Визитная карточка PCB с NFC: 18 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Придя по окончании учебы, мне недавно пришлось искать шестимесячную стажировку в области электроники. Чтобы произвести впечатление и максимально увеличить свои шансы попасть в компанию моей мечты, мне пришла в голову идея сделать свою собственную визитную карточку. Я хотел сделать что-то уникальное, полезное и способное продемонстрировать свои навыки проектирования электронных схем, кому я это передам.

Три года назад, просматривая Instructables, я обнаружил очень интересный проект Joep1986 под названием «Цифровая визитная карточка с NFC». Этот проект включал в себя встраивание метки NFC в бумажную визитную карточку для обмена контактной информацией с телефоном, оснащенным технологией NFC. Я нашел этот проект очень вдохновляющим, и я подумал о замене стандартного тега NFC на нестандартную схему моего изобретения.

Так мне пришла в голову идея создать свою собственную визитку на печатной плате, способную мгновенно отправить мой профиль LinkedIn на смартфон рекрутера с помощью технологии NFC.

Это руководство охватывает каждый шаг, который я выполнял, чтобы представить, спроектировать и создать свою визитную карточку на печатной плате с помощью NFC, от расчета параметров антенны до программирования чипа NFC через текстурированный дизайн печатной платы.

Шаг 1. Спецификация, необходимые инструменты и навыки

Тебе понадобится:

Необходимые инструменты:

• паяльник
• инструмент для ремонта горячим воздухом
• паяльная паста
• припой
• припой
• пинцет с длинным носом
• пинцет с крестообразным замком
• изопропиловый спирт
• ватная палочка
• зубочистка
• телефон с NFC

Дополнительные (но удобные) инструменты:

• Экстрактор дыма
• Великолепное стекло

Навыки и умения:

Навыки пайки SMD

Спецификация материалов:

Составная часть	Упаковка	Ссылка	Количество	Поставщик
Чип NFC 1кб	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Желтый светодиод	0805	APT2012SYCK / J3-PRV	1	Mouser
Резистор 47 Ом	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
Конденсатор 220 нФ	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
Печатная плата	-	-	1	Элекроу

Шаг 2: Технология NFC

Что такое NFC?

NFC - это аббревиатура от Near Field Communication. Это технология радиосвязи ближнего действия, которая обеспечивает связь между устройствами, находящимися в непосредственной близости (<10 см). Системы NFC основаны на традиционной высокочастотной (HF) RFID, работающей на частоте 13, 56 МГц.

В настоящее время стандарт NFC поддерживает разные скорости передачи данных до 424 кбит / с. Принципиальный механизм связи NFC между двумя устройствами такой же, как и у традиционного RFID 13,56 МГц, где есть и ведущий, и ведомый. Мастер называется эмиттером или считывающим / записывающим устройством, а подчиненный - тегом или картой.

Как это работает ?

NFC всегда включает в себя инициатора и цель: инициатор (излучатель) активно генерирует радиочастотное поле, которое может питать пассивную цель (метку), используя электромагнитную индукцию между двумя рамочными антеннами:

Антенны излучателя и метки связаны посредством электромагнитного поля, и эту систему лучше всего рассматривать как трансформатор с воздушным сердечником, в котором считыватель действует как первичная обмотка, а метка - как вторичная обмотка: переменный ток, проходящий через первичную обмотку. Катушка (Эмиттер) наводит поле в воздухе, индуцируя ток во вторичной катушке (Тег). Тег может использовать ток от поля для питания себя: в этом случае для доступа к нему не требуется батарея, ни в режиме чтения, ни в режиме записи. Чип метки NFC потребляет всю необходимую мощность для работы от магнитного поля, создаваемого считывателем через рамочную антенну.

Где используется NFC?

NFC - это развивающаяся технология, которая требует беспроводного подключения электронных устройств. NFC широко интегрирован в смартфоны для взаимодействия с физическими устройствами, совместимыми с NFC, и для предоставления новых услуг, таких как бесконтактные платежи.

Поскольку метки NFC не нуждаются в интеграции источника питания, поскольку они могут питаться от энергии, излучаемой считывателем, они могут иметь очень простые форм-факторы, такие как метки без питания, наклейки, карты или даже кольца.

Мне очень понравился тот факт, что теги NFC не встраивают загрязняющие кнопки для работы, а вместо этого используют только энергию передатчика.

Шаг 3. Чип NFC

NFC IC

Чип NFC - это сердце визитной карточки.

Мое требование было:

• небольшой пакет SMD
• достаточно памяти для ссылки на мой профиль в LinkedIn
• встроенный модуль сбора энергии

После сравнения нескольких модулей NFC я остановил свой выбор на IC NTAG NT3H1101 от NXP. Согласно его паспорту:

«NTAG I2C - это первый продукт семейства NTAG от NXP, предлагающий как бесконтактные, так и контактные интерфейсы (см. Рисунок 1). В дополнение к пассивному бесконтактному интерфейсу, совместимому с NFC Forum, IC имеет контактный интерфейс I2C, который может обмениваться данными с микроконтроллером, если NTAG I2C питается от внешнего источника питания. Дополнительная SRAM с внешним питанием, отображаемая в память, позволяет быстро передавать данные между интерфейсами RF и I2C и наоборот, без ограничений цикла записи памяти EEPROM. Характеристики продукта NTAG I2C конфигурируемый вывод обнаружения поля, который обеспечивает запуск внешнего устройства в зависимости от активности на РЧ-интерфейсе. Продукт NTAG I2C также может подавать питание на внешние (маломощные) устройства (например, микроконтроллер) через встроенную схему сбора энергии."

Шаг 4: Расчет индуктивности антенны

Чтобы общаться и получать питание, метка NFC должна иметь антенну. Процедура проектирования антенны начинается с эквивалентной модели чипа NFC и его рамочной антенны:

куда:

• Voc - напряжение холостого хода, индуцированное магнитным полем в рамочной антенне.
• Ra - эквивалентное сопротивление рамочной антенны.
• La - эквивалентная индуктивность рамочной антенны.
• Rs - последовательное эквивалентное сопротивление чипа NFC.
• Cs - последовательная эквивалентная настроечная емкость чипа NFC.

Антенну можно описать индуктором La с очень малым сопротивлением потерь Ra. Когда магнитное поле индуцируется излучателем в рамочной антенне, в нем индуцируется ток, и на его выводах появляется напряжение Voc разомкнутой цепи. Микросхема NFC может быть описана входным резистором Rs и встроенным конденсатором настройки Cs.

Последовательные резисторы Ra и Rs суммируются для последней эквивалентной модели схемы, состоящей из интегральной схемы NFC и ее рамочной антенны:

Резистор Rs ИС NFC вместе с резистором Ra антенны и встроенным конденсатором Cs образуют резонансный контур RLC с катушкой индуктивности La антенны. Дополнительная информация о резонансных цепях RLC объяснена в онлайн-уроках по электронике.

Резонансная частота последовательного RLC-контура определяется формулой:

куда:

• f - резонансная частота (Гц)
• L - эквивалентная индуктивность цепи (H)
• C - эквивалентная емкость цепи (F)

Единственный неизвестный параметр уравнения - это значение индуктивности L. Этот параметр настолько изолирован, что его можно вычислить:

Зная, что рабочая частота NFC составляет 13, 56 МГц и что настроечный конденсатор NT3H1101 - 50 пФ, индуктивность L рассчитывается:

Чтобы резонировать на частоте NFC, антенна визитной карточки на печатной плате должна иметь общую индуктивность 2,75 мкГн.

Шаг 5: Определение формы антенны: геометрические расчеты (1-й метод)

Возможно создание рамочной антенны на печатной плате с определенной индуктивностью, при этом должны соблюдаться геометрические ограничения. Антенна может иметь различную форму: прямоугольную, квадратную, круглую, шестиугольную или даже восьмиугольную. Каждой форме соответствует определенная формула, которая дает эквивалентную индуктивность в зависимости от размера, количества витков, ширины дорожек, толщины меди и многих других параметров …

Для дизайна своей визитной карточки я решил использовать прямоугольную антенну, геометрия которой следующая:

куда:

• a0 и b0 - габаритные размеры антенны (м)
• aavg и bavg - средние размеры антенны (м)
• t - толщина дорожки (м)
• w - ширина колеи (м)
• g - зазор между гусеницами (м)
• Nant - количество витков
• d - эквивалентный диаметр пути (м)

Для этой конкретной геометрии эквивалентная индуктивность Ланта определяется по формуле:

куда:

Чтобы упростить вычисления, я создал инструмент расчета на основе Excel, который автоматически вычисляет эквивалентную индуктивность антенны в соответствии с различными геометрическими параметрами. Этот файл сэкономил мне много времени и усилий, чтобы найти правильную геометрию антенны.

У меня была эквивалентная индуктивность Lant = 2,76 мкГн (достаточно близко) со следующими параметрами:

• a0 = 50 мм
• b0 = 37 мм
• t = 34,79 мкм (1 унция)
• w = 0, 3 мм
• g = 0, 3 мм
• Нант = 5

Если у вас аллергия на математику и вычисления, существуют другие методы, которые подробно описаны в следующих шагах. По-прежнему важно провести расчеты, чтобы больше узнать об основах конструкции антенны;)

Шаг 6: Определение формы антенны: онлайн-калькуляторы (2-й метод)

Альтернативой долгим вычислениям, перенесенным на предыдущем шаге, является существование онлайн-калькуляторов геометрии антенн. Эти калькуляторы созданы отдельными людьми или профессионалами и предназначены для упрощения конструкции антенн. Поскольку сложно проверить, какие вычисления производятся с помощью этих онлайн-калькуляторов, настоятельно рекомендуется использовать калькуляторы, которые показывают используемые ссылки и формулы, или калькуляторы, разработанные специализированными компаниями.

STMicroelectronics предлагает такой калькулятор в своем онлайн-приложении eDesignSuite, чтобы помочь клиентам интегрировать продукты ST в свои схемы. Калькулятор подходит для любого приложения с технологией NFC и, следовательно, может использоваться для чипа NFC от NXP.

С ранее рассчитанными геометрическими значениями результирующая индуктивность, вычисленная приложением eDesignSuite, составляет 2,88 мкГн вместо ожидаемого значения 2,76 мкГн. Эта разница удивительна и ставит под сомнение ранее полученный результат. Формула, используемая приложением, неизвестна, и невозможно провести сравнение с расчетами, сделанными ранее.

Итак, какой из двух методов дает правильный результат?

Никто ! Онлайн-калькуляторы и формулы являются теоретическими инструментами для аппроксимации результата, но для получения ожидаемого результата их необходимо дополнить симуляциями с помощью специализированного программного обеспечения и реальными тестами.

К счастью, уже смоделированные и протестированные решения NFC стали доступны разработчикам электроники и являются предметом следующего шага …

Шаг 7: Определение формы антенны: антенны с открытым исходным кодом (3-й метод)

Чтобы облегчить внедрение своих NFC-микросхем, некоторые производители предоставляют законченные решения для разработчиков электроники, такие как руководства по проектированию, примечания по применению и даже файлы EDA.

Это случай NXP, который предлагает для своего диапазона интегральных схем NFC NTAG полное руководство, включая справочные материалы по конструкции антенн NFC, инструмент расчета на основе Excel для прямоугольных и круглых антенн, файлы gerber и Eagle для различных классов антенн.

Класс определяет факторы формы и размера антенны. Чем больше класс, тем меньше антенна. Для NFC NXP рекомендует использовать антенны «Класс 3», «Класс 4», «Класс 5» или «Класс 6».

Я решил сосредоточиться на прямоугольных антеннах класса 4, размер которых казался адаптированным для моей визитной карточки, которые должны быть расположены в пределах зоны, определенной либо:

• Внешний прямоугольник: 50 х 27 мм
• Внутренний прямоугольник: 35 x 13 мм, с центром во внешнем прямоугольнике, с угловым радиусом 3 мм.

Для этого класса NXP предоставляет файлы Eagle антенны, сделанные их инженерами и уже интегрированные в некоторые из их продуктов. Главное преимущество этой конструкции в том, что она уже смоделирована, исправлена и полностью оптимизирована. Методы тестирования, исправления и оптимизации представлены в доступном документе.

Я решил использовать этот проект с открытым исходным кодом в качестве модели и создать свою собственную версию, чтобы реализовать ее в библиотеке, посвященной проекту.

Шаг 8: Создание Весы Орла

Для того, чтобы нарисовать электронную схему визитки на Орле, необходимо иметь символы и отпечатки пальцев используемых компонентов. Не хватало только антенны и тега NFC, поэтому мне пришлось их создать и включить в библиотеку для проекта.

Я начал с разработки антенны, скопировав прямоугольную антенну с открытым исходным кодом класса 4, предоставленную NXP. Я только изменил положение разъемов и разместил их по длине антенны. Затем я связал пакет с символом катушки и добавил метки имени и значения:

Затем я разработал чип NFC, используя данные, представленные в его техническом описании. Я назвал, определил размер и соединил 8 контактов компонентов, чтобы сформировать размер 1, 6 * 1, 6 мм корпуса XQFN8. Наконец, я связал пакет с символом NTAG и добавил метки имени и значения:

Для получения дополнительной информации о библиотеках Eagle и создании компонентов Autodesk предоставляет учебные пособия на своем веб-сайте.

Шаг 9: Схема

Создание электронной схемы выполняется на печатной плате EAGLE.

После импорта библиотеки "PCB_BusinessCard.lbr", созданной ранее, различные электронные компоненты добавляются в схему.

Интегральная схема NFC NT3H1101, единственный активный компонент схемы, подключается к пассивным компонентам с использованием описаний контактов, приведенных в ее техническом описании:

• Рамочная антенна 2,75 мкГн подключена к контактам LA и LB.
• Выход для сбора энергии VOUT используется для питания микросхемы NFC и поэтому подключен к его выводу VCC.
• Конденсатор 220 нФ подключен между VOUT и VSS, чтобы гарантировать работу во время радиочастотной связи.
• Наконец, светодиод и его последовательный резистор запитываются от VOUT.

Величина сопротивления светодиода рассчитывается по закону Ома в зависимости от параметров светодиода и напряжения питания:

куда:

• R - сопротивление (Ом)
• Vcc - напряжение питания (В)
• Vled - прямое напряжение светодиода (В)
• Iled - прямой ток светодиода (A)

Шаг 10: Дизайн печатной платы: нижняя сторона

Что касается дизайна моей визитной карточки, я хотел добиться чего-то трезвого, но это может показать, насколько я изобретателен в жизни и всегда с новой идеей. Я выбрал дизайн лампы накаливания, символа новой идеи, свет которой может осветить серые области проблемы. Мне также понравился тот факт, что рекрутер мог легко связать мой профиль LinkedIn, появляющийся на его телефоне, с новой хорошей идеей для его компании.

Я начал с разработки излучающей лампочки в программе для векторного рисования Inkscape. Чертеж экспортируется в два файла BitMap, первый из которых содержит только лампочку, а второй - только световые лучи.

Возвращаясь к Eagle, я использовал ULP import-bmp, чтобы импортировать изображения BitMap, созданные Inkscape, в рисунок Eagle. Этот ULP генерирует файл SCRIPT, который рисует небольшие прямоугольники последовательных пикселей с одинаковым цветом, которые в совокупности воссоздают изображение.

• Дизайн лампочки импортирован на 22-й слой «bPlace» и будет отображаться на шелкографии печатной платы белым цветом над черной паяльной маской.
• Рисунок световых лучей импортируется на 16-й слой «Bottom» и будет рассматриваться как медная дорожка, покрытая черной паяльной маской.

Использование слоя меди для изображения позволяет играть с толщиной печатной платы и, таким образом, создавать текстурные и цветовые эффекты, которые обычно невозможны на печатной плате. Художественные доски можно делать с помощью таких трюков, и я был очень вдохновлен некоторыми проектами pcb-art.

Наконец, я нарисовал контуры схемы и добавил свой девиз «Всегда новая идея». на 22 слое «bPlace».

Шаг 11: Дизайн печатной платы: верхняя грань

Поскольку верхняя часть доски лишена компонентов, я смог найти элегантный способ пометить свою классическую контактную информацию: фамилию, имя, должность, адрес электронной почты и номер телефона.

И снова я поиграл с разными слоями печатной платы: я начал с определения частичной заземляющей плоскости. Затем я импортировал текст, содержащий мою контактную информацию, на 29-й слой «tStop», который управляет паяльной маской для верхней грани. Наложение базовой плоскости и текста на слое «tStop» приводит к тому, что буквы появляются на базовой плоскости без паяльной маски на ней, что придает тексту красивый металлический вид.

Но почему бы не нанести заземляющий слой на всю визитку?

Размещение индуктивной антенны на печатной плате требует особого внимания, поскольку радиоволны не могут проходить через металлы, а над или под антенной не должно быть медных пластин.

В следующем примере показана хорошая реализация, в которой передача энергии и связь между считывателем и меткой NFC подходят, потому что никакие медные плоскости не перекрывают антенну.

В следующем примере показана плохая реализация, когда электромагнитный поток не может проходить через антенну. Заземляющий слой на одной стороне печатной платы блокирует передачу энергии между считывателем и антенной метки NFC:

Шаг 12: трассировка печатной платы

Я начал с размещения всех различных компонентов на нижней стороне печатной платы.

Светодиод помещен на нить накаливания лампочки, а другие компоненты расположены максимально незаметно у основания лампочки.

Провода, соединяющие различные пассивные компоненты друг с другом или с меткой NFC, предпочтительно размещать под линиями, рисующими лампу, из эстетических соображений.

Наконец, антенна помещается внизу схемы, вокруг девиза, и подключается к интегральной схеме NFC двумя тонкими проводами.

Дизайн печатной платы готов!

Шаг 13: Создание файлов Гербера

Файлы Gerber - это стандартный файл, используемый промышленным программным обеспечением для печатных плат для описания изображений печатных плат: медных слоев, паяльной маски, легенды и т. Д.

Независимо от того, решите ли вы изготавливать печатную плату дома или поручить процесс производства профессионалу, важно сгенерировать файлы Gerber из печатной платы, ранее сделанной на Eagle.

Экспорт файлов Gerber из Eagle очень прост с использованием встроенного процессора CAM: я использовал файл CAM для двухслойной печатной платы Seeed Fusion, которая содержит все настройки, используемые этим производителем и многими другими. Более подробную информацию о генерации Gerber с помощью этого файла можно найти на веб-сайте Seeed.

Процессор CAM создает файл.zip «NFC_BusinessCard.zip», содержащий 10 файлов, соответствующих следующим слоям печатной платы визитной карточки NFC:

Расширение	Слой
NFC_BusinessCard. GBL	Нижняя медь
NFC_BusinessCard. GBO	Нижняя шелкография
NFC_BusinessCard. GBP	Нижняя паяльная паста
NFC_BusinessCard. GBS	Нижняя паяльная маска
NFC_BusinessCard. GML	Слой мельницы
NFC_BusinessCard. GTL	Верхняя медь
NFC_BusinessCard. GTO	Верхняя шелкография
NFC_BusinessCard. GTP	Верхняя паяльная паста
NFC_BusinessCard. GTS	Верхняя паяльная маска
NFC_BusinessCard. TXT	Файл сверления

Чтобы убедиться, что печатная плата будет выглядеть именно так, как я хотел, я загрузил файлы Gerber в онлайн-программу просмотра Gerber EasyEDA. Я изменил тему на черный, а отделку поверхности на серебристую, чтобы визуализировать окончательный дизайн после изготовления.

Я был очень доволен результатом и решил продолжить производство…

Шаг 14: заказ печатных плат

Так как я хотел получить качественную отделку своих визитных карточек, я доверил процесс изготовления профессионалу.

Многие производители печатных плат теперь предлагают очень конкурентоспособные цены: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay и многие другие… Совет: для сравнения цен и услуг, предлагаемых разными производителями печатных плат, я советую использовать веб-сайт PCB Shopper, который мне очень удобен.

При изготовлении своих визиток я учел важную деталь: многие производители печатных плат позволяют себе наносить номер заказа на шелкографию печатных плат. Это число хоть и невелико, но раздражает, особенно когда печатная плата должна быть эстетичной. Например, у меня был неприятный сюрприз для моих рождественских елок на печатной плате за 1 доллар, заказанных на SeeedStudio.

По опыту я знал, что у Elecrow нет этой дурной привычки, поэтому я решил доверить изготовление своих карт этому производителю и заказал 10 визиток за 4,9 доллара со следующими настройками:

• Слои: 2 слоя
• Размеры: 54 * 86 мм
• Другой дизайн печатной платы: 1
• Толщина печатной платы: 0, 6 мм (самая тонкая из имеющихся)
• Цвет печатной платы: черный
• Обработка поверхности: HASL
• Зубчатое отверстие: Нет
• Вес меди: 1 унция (как выбрано в формуле индуктивности антенны)

Две недели спустя я получил свои печатные платы в идеальном состоянии и без какого-либо раздражающего номера заказа, отмеченного на шелкографии. Пока все хорошо, пора спаять эти платы!

Шаг 15: Пайка чипа NFC

Приз жюри конкурса PCB Contest