Card de vizită PCB cu NFC: 18 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Ajuns la sfârșitul studiilor, a trebuit recent să caut un stagiu de șase luni în domeniul ingineriei electronice. Pentru a face o impresie și a-mi maximiza șansele de a fi recrutat în compania viselor mele, am avut ideea să-mi fac propria carte de vizită. Am vrut să fac ceva unic, util și capabil să-mi demonstrez abilitățile de proiectare a circuitelor electronice cărora le voi înmâna.

În urmă cu trei ani, în timp ce navigam pe Instructables, am găsit un proiect foarte interesant realizat de Joep1986, intitulat „Card de vizită digital cu NFC”. Acest proiect a presupus încorporarea unei etichete NFC într-o carte de vizită de hârtie pentru a partaja informațiile de contact cu un telefon echipat cu tehnologie NFC. Am găsit acest proiect foarte inspirat și m-am gândit să înlocuiesc eticheta NFC generică cu un circuit personalizat al invenției mele.

Așa am venit cu ideea de a-mi crea propria carte de vizită pe o placă cu circuite imprimate, capabilă să trimită instantaneu profilul meu LinkedIn pe smartphone-ul unui recrutor folosind tehnologia NFC.

Acest instructabil acoperă fiecare pas pe care l-am urmat pentru a-mi imagina, proiecta și crea cartea de vizită PCB cu NFC, de la calculul parametrilor antenei până la programarea cipului NFC prin designul PCB texturat.

Pasul 1: DOM, instrumente și abilități necesare

Vei avea nevoie:

Instrumente necesare:

• ciocan de lipit
• instrument de refacere a aerului cald
• pasta de lipit
• flux de lipit
• sârmă de lipit
• pensete lungi pentru nas
• pensete încrucișate
• alcool izopropilic
• un sfat Q
• o scobitoare
• un telefon cu NFC

Instrumente opționale (dar la îndemână):

• Extractor de fum
• Sticlă magnifică

Aptitudini:

Abilități de lipit SMD

Proiect de lege de materiale:

Componenta	Pachet	Referinţă	Cantitate	Furnizor
Cip NFC 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Prinzător de şoareci
LED galben	0805	APT2012SYCK / J3-PRV	1	Prinzător de şoareci
Rezistor de 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Prinzător de şoareci
Condensator 220 nF	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Prinzător de şoareci
PCB	-	-	1	Elecrow

Pasul 2: Tehnologia NFC

Ce este NFC?

NFC este un acronim pentru Near Field Communication. Este o tehnologie radio cu rază scurtă de acțiune care permite comunicarea între dispozitivele care sunt ținute în imediata apropiere (<10 cm). Sistemele NFC se bazează pe RFID tradițional de înaltă frecvență (HF), care funcționează la 13, 56 MHz.

În prezent, standardul NFC acceptă rate de transmisie a datelor diferite de până la 424 kbit / s. Mecanismul principal al comunicării NFC între două dispozitive este același cu RFID-ul tradițional de 13, 56 MHz, unde există atât un master, cât și un slave. Maestrul este numit emițător sau cititor / scriitor, iar sclavul este o etichetă sau un card.

Cum functioneazã ?

NFC implică întotdeauna un inițiator și o țintă: inițiatorul (emițătorul) generează în mod activ un câmp RF care poate alimenta o țintă pasivă (etichetă) folosind inducția electromagnetică între două antene buclă:

Antenele emițătorului și etichetei sunt cuplate printr-un câmp electromagnetic și acest sistem poate fi privit cel mai bine ca un transformator de miez de aer în care cititorul acționează ca înfășurarea primară și eticheta ca înfășurarea secundară: curentul alternativ care trece prin primar bobina (Emitter) induce un câmp în aer, inducând curent în bobina secundară (Tag). Eticheta poate folosi curentul din câmp pentru a se alimenta singură: în acest caz, nu este necesară bateria pentru a o accesa, nici în modul de citire, nici în modul de scriere. Cipul de etichetă NFC atrage toată puterea necesară pentru a opera din câmpul magnetic generat de cititor prin antena sa de buclă.

Unde se folosește NFC?

NFC este o tehnologie în creștere, cu necesitatea conectării fără fir a dispozitivelor electronice. NFC a fost integrat pe scară largă în smartphone-uri pentru a interacționa cu dispozitivele fizice compatibile cu NFC și pentru a oferi noi servicii precum plata fără contact.

Întrucât etichetele NFC nu trebuie să integreze o sursă de alimentare, deoarece pot fi alimentate de energia emisă de cititor, pot lua factori de formă foarte simpli, cum ar fi etichetele, autocolantele, cardurile sau chiar inelele care nu sunt alimentate.

Mi-a plăcut foarte mult faptul că etichetele NFC nu încorporează celule buton poluante pentru a funcționa, ci folosesc doar energia transmițătorului.

Pasul 3: Cipul NFC

IC NFC

Cipul NFC este inima cărții de vizită.

Cerința mea a fost:

• un mic pachet SMD
• suficientă memorie pentru un link către profilul meu LinkedIn
• modul de recoltare a energiei încorporat

După ce am comparat mai multe module NFC, am optat pentru NTAG NT3H1101 IC de la NXP. Conform fișei sale tehnice:

„NTAG I2C este primul produs al familiei NTAG NXP care oferă atât interfețe contactless, cât și interfețe de contact (vezi Figura 1). În plus față de interfața contactless compatibilă NFC Forum, IC are o interfață de contact I2C, care poate comunica cu un microcontroler dacă NTAG I2C este alimentat de la o sursă de alimentare externă. Un SRAM suplimentar alimentat extern mapat în memorie permite un transfer rapid de date între interfețele RF și I2C și invers, fără limitările ciclului de scriere ale memoriei EEPROM. Caracteristicile produsului NTAG I2C un pin configurabil de detectare a câmpului, care oferă un declanșator către un dispozitiv extern în funcție de activitățile de la interfața RF."

Pasul 4: Calculul inductanței antenei

Pentru a comunica și a fi alimentat, o etichetă NFC trebuie să aibă o antenă. Procedura de proiectare a antenei începe cu modelul echivalent al cipului NFC și al antenei sale de buclă:

Unde:

• Voc este tensiunea de circuit deschis indusă de câmpul magnetic din antena buclă
• Ra este rezistența echivalentă a antenei de buclă
• La este inductanța echivalentă a antenei de buclă
• Rs este rezistența echivalentă serială a cipului NFC
• Cs este capacitatea de reglare echivalentă serială a cipului NFC

Antena poate fi descrisă de un inductor La cu un rezistor de pierdere foarte mic Ra. Când un câmp magnetic este indus de emițător în antena buclă, un curent este indus în ea și o tensiune de circuit deschis Voc apare la bornele sale. Cipul NFC poate fi descris de un rezistor de intrare Rs și de un condensator de reglare încorporat Cs.

Rezistoarele de serie Ra și Rs sunt însumate pentru ultimul model echivalent al circuitului format din circuitul integrat NFC și antena sa de buclă:

Rezistorul IC NFC R, împreună cu rezistorul antenei Ra și condensatorul încorporat Cs formează un circuit rezonant RLC cu inductorul La al antenei. Mai multe informații despre circuitele de rezonanță RLC sunt explicate în tutorialele electronice online.

Frecvența de rezonanță a unui circuit RLC de serie este dată de formula:

Unde:

• f este frecvența de rezonanță (Hz)
• L este inductanța echivalentă a circuitului (H)
• C este capacitatea echivalentă a circuitului (F)

Singurul parametru necunoscut al ecuației este valoarea inductanței L. Acesta este atât de izolat pentru a putea fi calculat:

Știind că frecvența de funcționare NFC este de 13, 56 MHz și că condensatorul de reglare NT3H1101 este de 50 pF, se calculează inductanța L:

Pentru a rezona la frecvența NFC, antena cardului de vizită PCB trebuie să aibă o inductanță totală de 2, 75 μH.

Pasul 5: Definirea formei antenei: calcule geometrice (prima metodă)

Este posibilă proiectarea unei antene de buclă pe un PCB cu o inductanță specifică și trebuie să respecte constrângerile geometrice. O antenă poate lua diferite forme: dreptunghiulară, pătrată, rotundă, hexagonală sau chiar octogonală. Pentru fiecare formă corespunde o formulă specifică care dă inductanța echivalentă în funcție de dimensiune, numărul de ture, lățimea pistelor, grosimea cuprului și mulți alți parametri …

Pentru proiectarea cărții mele de vizită, am ales să folosesc o antenă dreptunghiulară a cărei geometrie este următoarea:

Unde:

• a0 și b0 sunt dimensiunile generale ale antenei (m)
• aavg & bavg sunt dimensiunile medii ale antenei (m)
• t este grosimea pistei (m)
• w este lățimea pistei (m)
• g este decalajul dintre șine (m)
• Nant este numărul de ture
• d este diametrul echivalent al pistei (m)

Pentru această geometrie specifică, inductanța echivalentă Lant este dată de formula:

Unde:

Pentru a face calculele mai ușoare, am creat un instrument de calcul bazat pe Excel, care calculează automat inductanța echivalentă a antenei în funcție de diferiții parametri geometrici. Acest fișier mi-a salvat mult timp și eforturi pentru a găsi geometria corectă a antenei.

Am avut o inductanță echivalentă Lant = 2, 76 μH (suficient de apropiată) cu următorii parametri:

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

Dacă sunteți alergic la matematică și calcule, există alte metode și sunt detaliate în pașii următori. Este încă important să parcurgeți calculele pentru a afla mai multe despre elementele de bază ale proiectării antenei;)

Pasul 6: Definirea formei antenei: Calculatoare online (a doua metodă)

O alternativă la calculele lungi suportate în pasul anterior este existența calculatoarelor de geometrie a antenei online. Aceste calculatoare sunt realizate de persoane fizice sau profesioniști și sunt destinate simplificării proiectării antenelor. Deoarece este dificil de verificat ce calcule fac aceste calculatoare online, este foarte recomandat să utilizați calculatoare care să arate referințe și formule utilizate sau cele dezvoltate de companii specializate.

STMicroelectronics oferă un astfel de calculator în aplicația sa online eDesignSuite pentru a ajuta clienții să integreze produsele ST în circuitul lor. Calculatorul este valabil pentru orice aplicație cu tehnologie NFC și, prin urmare, poate fi utilizat pentru cipul NFC de la NXP.

Cu valorile geometrice calculate anterior, inductanța rezultată calculată de aplicația eDesignSuite este de 2, 88 μH în loc de valoarea așteptată de 2, 76 μH. Această diferență este surprinzătoare și pune la îndoială rezultatul obținut anterior. Formula utilizată de aplicație este necunoscută și este imposibil să se facă comparația cu calculele făcute anterior.

Deci, care dintre cele două metode oferă un rezultat corect?

Nici unul ! Calculatoarele și formulele online sunt instrumente teoretice pentru aproximarea unui rezultat, dar trebuie completate prin simulări cu software specializat și teste reale pentru a obține rezultatul scontat.

Din fericire, soluțiile NFC deja simulate și testate au fost puse la dispoziția designerilor de electronice și fac obiectul următorului pas …

Pasul 7: Definirea formei antenei: antene open source (a treia metodă)

Pentru a facilita implementarea IC-urilor NFC, unii producători oferă soluții complete pentru proiectanții de electronice, precum ghiduri de proiectare, note de aplicație și chiar fișiere EDA.

Acesta este cazul NXP, care oferă pentru gama sa de circuite integrate NFC NTAG un ghid complet care include referințe pentru proiectarea antenelor NFC, instrument de calcul bazat pe excel pentru antene dreptunghiulare și rotunde, fișiere gerber și Eagle pentru diferite clase de antene.

O clasă definește forma și dimensiunea factorilor unei antene. Cu cât este mai mare clasa, cu atât este mai mică antena. Pentru NFC, NXP recomandă utilizarea antenelor „Clasa 3”, „Clasa 4”, „Clasa 5” sau „Clasa 6”.

Am decis să mă concentrez pe antenele dreptunghiulare de clasa 4, ale căror dimensiuni păreau adaptate pentru cartea mea de vizită, care va fi amplasată într-o zonă definită fie:

• Dreptunghi exterior: 50 x 27mm
• Dreptunghi intern: 35 x 13mm, centrat în dreptunghiul extern, cu o rază de colț de 3mm

Pentru această clasă, NXP oferă fișierele Eagle ale unei antene realizate de inginerii lor și deja integrate în unele dintre produsele lor. Principalul avantaj al acestui design este că a fost deja simulat, corectat și complet optimizat. Metodele de testare, corecțiile și optimizările sunt prezentate într-un document disponibil, de asemenea.

Am decis să folosesc acest design open source ca model și să creez propria versiune pentru a o implementa într-o bibliotecă dedicată proiectului.

Pasul 8: Crearea Eagle Librairy

Pentru a desena circuitul electronic al cărții de vizită pe Eagle, este necesar să aveți simbolurile și amprentele componentelor utilizate. Lipseau doar antena și eticheta NFC, așa că a trebuit să le creez și să le includ într-o bibliotecă pentru proiect.

Am început prin proiectarea antenei prin copierea antenei dreptunghiulare open-source clasa 4 oferită de NXP. Am schimbat doar poziția conectorilor și i-am așezat pe lungimea antenei. Apoi, am asociat pachetul cu simbolul unei bobine și am adăugat etichetele de nume și valoare:

Apoi, am proiectat cipul NFC folosind datele furnizate în foaia sa tehnică. Am numit, dimensionat și asamblat cei 8 pini ai componentelor pentru a forma amprenta de 1, 6 * 1, 6 mm a pachetului XQFN8. În cele din urmă, am asociat pachetul cu simbolul NTAG și am adăugat etichetele de nume și valoare:

Pentru mai multe informații despre bibliotecile Eagle și crearea componentelor, Autodesk oferă tutoriale pe site-ul său web.

Pasul 9: Schematic

Crearea schemei electronice se face pe EAGLE PCB.

După importarea bibliotecii „PCB_BusinessCard.lbr” creată anterior, diferitele componente electronice sunt adăugate la schemă.

Circuitul integrat NFC NT3H1101, singura componentă activă a circuitului, este conectat la componentele pasive utilizând descrierile pinilor săi din foaia sa tehnică:

• Antena buclă de 2, 75 μH este conectată la pinii LB și LB.
• Ieșirea de recoltare a energiei VOUT este utilizată pentru alimentarea cipului NFC și, prin urmare, este conectată la pinul său VCC.
• Un condensator de 220 nF este conectat între VOUT și VSS pentru a garanta funcționarea în timpul comunicării RF.
• În cele din urmă, LED-ul și rezistorul său de serie sunt alimentate de VOUT.

Valoarea rezistenței LED-ului este calculată cu legea ohmului în funcție de parametrii LED-ului și de tensiunea de alimentare:

Unde:

• R este rezistența (Ω)
• Vcc este tensiunea de alimentare (V)
• Vled este tensiunea LED înainte (V)
• Iled este LED-ul curent înainte (A)

Pasul 10: Design PCB: Față de jos

Pentru proiectarea cărții mele de vizită, am vrut să obțin ceva sobru, dar care să poată arăta cât de inventiv sunt în viață și întotdeauna cu o idee nouă în minte. Am ales designul becului incandescent, simbol al unei noi idei a cărei lumină poate lumina zonele gri ale unei probleme. Mi-a plăcut și faptul că un recrutor ar putea asocia cu ușurință profilul meu LinkedIn care apare pe telefonul său cu o nouă idee bună pentru compania sa.

Am început prin proiectarea unui bec cu radiații pe software-ul de desenare vectorială Inkscape. Desenul este exportat în două fișiere BitMap, primul conținând doar becul și al doilea doar razele de lumină.

Înapoi la Eagle, am folosit import-bmp ULP pentru a importa imaginile BitMap generate de Inkscape într-un desen Eagle. Acest ULP generează un fișier SCRIPT care desenează dreptunghiuri mici de pixeli succesivi cu culori identice care combinate, recreează imaginea.

• Designul becului este importat pe cel de-al 22-lea strat „bPlace” și va apărea pe serigrafia PCB în alb, deasupra măștii de lipit negre.
• Desenul razelor de lumină este importat pe stratul al 16-lea „Jos” și va fi considerat ca o pistă de cupru acoperită de masca de lipit negru.

Utilizarea stratului de cupru pentru o imagine permite să se joace cu grosimea PCB-ului și astfel să se creeze efecte de textură și culoare care sunt în mod normal imposibile pe un PCB. Tablele artistice pot fi realizate cu astfel de trucuri și am fost extrem de inspirat de unele proiecte pcb-art.

În cele din urmă, am desenat contururile circuitului și mi-am adăugat motto-ul „Întotdeauna o idee nouă”. pe al 22-lea strat „bPlace”.

Pasul 11: Design PCB: față superioară

Deoarece fața superioară a plăcii este lipsită de componente, am fost liber să găsesc o modalitate elegantă de a marca informațiile mele clasice de contact: nume, prenume, titlu, e-mail și număr de telefon.

Încă o dată, m-am jucat cu diferitele straturi ale PCB-ului: am început prin definirea unui plan de masă parțial. Apoi, am importat un text care conține informațiile mele de contact pe stratul 29 „tStop”, care controlează masca de lipit pentru fața superioară. Suprapunerea planului de masă și a textului de pe stratul „tStop” determină apariția literelor pe planul de masă fără masca de lipit pe acesta, conferind textului un aspect metalic strălucitor.

Dar de ce nu puneți planul de sol pe întreaga carte de vizită?

Dispunerea unei antene inductive pe un PCB necesită o atenție specială, deoarece undele radio nu pot trece prin metale și nu trebuie să existe planuri de cupru deasupra sau dedesubtul antenei.

Următorul exemplu arată o implementare bună, în care transferul de energie și comunicarea dintre cititor și eticheta NFC sunt potrivite, deoarece nu există planuri de cupru care se suprapun pe antenă.

Următorul exemplu arată o implementare defectuoasă, în care fluxul electromagnetic nu poate curge prin antenă. Planul de masă de pe o parte a PCB blochează transferul de energie între cititor și antena etichetei NFC:

Pasul 12: Rutare PCB

Am început prin plasarea tuturor componentelor diferite pe fața inferioară a PCB-ului.

LED-ul este plasat pe filamentul becului, iar celelalte componente sunt dispuse în modul cel mai discret posibil la baza becului.

Sârmele care leagă diferitele componente pasive între ele sau cu eticheta NFC sunt plasate de preferință sub liniile care trasează becul din motive estetice.

În cele din urmă, antena este plasată în partea de jos a circuitului, în jurul motto-ului și conectată la circuitul integrat NFC prin două fire subțiri.

Proiectarea PCB-ului este acum terminată!

Pasul 13: Generarea fișierelor Gerber

Fișierele Gerber sunt fișierele standard utilizate de software-ul industriei de circuite imprimate pentru a descrie imaginile PCB: straturi de cupru, mască de lipit, legendă, etc …

Fie că alegeți să vă fabricați PCB-ul acasă sau să încredințați procesul de fabricație unui profesionist, este esențial să generați fișierele Gerber din PCB realizate anterior pe Eagle.

Exportarea fișierelor Gerber de la Eagle este foarte simplă folosind procesorul CAM încorporat: am folosit fișierul CAM pentru PCB cu 2 straturi Seeed Fusion care conțin toate setările utilizate de acest producător și de mulți alții. Mai multe informații despre generația Gerber cu acest fișier pot fi găsite pe site-ul Seeed.

Procesorul CAM generează un fișier.zip „NFC_BusinessCard.zip” care conține 10 fișiere care corespund următoarelor straturi ale PCB-ului cardului de vizită NFC:

Extensie	Strat
NFC_BusinessCard. GBL	Cupru inferior
NFC_BusinessCard. GBO	Serigrafie de jos
NFC_BusinessCard. GBP	Lipire de lipit de jos
NFC_BusinessCard. GBS	Soldermask de jos
NFC_BusinessCard. GML	Strat de moară
NFC_BusinessCard. GTL	Cupru de top
NFC_BusinessCard. GTO	Silkscreen de sus
NFC_BusinessCard. GTP	Pasta de lipit de sus
NFC_BusinessCard. GTS	Top Soldermask
NFC_BusinessCard. TXT	Drill File

Pentru a fi sigur că PCB va arăta exact așa cum am vrut, am încărcat fișierele Gerber în vizualizatorul Gerber online al EasyEDA. Am schimbat tema în negru și finisajul suprafeței în argint pentru a vizualiza designul final după fabricare.

Am fost foarte fericit cu rezultatul și am decis să continui cu etapa de fabricație …

Pasul 14: Comandarea PCB-urilor

Întrucât doream un finisaj de calitate pentru cărțile mele de vizită, am încredințat procesul de fabricație unui profesionist.

Mulți producători de PCB oferă acum prețuri foarte competitive: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay și mulți alții … Sfat: Pentru a compara prețurile și serviciile oferite de diferiți producători de PCB, vă sfătuiesc să folosiți site-ul PCB Shopper, care mi se pare foarte la îndemână.

Pentru fabricarea cărților mele de vizită, am luat în considerare un detaliu important: mulți producători de PCB-uri își permit să marcheze numărul de comandă pe serigrafia PCB. Acest număr, deși mic, este enervant mai ales atunci când PCB-ul trebuie să fie estetic. De exemplu, am avut această surpriză proastă pentru copacii de Crăciun din PCB de 1 USD, comandați pe SeeedStudio.

Din experiență, știam că Elecrow nu avea acest obicei prost și așa că am decis să încredințez fabricarea cardurilor mele acestui producător și am comandat 10 cărți de vizită pentru 4,9 USD cu următoarele setări:

• Straturi: 2 straturi
• Dimensiuni: 54 * 86 mm
• Design diferit de PCB: 1
• Grosime PCB: 0, 6 mm (cea mai subțire disponibilă)
• Culoare PCB: Negru
• Finisaj de suprafață: HASL
• Găurit gătit: Nu
• Greutate cupru: 1 oz (așa cum este ales în formula de inductanță a antenei)

Două săptămâni mai târziu, am primit PCB-urile făcute perfect și fără niciun număr de comandă enervant marcat pe serigrafie. Până acum, bine, e timpul să lipiți aceste plăci!

Pasul 15: lipirea cipului NFC

Premiul Judecătorilor la Concursul PCB