Блокировка NFC - когда на печатной плате также есть кнопки, антенна и многое другое : 7 шагов (с изображениями)

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

Вы можете взять одно из двух из этого руководства. Вы можете следовать инструкциям и создать свою собственную комбинацию цифровой клавиатуры и считывателя NFC. Схема здесь. Схема печатной платы здесь. Вы найдете ведомость материалов, чтобы заказать нужные вам детали. Я предоставил код для программирования микроконтроллера. Есть все необходимое для копирования или расширения этого проекта.

Однако я подозреваю, что большинство читателей, скорее всего, просто черпают вдохновение в некоторых ее аспектах. Эта инструкция показывает вам, что печатная плата - это больше, чем просто способ соединить компоненты вместе. Этот маленький прямоугольник из стекловолокна и меди имеет множество других применений, но при этом выполняет свою основную работу по созданию электрических соединений. Я сначала представлю все эти аспекты, прежде чем объединить их в законченный проект. Надеюсь, вам понравится путешествие, и вы, возможно, решите использовать один или два из этих приемов в своем собственном проекте!

Шаг 1: процесс

Так много проектов идут по одной и той же траектории на пути к «завершению», и так многие спотыкаются прямо перед последним препятствием.

Прототип

Сначала прототип. У вас есть идея, и из ящика выскакивает совет для разработки микроконтроллера. Для многих это будет Arduino, но мне больше всего нравится линейка 16-битных маломощных микроконтроллеров TI MSP430. Независимо от вашего выбора, обычно вам поможет совет по развитию. Это означает, что вам не нужно начинать с создания собственной печатной платы, и вы можете проверить теории и потенциальные периферийные устройства. Часто есть Booster Pack / Shield / Hat - или какое-то другое странное название для дочерней платы, которое придумал производитель. Никому не привыкать к макетной плате или шальной проводке.

Вы можете видеть, что здесь я использовал комплект разработчика TI CapTIvate и пакет TRF7970A NFC Booster, чтобы доказать, что эта концепция, вероятно, будет работать.

Вы также получите некоторое доказательство концептуального кода. Это может быть беспорядочно. Он может полагаться на загруженные библиотеки, которые помогут вам в этом. Лично я склонен оставлять его немного несовершенным, потому что я знаю, что у меня впереди несколько недель, ожидающих прибытия печатных плат. Тогда я смогу его привести в порядок.

Дизайн

Далее идет дизайн. Запустите свое любимое программное обеспечение для проектирования печатных плат. В моем случае это Орел. Чтобы перейти от идеи к совершенству, требуется удивительно много времени, и вот в чем заключается наше приключение! Следующие шаги помогут вам извлечь из этого максимальную пользу.

Жду ваших печатных плат

Вы можете протравить свои собственные или сделать их в спешке, но большинство из нас закажет в пансионе в Китае и подождет несколько недель. Пришло время вернуться к этому коду. Он не приберется!

Сборка и отладка

Достаньте паяльник или тостер. Затем вы увидите, работает ли он должным образом. Может быть, вернуться на 2 шага назад. Может быть нет.

Корпус и передняя панель

Так ваша печатная плата выглядит профессионально. Теперь нужен корпус и передняя панель. Может, ты что-нибудь напечатаешь на 3D-принтере. Выглядит неплохо, но не совсем отражает изящество прекрасной печатной платы внутри. Что ж, вот где это руководство действительно поможет!

Шаг 2: ваша печатная плата в качестве передней панели

Раньше паяльная маска была просто зеленой. Шелкография была скорее функциональной, чем декоративной. Печатная плата была чем-то спрятанным, и только гикам вроде нас было бы интересно увидеть ее. Что ж, больше нет!

Многие домики из досок теперь позволяют выбирать из широкого диапазона цветов. Качество шелкографии значительно улучшилось. Допускаются причудливые формы и вырезы. Так почему бы не воспользоваться этим? Если вы тщательно создадите печатную плату, то дом для досок может сделать ваши передние панели за вас!

В моем примере я разместил все компоненты на одной стороне и убедился, что другая сторона выглядит достаточно хорошо, чтобы быть передней частью моего устройства. Тебе не нужно этого делать. Может быть, вы хотите, чтобы красота и ум были на разных досках. Тебе решать.

Я даже видел несколько печатных плат, спаянных вместе, чтобы сформировать весь корпус, но это необычно. Если вы думаете, что можете это сделать - почему бы и нет!

Моя плата довольно проста - просто аккуратная белая шелкография поверх черной паяльной маски. Это соответствовало моему образу. Можно получить широкий спектр цветов и оттенков, комбинируя шелкографию, паяльную маску и медь различными способами. Я оставлю вас в Google "PCB art" и посмотрите некоторые из удивительных творений, которые придумали другие люди! Какими бы впечатляющими они ни были, может быть, не все подходят для передней панели.

Шаг 3: ваша печатная плата в виде кнопок

Возможно, вы заметили, что числа с шелкографией очень похожи на цифровую клавиатуру, и это потому, что они таковы. Если быть точным, это емкостные сенсорные кнопки. Если вы идете по этому пути, вам, вероятно, понадобится микроконтроллер, поддерживающий емкостное прикосновение, хотя при желании можно «развернуть свое собственное» емкостное распознавание прикосновения.

Все емкостные сенсорные кнопки состоят из нескольких дорожек на печатной плате, которые размещены так, чтобы иметь обнаруживаемую емкость либо по отношению к земле (известная как собственная емкость), либо к другой дорожке (известная как взаимная емкость).

Я начал свой дизайн, следуя руководству TI CapTIvate для их устройства MSP430FR2633, но если вы используете другой микроконтроллер, вероятно, стоит взглянуть на руководства и эталонные проекты, предоставленные производителем. Предоставляется не только руководство по компоновке печатной платы, но и даже Центр проектирования CapTIvate, который сгенерирует некоторый шаблонный код, соответствующий вашему оборудованию.

Вы заметите, что суть кнопки - это всего лишь два медных круга, расположенных довольно близко друг к другу. Если поднести палец ближе, емкость между ними уменьшится. MSP430 использует источник постоянного тока для зарядки этого конденсатора и измеряет, насколько быстро изменяется напряжение на нем. Библиотека CapTIvate упрощает превращение этого в обнаруженные нажатия кнопок.

Я разработал специальную часть в Eagle, чтобы упростить добавление двенадцати из этих кнопок и чтобы я мог использовать их в будущих проектах.

Шаг 4: ваша печатная плата как светодиодный диффузор

Внимательные из вас, возможно, заметили небольшой круглый патч, на котором отсутствует черная паяльная маска с обеих сторон печатной платы. Как и почти в любом другом электронном дизайне, мне требовалась визуальная обратная связь для пользователя. Я выбрал светодиод RGB, и у меня было несколько вариантов для этого.

• Я мог бы использовать светодиод со сквозным отверстием и вырезать отверстие, чтобы он проткнулся. Я не уверен, как бы подключить его без другой печатной платы.
• Я мог бы использовать светодиод для поверхностного монтажа. Тогда у меня были бы некоторые следы и светодиод, испорченный моей аккуратной передней панелью.
• Я мог бы использовать светодиод обратного монтажа.

Некоторым из вас может быть интересно, что такое светодиод с обратным креплением. Ну, это перевернутый светодиод для поверхностного монтажа, который светит обратно на печатную плату, на которой он установлен. Какие?! Почему ты бы так поступил? Что ж, он убирает его с другой стороны печатной платы. В большинстве конструкций в печатной плате по-прежнему будет отверстие для светодиода, но я решил просто удалить медь и паяльную маску и посмотреть, достаточно ли прозрачен материал печатной платы, чтобы светодиоды просвечивали сквозь них. Спойлер - это было! Я уверен, что он был бы немного ярче с отверстием, но его достаточно легко увидеть при солнечном свете через 1,6 мм FR4. Он тоже хорошо рассеян.

Ему действительно нужна была специальная деталь, разработанная для Eagle, чтобы гарантировать, что под ней не было меди или паяльной маски, но все, что для этого потребовалось, - это пара кружков на слоях Restrict и Keepout с обеих сторон. Вы найдете эту настраиваемую часть в прилагаемой библиотеке Eagle.

Шаг 5: ваша печатная плата в качестве антенны

В использовании дорожки печатной платы в качестве антенны нет ничего нового. В пакете NFC Booster, который я использовал, он есть. Вы найдете их в большинстве коммерческих ридеров NFC. Одна проблема, которую я обнаружил, заключается в том, что они настроены для соответствия наиболее распространенным форматам тегов NFC - картам и брелокам. Я достаточно фанатичен, чтобы иметь в руке имплантированную маленькую метку NFC. Подробности здесь, если не брезгливо. Я также сделал предыдущий проект, используя индуктор с проволочной обмоткой в качестве антенны. В этом проекте я хотел посмотреть, можно ли создать антенну для печатной платы, которая хорошо сочеталась бы с крошечной имплантированной меткой.

Во-первых, я решил создать дорожку на печатной плате, которая физически меньше тех, что вы обычно видите. Индуктивность важна при настройке антенны, поэтому я использую онлайн-калькулятор индуктивности для печатных плат и стараюсь, чтобы около 1 мкГн было примерно таким же, как у проволочной намотки, которую я использовал раньше. Я использовал L_Calculate от TI, и он сказал мне, что 7 витков при среднем размере 9 мм x 6,5 мм с шириной следа 0,1524 должны составлять 950 нГн. Достаточно близко.

Когда я получил обратно печатные платы, они измеряли 0,627 мкГн при сопротивлении 0,867 Ом. Пришло время решить, как должна выглядеть согласующая сеть, чтобы TRF7970A видел 50 Ом. Согласование антенн - это отдельная тема, поэтому я не буду сейчас вдаваться в подробности, но если вам интересно, я рассмотрел, как настроить антенну, не прибегая к дорогостоящему ВАЦ.

Достаточно сказать, что ваша печатная плата может быть использована для создания недорогой антенны, будь то индукционная катушка для RFID (не строго антенна) или для WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz и т. Д. Еще раз, я бы предложил, чтобы если он вам нужен, начните с примечаний к дизайну для любого устройства, которое вы используете. Производитель хочет, чтобы вы купили его компоненты, чтобы они были большим подспорьем, когда дело доходит до их использования.

Шаг 6: ваша печатная плата в качестве заголовка отладки

Как только вы добавите микроконтроллер в свой проект, у вас возникнет проблема, как разместить на нем свой код. Часто хорошая низкопрофильная печатная плата заканчивается толстым штыревым наконечником на ней. Часто это также версии со сквозными отверстиями, так что ваша прекрасная аккуратная печатная плата пострадала с обеих сторон. Очевидно, так как я хотел, чтобы одна сторона была моей передней панелью, сквозное отверстие было наружу. Штыревые разъемы для поверхностного монтажа могут привести к отслаиванию следов, особенно если вы, вероятно, будете подключаться и отключаться несколько раз.

К счастью, есть альтернатива - булавки pogo. Эти подпружиненные контакты обеспечивают хороший электрический контакт с вашей платой. Это может быть недостаточно тихо для постоянного соединения, но, безусловно, для программирования. Я видел pogo-пины, используемые со специальным приспособлением как для программирования, так и для тестирования производственной платы. Я даже видел, как они вешались на прищепку для очень самодельного вида программиста. Однако я использовал коммерческий продукт, доступный для многих семейств микроконтроллеров - Tag Connect. Для этого действительно требуется несколько крошечных отверстий для выравнивания на вашей плате, поэтому это может быть не идеально, если вам нужна водонепроницаемая передняя панель, но я решил, что это подойдет для этого проекта.

Все, что требуется, - это отпечаток печатной платы, и готово! Отверстия вполне соответствуют требованиям панельного дома и, возможно, даже домашнего травления.

Шаг 7: готовая печатная плата

Итак, после объединения всех этих идей печатных плат в один проект - вот окончательный результат. Он реагирует либо на правильный тег NFC, либо на код входа и открывает дверь. Дверь работает отдельно, потому что она будет управлять несколькими разными дверями несколькими разными способами. Дверь в мой дом будет иметь электромагнитный расцепитель, как в многоквартирном доме с системой внутренней связи.

Я кайтсерфер, поэтому часто оказываюсь в океане, и всегда сложно понять, что делать с ключами. С меткой NFC в руке ключ всегда с собой! В моем фургоне он подключается к центральному замку.

Для вашей собственной двери вы можете выбрать подходящий способ открыть или отпереть ее.

Вы найдете все необходимое для репликации (или адаптации) этого проекта в этом репозитории GitHub.

Я надеюсь, вам понравилось читать об этом проекте, и что он вдохновил вас на воплощение некоторых идей в ваших собственных печатных платах. Если да, дайте мне знать в комментариях ниже. Пожалуйста, также ознакомьтесь с записями в конкурсе PCB и проголосуйте за то, что вы считаете лучшим. Я надеюсь, что это будет моя, но я уверен, что там есть много других хороших записей.

Финалист в конкурсе печатных плат