[3/3] Von der Hardware in die Cloud: Entwerfen einer Leiterplatte

Im vorherigen Artikel beschrieb ich den Test mit dem Magnetsensor MMC5883MA und erläuterte die Ergebnisse der Magnetfeldmessung mit und ohne Fahrzeug. Bevor ich jedoch die anderen Sensoren testete (wie ursprünglich geplant), beschloss ich, mich einer Herausforderung zu stellen, der sich jeder Hardwareentwickler irgendwann stellen muss: dem Entwurf und der Fertigung einer Leiterplatte .

Steckplatinen , Schaltungsdesigns beliebig oft zu ändern und zu testen, bis die optimale Konfiguration gefunden ist. Allerdings sind diese Schaltungen nicht für die Entwicklung von Endprodukten gedacht. Die elektrischen Verbindungen auf Steckplatinen sind naturgemäß temporär, was sie schwach und unzuverlässig macht. Außerdem benötigen sie oft mehr Platz als nötig.

Durch den Einsatz von Leiterplatten können wir das endgültige Design eines Hardwareprojekts mit zuverlässigen Verbindungen und größerer Robustheit realisieren und gleichzeitig den Platzbedarf reduzieren, indem wir kleinere Bauteile verwenden können, die in der Regel in Oberflächenmontagetechnik (SMT) gefertigt .

Heutzutage gibt es eine große Auswahl an Software für das PCB-Design . Ich habe mich für Eagle , eines der beliebtesten Programme. Der Prototyp, der auf der Leiterplatte implementiert werden soll, basiert auf der Schaltung aus dem vorherigen Artikel , die zum Testen des Magnetsensors MMC5883MA . Diesmal habe ich jedoch das SODAQ ONE Board anstelle des NodeMCU ESP8266 auf diesem Board integrierten Magnetsensor LSM303AGR

Außerdem hatte ich zuvor einen SMD-Infrarotsensor mit der IS31SE5000 , den ich aufgrund seiner Bauform im Prototypen auf dem Steckbrett nicht testen konnte. Daher wollte ich dieses Design nutzen und die typische Anwendungsschaltung für diesen Infrarotsensor ebenfalls integrieren, um sein Verhalten zu testen und seine Eignung zur Fahrzeugerkennung zu bewerten.

Kurz gesagt, wollte ich in dieser Projektphase die drei genannten Sensoren in eine einfache Leiterplatte integrieren und deren Messwerte über LoRaWAN mithilfe des RN2903- Moduls übertragen. Zusätzlich hielt ich es für sinnvoll, eine Spannungsregelung einzubauen, um die Eingangsspannung zu stabilisieren und die Komponenten zu schützen.

Blockdiagramm

Es ist erwähnenswert, dass die Leiterplatte jeweils nur einen Sensor verwenden kann. Um dies zu erreichen, wurde eine Sensorauswahllogik in die Schaltung integriert. Diese besteht aus einer einreihigen Stiftleiste mit 6 Pins und zwei Jumpern zur Auswahl der SCL- und SDA-Eingänge des I²C-Ports der SODAQ-Platine. Zusätzlich wurde ein DIP-Schalter hinzugefügt, um die Stromversorgung des nicht verwendeten Sensors zu deaktivieren und so den Stromverbrauch zu reduzieren. Das Blockdiagramm, das den Schaltungsaufbau beschreibt, ist unten dargestellt.

Die Spannungsregelung basiert auf dem Spannungsregler LM317T . Die Schaltung wurde mithilfe des Datenblatts des LM317 aufgebaut und so konfiguriert, dass sie 3,3 V liefert, die für den SODAQ und die Sensoren benötigte Spannung.

Adler

Eagle ist eine von Autodesk entwickelte Software zur elektronischen Entwurfsautomatisierung (EDA), die nützliche und intuitive Werkzeuge für die Leiterplattenentwicklung bietet. Darüber hinaus verfügt sie über eine große Community , sodass Dokumentationen, Beispiele und Antworten auf häufig gestellte Fragen leicht zu finden sind.

Ein Design in Eagle lässt sich in zwei Hauptteile unterteilen: Schaltplan und Leiterplattenlayout. Im Schaltplan werden die Schaltungskomponenten ausgewählt und ihre Verbindungen hergestellt. Das Leiterplattenlayout beschreibt die Verteilung und physische Platzierung der Komponenten.

Bevor ich erkläre, wie der Schaltplan und das PCB-Layout für mein Projekt erstellt wurden, ist es notwendig, eines der wichtigsten Konzepte im Eagle-Design zu erläutern: die Bibliotheken.

Bibliotheken

Eine Bibliothek ist die vollständige Repräsentation eines elektronischen Bauteils in Eagle. Sie enthält alle Informationen, von den Pin-Bezeichnungen bis zu den physikalischen Abmessungen. Um ein Bauteil in einem Eagle-Projekt zu verwenden, ist die zugehörige Bibliothek zwingend erforderlich. Eagle enthält standardmäßig eine große Anzahl von Bibliotheken der gängigsten Bauteile für Schaltungen. Es kann jedoch vorkommen, dass Sie ein Bauteil benötigen, das nicht enthalten ist. In diesem Fall haben Sie zwei Möglichkeiten: Sie können die Bibliothek des Bauteils suchen (dank der Eagle-Community gibt es im Internet eine große Auswahl) oder sie selbst erstellen.

In meinem Fall benötigte ich drei spezielle Komponenten, die nicht in den Eagle-Bibliotheken enthalten waren: die beiden Sensoren und das SODAQ ONE-Board. Da meine Recherchen erfolglos blieben, beschloss ich, sie selbst zu erstellen. Um eine Bibliothek zu erstellen, öffnen Sie einfach das Eagle-Kontrollfeld und klicken Sie auf das Menü Datei Neu “ und anschließend auf „ Bibliothek “.

Es öffnet sich ein neues Fenster. Dort finden Sie vier Bereiche mit den Bezeichnungen „Gerät“, „Footprint“, „3D-Gehäuse“ und „Symbol“. Im ersten Schritt erstellen Sie ein „ Symbol “. Dies ist die symbolische Darstellung des Geräts im Schaltplan. Klicken Sie dazu auf die Schaltfläche „ Symbol hinzufügen… “ oder auf das Symbol oben, das in der Abbildung unten mit „ 1 “ gekennzeichnet ist.

Anschließend muss ein „ Footprint “ erstellt werden, der die physische Darstellung des Geräts repräsentiert und die genauen Abmessungen der Komponente sowie die korrekte Pinbelegung enthalten sollte. Dies kann durch Klicken auf die Schaltfläche „ Footprint hinzufügen… “ unten oder auf das Symbol „ 2 “ oben (siehe Abbildung unten) erfolgen.

Im letzten Schritt fügen Sie ein „ Gerät “ hinzu. Dieses Element ist eine Kombination aus Symbol und Footprint. Dabei muss festgelegt werden, welche Teile des Symbols welchem ​​physischen Teil des Geräts entsprechen. Klicken Sie dazu auf die Schaltfläche „ Gerät hinzufügen… 3 oben .

Die Ergebnisvorschau wird im rechten Fensterbereich angezeigt. Da das SODAQ-Board in meinem Fall Stiftleisten hatte, um es einfach auf einem Steckbrett zu platzieren, war die Erstellung der Bibliothek für das SODAQ ONE sehr einfach, da ich lediglich zwei 12-polige Buchsenleisten hinzufügen musste (ich wollte, dass das SODAQ-Board abnehmbar ist). Ähnlich verhielt es sich mit dem Magnetsensor, da ich das Evaluierungsboard MMC5883MA-B gekauft habe, das ebenfalls Stiftleisten besitzt.

Die Entwicklung der Bibliothek für den Infrarotsensor gestaltete sich dennoch sehr schwierig für mich, da ich noch nie mit Oberflächenkomponenten gearbeitet hatte. Es handelt sich um ein sehr kleines Bauteil, und ich musste bei den Abmessungen und Abständen äußerst präzise vorgehen.

Nach einigen Stunden Arbeit ergaben sich folgende Bibliotheken:

• SODAQ ONE:

• Magnetsensor (Evaluierungsboard) MMC5883MA-B:

• Infrarotsensor IS31SE5000:

Wichtig zu beachten ist, dass die vom Benutzer erstellten Bibliotheken im Menü „Bibliotheken/Bibliotheken“ im linken Bereich des Eagle-Bedienfelds zu finden sind.

Schema

Nachdem alle benötigten Bibliotheken eingerichtet sind, können die Komponenten in einen Schaltplan integriert werden. Um einen neuen Schaltplan zu erstellen, öffnen Sie das Eagle-Bedienfeld und klicken Sie auf „ Datei “, dann auf „ Neu “ und anschließend auf „ Schaltplan “.

Um im Schaltplanfenster ein Bauteil hinzuzufügen, klicken Sie in der Werkzeugleiste (meist links) auf das Symbol „ 1 Bauteil hinzufügen . Um die Verbindungen zwischen den Pins der Bauteile herzustellen, klicken Sie 2 und wählen Sie Netz .

Nachdem ich alle Komponenten meines Entwurfs hinzugefügt und die jeweiligen Verbindungen hergestellt hatte, ergab sich folgendes Ergebnis:

Leiterplatte

Nachdem der Schaltplan fertiggestellt ist, besteht der nächste Schritt darin, eine neue „ Platine “ zu erstellen. Klicken Sie dazu auf das Symbol „ Generieren/zur Platine wechseln “ oben im Schaltplanfenster (im Bild unten mit einem roten Quadrat markiert).

Dadurch öffnet sich ein neues Fenster, in dem alle im Schaltplan verwendeten Bauteile angezeigt werden. Kleine Linien verbinden die Bauteile und stellen die Verbindungen im Schaltplan dar. Außerdem sehen Sie eine leere Fläche, die die physische Leiterplatte (PCB) repräsentiert. Alle Bauteile müssen auf dieser Fläche optimal angeordnet und verteilt werden. Anschließend müssen die kleinen Linien in Leiterbahnen umgewandelt werden, die die physischen Verbindungen zwischen den Bauteilen auf der Leiterplatte darstellen. Zum Erstellen der Leiterbahnen verwenden Sie das Werkzeug „ Airwire-Route “, das Sie im linken Bereich finden.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass das Routing ein- oder mehrlagig erfolgen kann. Darüber hinaus müssen in dieser Phase des Leiterplattendesigns zahlreiche Parameter beachtet werden. Dazu gehören unter anderem die Leiterbahndicke, der Mindestabstand zwischen Bauteilen, der Mindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden Leiterbahnen und die Lochbreite. Alle diese Designparameter müssen vom gewählten Leiterplattenhersteller unterstützt werden. Nicht zuletzt ist die Wahl der Lage entscheidend.

Nach einigen weiteren Stunden Arbeit erreichte ich mein Ziel, alle meine Komponenten in einer Ebene zu routen. Da ich mit einer einzelnen, oberflächlichen Komponente arbeitete, musste ich diese auf dieselbe Ebene wie die Routen legen. Das war das Ergebnis:

Gerber-Dateien

Der letzte Schritt bei der Leiterplattenherstellung ist das Senden des Designs an den Hersteller. Obwohl man die Schaltung auch selbst drucken kann, wollte ich es in diesem Fall professioneller angehen und suchte daher nach lokalen Herstellern. Um das Design senden zu können, müssen die Gerber-Dateien der Schaltung generiert werden. Wie das geht, habe ich mithilfe dieses Tutorials gelernt. Nachdem ich die entsprechenden Dateien exportiert hatte, schickte ich sie an den Hersteller.

Ein paar Tage später erhielt ich sechs Exemplare meiner Leiterplatte. Ich muss zugeben, ich war sehr aufgeregt zu sehen, wie mein Projekt langsam Gestalt annahm. Ehrlich gesagt sind es genau diese Fortschritte, die einen bei einem Hardwareprojekt von Grund auf am meisten motivieren können.

Ich wollte unbedingt beweisen, ob mein Entwurf korrekt war und die Schaltung funktionieren würde. Also begann ich ohne weitere Verzögerung mit dem Verlöten aller Bauteile. Leider bemerkte ich beim Verlöten des Infrarotsensors (dem schwierigsten Teil) einen Fehler im Footprint: Die Pins waren vertauscht. Ich war besorgt über meinen Fehler, wusste aber, dass mir diese erste Erfahrung mit bestückten Bauteilen bei zukünftigen Entwürfen sehr helfen würde. So sah die Platine aus, nachdem ich alle Bauteile verlötet hatte:

Endlich war ich bereit, den Rest der Schaltung zu testen. Also schloss ich eine Batterie an und schaltete mein LoRaWAN gateway . Nach wenigen Sekunden empfing ich Daten der Magnetfeldmessungen in meinem Ubidots Konto ! Das bedeutete, dass sich die Platine wie erwartet verhielt.

Die Leiterplattenentwicklung ist ein weites Feld, in dem Techniken, Software und Werkzeuge ständig weiterentwickelt werden. In diesem Artikel habe ich versucht, den grundlegenden Prozess von der Prototypenentwicklung bis zur Leiterplatte zu beschreiben. Es gibt jedoch noch viel zu entdecken. Ich hoffe, meine Erfahrungen können Einsteigern als Leitfaden dienen. Am wichtigsten ist es jedoch, nicht beim ersten Fehler aufzugeben und die eigenen Fähigkeiten stetig zu verbessern, um immer bessere Schaltungen zu entwickeln.

Bleiben Sie dran für die nächsten Beiträge, um den weiteren Ablauf zu erfahren!