NYÁK névjegykártya NFC -vel: 18 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

Tanulmányaim végére érve nemrég egy hat hónapos szakmai gyakorlatot kellett keresnem az elektronikai mérnöki területen. Hogy benyomást kelthessek és maximalizáljam az esélyeimet, hogy álmaim társaságában toborozzanak, az volt az ötletem, hogy elkészítem saját névjegykártyámat. Valami egyedit, hasznosat akartam készíteni, és be tudom mutatni az elektronikus áramkör tervezési készségeimet, akiknek átadom.

Három évvel ezelőtt az Instructables böngészése közben találtam egy nagyon érdekes projektet, amelyet Joep1986 készített, "Digital Business Card With NFC" címmel. Ez a projekt magában foglalta az NFC címke beágyazását egy papír névjegykártyába, hogy megosszák az elérhetőségi adatokat egy NFC technológiával felszerelt telefonnal. Nagyon inspirálónak találtam ezt a projektet, és úgy gondoltam, hogy az általános NFC -címkét lecserélem a találmányom egyedi áramkörére.

Így merült fel bennem az ötlet, hogy saját névjegykártyát hozok létre egy nyomtatott áramkörön, amely képes egy pillanat alatt elküldeni a LinkedIn -profilomat egy toborzó okostelefonján, NFC technológiát használva.

Ez az útmutató tartalmazza az összes lépést, amelyet követtem a PCB névjegykártyám NFC -vel való elképzeléséhez, tervezéséhez és létrehozásához, az antenna paraméterek számításától az NFC chip programozáson keresztül a texturált NYÁK -tervezésen keresztül.

1. lépés: BOM, eszközök és szükséges készségek

Szükséged lesz:

Szükséges eszközök:

• forrasztópáka
• forró levegő utómunkáló szerszám
• forrasztópaszta
• forrasztási fluxus
• forrasztó huzal
• hosszú orrcsipesz
• keresztzáró csipesz
• izopropil-alkohol
• egy Q-tipp
• egy fogpiszkáló
• egy telefon NFC -vel

Opcionális (de praktikus) eszközök:

• Füstelszívó
• Csodálatos üveg

Készségek:

SMD forrasztási ismeretek

Darabjegyzékben:

Összetevő	Csomag	Referencia	Mennyiség	Támogató
NFC chip 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Sárga LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 Ω ellenállás	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF kondenzátor	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
NYÁK	-	-	1	Elecrow

2. lépés: Az NFC technológia

Mi az NFC?

Az NFC a Near Field Communication rövidítése. Ez egy rövid hatótávolságú rádiótechnológia, amely lehetővé teszi a kommunikációt a közelben (<10 cm) tartott eszközök között. Az NFC rendszerek a hagyományos nagyfrekvenciás (HF) RFID -n alapulnak, 13, 56 MHz -en működnek.

Jelenleg az NFC szabvány támogatja a különböző adatátviteli sebességeket 424 kbit/s -ig. A két eszköz közötti NFC kommunikáció elvi mechanizmusa megegyezik a hagyományos 13, 56 MHz -es RFID -vel, ahol van master és slave is. A mestert emitternek vagy olvasónak/írónak hívják, a szolga pedig címke vagy kártya.

Hogyan működik ?

Az NFC mindig magában foglal egy kezdeményezőt és egy célpontot: a kezdeményező (Emitter) aktívan generál egy RF mezőt, amely képes működtetni egy passzív célt (Tag) elektromágneses indukció segítségével két hurok antenna között:

Az emitter és a címke antennái elektromágneses mezőn keresztül vannak összekapcsolva, és ez a rendszer leginkább légmagos transzformátornak tekinthető, ahol az olvasó elsődleges tekercsként és a címke másodlagos tekercsként működik: az elsődlegesen áthaladó váltakozó áram tekercs (Emitter) mezőt indukál a levegőben, áramot indukálva a másodlagos tekercsben (Tag). A címke felhasználhatja a mező áramát a tápellátáshoz: ebben az esetben nincs szükség akkumulátorra a hozzáféréshez, sem olvasási, sem írási módban. Az NFC címkechip az olvasó által generált mágneses mezőből a hurokantennán keresztül minden energiát felvesz a működéshez.

Hol használják az NFC -t?

Az NFC egyre növekvő technológia, és szükség van elektronikus eszközök vezeték nélküli csatlakoztatására. Az NFC -t széles körben integrálták az okostelefonokba, hogy kölcsönhatásba léphessenek az NFC -kompatibilis fizikai eszközökkel, és olyan új szolgáltatásokat nyújtsanak, mint az érintéses fizetés.

Mivel az NFC -címkéknek nem kell áramforrást integrálniuk, mert az olvasó által kibocsátott energiából táplálkozhatnak, nagyon egyszerű formákat vehetnek fel, például áramtalan címkéket, matricákat, kártyákat vagy akár gyűrűket.

Nagyon tetszett az a tény, hogy az NFC -címkék nem ágyazzák be a szennyező gombcellákat, hanem csak az adó energiáját használják fel.

3. lépés: Az NFC chip

NFC IC

Az NFC chip a névjegykártya szíve.

A követelményem a következő volt:

• egy kis SMD csomag
• elegendő memória a LinkedIn -profilom linkjéhez
• beépített energiagyűjtő modul

Több NFC modul összehasonlítása után az NXP NTAG NT3H1101 IC -jét választottam. Adatlapja szerint:

"Az NTAG I2C az NXP NTAG családjának első terméke, amely érintésmentes és érintkezős interfészeket is kínál (lásd az 1. ábrát). A passzív NFC Forum -kompatibilis érintéses interfészen kívül az IC -n van egy I2C érintkező interfész, amely képes kommunikálni egy mikrokontrollerrel, ha az NTAG I2C külső tápegységről táplálkozik. A memóriába leképezett további külső tápellátású SRAM gyors adatátvitelt tesz lehetővé az RF és I2C interfészek között és fordítva, az EEPROM memória írási ciklusának korlátozása nélkül. konfigurálható mezőérzékelő csap, amely az RF interfészen végzett tevékenységektől függően kiváltó jelet biztosít egy külső eszköz számára."

4. lépés: Az antenna induktivitásának kiszámítása

A kommunikációhoz és a tápellátáshoz az NFC -címkének rendelkeznie kell antennával. Az antenna tervezési eljárás az NFC chip megfelelő modelljével és hurokantennájával kezdődik:

ahol:

• A Voc a nyitott áramkör feszültsége, amelyet a hurokantennában lévő mágneses mező indukál
• Ra a hurokantenna ekvivalens ellenállása
• La a hurokantenna egyenértékű induktivitása
• Rs az NFC chip soros egyenértékű ellenállása
• Cs az NFC chip soros egyenértékű hangolási kapacitása

Az antennát La induktorral lehet leírni, nagyon kicsi Ra veszteséggel. Amikor a sugárzó mágneses teret indukál a hurokantennában, akkor áramot indukálnak benne, és nyitott áramkörű Voc feszültség jelenik meg a csatlakozóin. Az NFC chip az Rs bemeneti ellenállással és a beépített Cs hangoló kondenzátorral írható le.

Az Ra és R sorozatú ellenállásokat az NFC integrált áramkörből és annak hurokantennájából álló áramkör utolsó egyenértékű modelljéhez összesítik:

Az Rs NFC IC ellenállás az Ra antennaellenállással és a beépített Cs kondenzátorral együtt RLC rezonanciaáramkört képez az antenna La induktorával. Az RLC rezonancia áramkörökről további információkat az online elektronikai oktatóanyagok ismertetnek.

A soros RLC áramkör rezonanciafrekvenciáját a következő képlet adja meg:

ahol:

• f a rezonanciafrekvencia (Hz)
• L az áramkör egyenértékű induktivitása (H)
• C az áramkör egyenértékű kapacitása (F)

Az egyenlet egyetlen ismeretlen paramétere az L induktivitás értéke. Ez annyira elszigetelt, hogy kiszámítható legyen:

Tudva, hogy az NFC működési frekvenciája 13, 56 MHz, és hogy az NT3H1101 hangoló kondenzátor 50 pF, az L induktivitást kiszámítjuk:

Annak érdekében, hogy az NFC frekvencián rezonáljon, a NYÁK névjegykártya antennájának teljes induktivitásának 2,75 μH -nak kell lennie.

5. lépés: Az antenna alakjának meghatározása: Geometriai számítások (1. módszer)

Lehetséges hurokantenna tervezése specifikus induktivitású NYÁK -on, és figyelembe kell venni a geometriai korlátokat. Az antenna különböző formákat ölthet: téglalap, négyzet, kerek, hatszög vagy akár nyolcszög. Minden alakhoz megfelel egy speciális képlet, amely a mérettől, a kanyarok számától, a vágányok szélességétől, a réz vastagságától és sok más paramétertől függően egyenértékű induktivitást ad…

A névjegykártyám kialakításához egy téglalap alakú antennát választottam, amelynek geometriája a következő:

ahol:

• a0 és b0 az antenna teljes mérete (m)
• aavg & bavg az antenna átlagos mérete (m)
• t a nyomtáv vastagsága (m)
• w a nyomtáv szélessége (m)
• g a vágányok közötti rés (m)
• Nant a fordulatok száma
• d a vágány egyenértékű átmérője (m)

Ehhez a specifikus geometriához a Lant egyenértékű induktivitást a következő képlet adja meg:

ahol:

A számítások megkönnyítése érdekében létrehoztam egy Excel-alapú számítási eszközt, amely automatikusan kiszámítja az antenna egyenértékű induktivitását a különböző geometriai paraméterek szerint. Ez a fájl sok időt és erőfeszítést takarított meg számomra, hogy megtaláljam a megfelelő antennageometriát.

Volt ekvivalens induktivitásom Lant = 2, 76 μH (elég közel) a következő paraméterekkel:

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

Ha allergiás a matematikára és a számításokra, léteznek más módszerek is, amelyeket a következő lépések ismertetnek. Még mindig fontos, hogy végigmenjen a számításokon, hogy többet megtudjon az antenna tervezésének alapjairól;)

6. lépés: Az antenna alakjának meghatározása: Online számológépek (2. módszer)

Az előző lépésben elvárt hosszú számítások alternatívája az online antennageometria -számológépek létezése. Ezeket a számológépeket magánszemélyek vagy szakemberek készítik, és célja az antennák egyszerűsítése. Mivel nehéz ellenőrizni, hogy milyen számításokat végeznek ezek az online számológépek, erősen ajánlott olyan számológépeket használni, amelyek mutatják a használt hivatkozásokat és képleteket, vagy amelyeket speciális vállalatok fejlesztettek ki.

Az STMicroelectronics ilyen számológépet kínál az eDesignSuite online alkalmazásában, hogy segítsen az ügyfeleknek az ST termékeket az áramkörükbe integrálni. A számológép minden NFC technológiával rendelkező alkalmazáshoz érvényes, ezért használható az NXP NFC chipjéhez.

A korábban kiszámított geometriai értékekkel az eDesignSuite alkalmazás által kiszámított eredő induktivitás 2, 88 μH a várt, 2, 76 μH érték helyett. Ez a különbség meglepő, és megkérdőjelezi a korábban kapott eredményt. Az alkalmazás által használt képlet ismeretlen, és lehetetlen összehasonlítani a korábban végzett számításokkal.

Tehát a két módszer közül melyik ad helyes eredményt?

Egyik sem ! Az online számológépek és képletek elméleti eszközök az eredmény közelítésére, de a várt eredmény eléréséhez speciális szoftverekkel végzett szimulációkkal és valós tesztekkel kell kiegészíteni.

Szerencsére a már szimulált és tesztelt NFC -megoldásokat az elektronikai tervezők rendelkezésére bocsátották, és ezek a következő lépés tárgyát képezik…

7. lépés: Az antenna alakjának meghatározása: nyílt forráskódú antennák (3. módszer)

Az NFC IC -k megvalósításának megkönnyítése érdekében egyes gyártók komplett megoldásokat kínálnak az elektronikai tervezők számára, például tervezési útmutatókat, alkalmazási megjegyzéseket és akár EDA -fájlokat.

Ez a helyzet az NXP esetében, amely teljes körű útmutatót kínál az NTAG NFC integrált áramköreinek széles skálájához, beleértve az NFC-antenna tervezésére vonatkozó hivatkozásokat, excel-alapú számítási eszközt a négyszögletes és kerek antennákhoz, a Gerber és Eagle fájlokat a különböző antennaosztályokhoz.

Egy osztály határozza meg az antenna alakját és méretét. Minél nagyobb az osztály, annál kisebb az antenna. Az NFC esetében az NXP „Class 3”, „Class 4”, „Class 5” vagy „Class 6” antennák használatát javasolja.

Úgy döntöttem, hogy a 4. osztályú téglalap alakú antennákra összpontosítok, amelyek mérete a névjegykártyámhoz igazítva látszott, és amelyek a következő zónában találhatók:

• Külső téglalap: 50 x 27 mm
• Belső téglalap: 35 x 13 mm, a külső téglalap közepén, 3 mm -es sarok sugarával

Ehhez az osztályhoz az NXP a mérnökei által készített, és néhány termékükbe már beépített antenna Eagle fájljait biztosítja. Ennek a kialakításnak a fő előnye, hogy már szimulálták, korrigálták és teljes mértékben optimalizálták. A vizsgálati módszereket, javításokat és optimalizálásokat egy rendelkezésre álló dokumentumban is bemutatjuk.

Úgy döntöttem, hogy ezt a nyílt forráskódú mintát modellként használom, és elkészítem saját verziómat a projektnek szentelt könyvtárban való megvalósításhoz.

8. lépés: Az Eagle Librairy létrehozása

Annak érdekében, hogy a névjegykártya elektronikus áramkörét az Eagle -re rajzolja, szükséges a használt alkatrészek szimbólumai és ujjlenyomatai. Csak az antenna és az NFC címke hiányzott, ezért létre kellett hoznom őket, és be kellett vennem egy könyvtárba a projekthez.

Az antenna tervezésével kezdtem az NXP által biztosított négyszögletes nyílt forráskódú, 4. osztályú antenna másolásával. Csak a csatlakozók helyzetét változtattam meg, és az antenna hosszára helyeztem. Ezután a csomagot egy tekercs szimbólumához társítottam, és hozzáadtam a nevet és az értékcímkéket:

Ezután megterveztem az NFC chipet az adatlapján megadott adatok felhasználásával. Megneveztem, méreteztem és összeraktam a komponensek 8 csapját, hogy az XQFN8 csomag 1, 6 * 1, 6 mm -es lábnyomát képezzék. Végül a csomagot az NTAG szimbólumához társítottam, és hozzáadtam a nevet és az értékcímkéket:

Ha többet szeretne megtudni az Eagle könyvtárakról és az összetevők létrehozásáról, az Autodesk oktatóanyagokat kínál a webhelyén.

9. lépés: Vázlatos

Az elektronikus séma létrehozása az EAGLE NYÁK -on történik.

A korábban létrehozott "PCB_BusinessCard.lbr" könyvtár importálása után a különböző elektronikus alkatrészek hozzáadásra kerülnek a sematikus rajzhoz.

Az NFC NT3H1101 integrált áramkör, az áramkör egyetlen aktív összetevője, a passzív komponensekhez van csatlakoztatva, az adatlapon megadott csapok leírásával:

• A 2, 75 μH hurokantenna LA és LB csapokhoz van csatlakoztatva.
• A VOUT energiagyűjtő kimenet az NFC chip áramellátására szolgál, ezért csatlakoztatva van a VCC csapjához.
• 220 nF kondenzátor van csatlakoztatva a VOUT és a VSS között, hogy garantálja a működést az RF kommunikáció során.
• Végül a LED -et és annak soros ellenállását a VOUT táplálja.

A LED ellenállás értékét az ohm törvény alapján kell kiszámítani a LED paraméterei és a tápfeszültség szerint:

ahol:

• R az ellenállás (Ω)
• Vcc a tápfeszültség (V)
• Vled a LED előremenő feszültsége (V)
• Iled a LED előremenő áram (A)

10. lépés: NYÁK -tervezés: alsó felület

A névjegykártyám tervezéséhez valami józan dolgot akartam elérni, de ez megmutathatja, mennyire találékony vagyok az életben, és mindig új ötlettel. Az izzólámpa dizájnját választottam, amely egy új ötlet szimbóluma, amelynek fénye megvilágíthatja a probléma szürke területeit. Az is tetszett, hogy egy toborzó könnyen társíthatja a telefonján megjelenő LinkedIn -profilomat egy új jó ötlettel a cégéhez.

Azzal kezdtem, hogy egy sugárzó izzót terveztem az Inkscape vektorrajzoló szoftverre. A rajzot két BitMap fájlban exportálják, az első csak az izzót, a második csak a fénysugarakat tartalmazza.

Vissza az Eagle-hez, az import-bmp ULP-t használtam az Inkscape által létrehozott BitMap-képek Eagle-rajzba történő importálásához. Ez az ULP létrehoz egy SCRIPT fájlt, amely az azonos színű, egymást követő képpontokból álló kis téglalapokat rajzol, amelyek együttesen létrehozják a képet.

• A villanykörte formatervezése a 22. "bPlace" rétegen kerül importálásra, és a NYÁK selyemszitáján fehér színben jelenik meg, a fekete forrasztómaszk felett.
• A fénysugarak rajzát a 16. "Bottom" rétegre importálják, és a fekete forrasztómaszk által borított rézpályának tekintik.

A rézréteg használata a képhez lehetővé teszi, hogy játsszon a NYÁK vastagságával, és ezáltal olyan textúra- és színhatásokat hozzon létre, amelyek normál esetben lehetetlenek a NYÁK -on. A művészi táblákat ilyen trükkökkel lehet csinálni, és néhány PCB-art projekt nagyon inspirált.

Végül megrajzoltam az áramkör körvonalait, és hozzáadtam a "Mindig új ötlet" mottóm. a 22. rétegen "bPlace".

11. lépés: NYÁK -tervezés: Top Face

Mivel a tábla felső felülete nem tartalmaz alkatrészeket, szabadon találtam egy elegáns módot a klasszikus elérhetőségeim megjelölésére: vezetéknév, keresztnév, cím, e -mail és telefonszám.

Ismét a PCB különböző rétegeivel játszottam: először egy részleges földsík meghatározásával kezdtem. Ezután importáltam egy szöveget, amely tartalmazza az elérhetőségemet a 29. réteg "tStop" -jára, amely a felső felület forrasztómaszkját vezérli. Az alaplap és a "tStop" rétegen lévő szöveg egymásra helyezése miatt a betűk az alaplapon jelennek meg anélkül, hogy rajta lenne a forrasztómaszk, és ezáltal a szöveg szép fényes fémes lesz.

De miért nem teszi fel az alaplapot az egész névjegykártyára?

Az induktív antenna elrendezése a PCB -n különös figyelmet igényel, mivel a rádióhullámok nem tudnak átjutni a fémeken, és nem lehetnek rézsíkok az antenna felett vagy alatt.

A következő példa egy jó megvalósítást mutat be, ahol az energiaátvitel és az olvasó és az NFC -címke közötti kommunikáció megfelelő, mivel egyetlen rézsík sem fedi át az antennát.

A következő példa rossz megvalósítást mutat, ahol az elektromágneses fluxus nem tud áthaladni az antennán. A NYÁK egyik oldalán található földelési sík blokkolja az olvasó és az NFC címkeantenna közötti energiaátvitelt:

12. lépés: NYÁK -útválasztás

Azzal kezdtem, hogy a különböző alkatrészeket a NYÁK alsó felületére helyeztem.

A LED a villanykörte szálára van helyezve, és a többi alkatrész a lehető legdiszkrétebb módon van elhelyezve az izzó alján.

A különböző passzív komponenseket egymással vagy az NFC -címkével összekötő vezetékeket esztétikai okokból lehetőleg az izzót rajzoló vonalak alá kell helyezni.

Végül az antennát az áramkör alján, a mottó körül helyezik el, és két vékony vezetékkel csatlakoztatják az NFC integrált áramkörhöz.

A NYÁK tervezése most elkészült!

13. lépés: A Gerber -fájlok létrehozása

A Gerber fájlok a nyomtatott áramköri lapok szoftvere által használt szabványos fájlok a PCB képek leírására: rézrétegek, forrasztómaszk, jelmagyarázat stb.

Függetlenül attól, hogy a PCB otthoni gyártását választja, vagy a gyártási folyamatot szakemberre bízza, elengedhetetlen a Gerber -fájlok előállítása a korábban az Eagle -n készült PCB -ből.

A Gerber fájlok exportálása az Eagle-ből nagyon egyszerű a beépített CAM processzor használatával: a SeeM Fusion 2-rétegű PCB-hez használtam a CAM fájlt, amely tartalmazza a gyártó és sok más által használt beállításokat. További információ a Gerber generációról ezen a fájlon található Seeed weboldalán.

A CAM processzor létrehoz egy.zip "NFC_BusinessCard.zip" fájlt, amely 10 fájlt tartalmaz az NFC névjegykártya következő rétegeinek megfelelően:

Kiterjesztés	Réteg
NFC_BusinessCard. GBL	Alsó réz
NFC_BusinessCard. GBO	Alsó szitanyomás
NFC_BusinessCard. GBP	Alsó forrasztópaszta
NFC_BusinessCard. GBS	Alsó Soldermask
NFC_BusinessCard. GML	Malomréteg
NFC_BusinessCard. GTL	Felső réz
NFC_BusinessCard. GTO	Felső szitanyomás
NFC_BusinessCard. GTP	Top Forrasztópaszta
NFC_BusinessCard. GTS	Top Soldermask
NFC_BusinessCard. TXT	Fúró fájl

Annak érdekében, hogy a NYÁK pontosan úgy nézzen ki, ahogy szerettem volna, feltöltöttem a Gerber -fájlokat az EasyEDA online Gerber -megtekintőjében. A témát feketére, a felületet pedig ezüstre változtattam, hogy a gyártás után megjelenjen a végleges kialakítás.

Nagyon elégedett voltam az eredménnyel, és úgy döntöttem, folytatom a gyártási lépést …

14. lépés: A NYÁK -ok megrendelése

Mivel minőségi befejezést akartam a névjegykártyáimra, a gyártási folyamatot szakemberre bíztam.

Sok NYÁK -gyártó most nagyon versenyképes árakat kínál: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay és még sokan mások … Tipp: A különböző NYÁK -gyártók árainak és szolgáltatásainak összehasonlításához javaslom, hogy használja a PCB Shopper webhelyet, amelyet nagyon hasznosnak találok.

Névjegykártyáim gyártásánál figyelembe vettem egy fontos részletet: sok NYÁK -gyártó megengedi magának, hogy megjelölje a rendelési számot a NYÁK selyemszitán. Ez a szám, bár kicsi, bosszantó, különösen akkor, ha a NYÁK -nak esztétikusnak kell lennie. Például ezt a rossz meglepetést kaptam a SeeedStudio -n megrendelt 1 dolláros NYÁK karácsonyfámon.

Tapasztalatból tudtam, hogy az Elecrow -nak nincs ilyen rossz szokása, ezért úgy döntöttem, hogy a kártyáim gyártását erre a gyártóra bízom, és 10 névjegyet rendeltem 4,9 dollárért az alábbi beállításokkal:

• Rétegek: 2 réteg
• Méretek: 54*86 mm
• Különböző NYÁK -tervezés: 1
• NYÁK vastagság: 0, 6 mm (a rendelkezésre álló legvékonyabb)
• NYÁK színe: fekete
• Felületkezelés: HASL
• Kastellált lyuk: Nem
• Réz súlya: 1 oz (az antenna induktivitási képletének megfelelően)

Két héttel később tökéletesen elkészítettem a nyomtatott áramköri lapjaimat, anélkül, hogy idegesítő rendelési számot írtak volna fel a szitanyomáson. Eddig jó, ideje forrasztani ezeket a táblákat!

15. lépés: Az NFC chip forrasztása

Bírói díj a NYÁK -versenyen