instellings bevat wat deur hierdie vervaardiger en vele ander gebruik word. Meer inligting oor die generasie Gerber met hierdie lêer kan gevind word op Seeed se webwerf.

Die CAM -verwerker genereer 'n.zip -lêer "NFC_BusinessCard.zip" met 10 lêers wat ooreenstem met die volgende lae van die NFC Business Card PCB:

Uitbreiding	Laag
NFC_BusinessCard. GBL	Onderste koper
NFC_BusinessCard. GBO	Sykant onderaan
NFC_BusinessCard. GBP	Onder soldeer plak
NFC_BusinessCard. GBS	Onderste soldeermasker
NFC_BusinessCard. GML	Meullaag
NFC_BusinessCard. GTL	Top koper
NFC_BusinessCard. GTO	Boonste syskerm
NFC_BusinessCard. GTP	Top soldeer plak
NFC_BusinessCard. GTS	Top soldeermasker
NFC_BusinessCard. TXT	Boorlêer

Om seker te maak dat die PCB presies sal lyk soos ek wou, het ek die Gerber -lêers in EasyEDA se aanlyn Gerber -kyker opgelaai. Ek het die tema na swart verander en die oppervlak na silwer om die finale ontwerp na die vervaardiging te visualiseer.

Ek was regtig tevrede met die resultaat en het besluit om voort te gaan met die vervaardigingsstap …

Stap 14: Bestel die PCB's

Omdat ek 'n kwaliteit afwerking vir my besigheidskaartjies wou hê, het ek die vervaardigingsproses aan 'n professionele persoon toevertrou.

Baie PCB -vervaardigers bied nou baie mededingende pryse aan: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay en vele ander … Wenk: Om pryse en dienste wat deur verskillende PCB -vervaardigers aangebied word, te vergelyk, raai ek u aan om die PCB Shopper -webwerf te gebruik, wat ek baie handig vind.

By die vervaardiging van my besigheidskaartjies het ek 'n belangrike detail in ag geneem: baie PCB -vervaardigers laat hulle toe om die bestelnommer op die PCB -syskerm te merk. Hierdie getal, hoewel klein, is irriterend, veral as die PCB esteties moet wees. Ek het byvoorbeeld hierdie slegte verrassing gehad vir my kersbome van $ 1 PCB, bestel op SeeedStudio.

Uit ervaring het ek geweet dat Elecrow nie hierdie slegte gewoonte het nie, en daarom het ek besluit om die vervaardiging van my kaarte aan hierdie vervaardiger toe te vertrou en ek het 10 besigheidskaartjies vir $ 4,9 bestel met die volgende instellings:

• Lae: 2 lae
• Afmetings: 54*86 mm
• Verskillende PCB -ontwerp: 1
• PCB -dikte: 0, 6 mm (die dunste beskikbaar)
• PCB Kleur: Swart
• Oppervlak afwerking: HASL
• Castellated Gat: Nee
• Kopergewig: 1 oz (soos gekies in die antenna -induktansieformule)

Twee weke later ontvang ek my PCB's perfek gemaak en sonder 'n irriterende bestelnommer op die seeskerm. Tot dusver goed, tyd om hierdie borde te soldeer!

Stap 15: soldeer die NFC -chip

Beoordelaarsprys in die PCB -wedstryd