NFC Lock - เมื่อ PCB เป็นปุ่ม เสาอากาศ และอื่นๆ: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

คุณสามารถใช้หนึ่งในสองสิ่งจากคำแนะนำนี้ คุณสามารถทำตามและสร้างชุดแป้นพิมพ์ตัวเลขและเครื่องอ่าน NFC ของคุณเองได้ แผนผังอยู่ที่นี่ เค้าโครง PCB อยู่ที่นี่ คุณจะพบรายการวัสดุสำหรับสั่งซื้อชิ้นส่วนที่คุณต้องการ ฉันได้ให้รหัสสำหรับการเขียนโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์ มีทุกสิ่งที่คุณต้องการเพื่อคัดลอกหรือขยายโครงการนี้

อย่างไรก็ตาม ฉันสงสัยว่าผู้อ่านส่วนใหญ่มักจะได้รับแรงบันดาลใจจากบางแง่มุมของมัน คำแนะนำนี้แสดงให้คุณเห็นว่า PCB เป็นมากกว่าวิธีการต่อส่วนประกอบเข้าด้วยกัน ไฟเบอร์กลาสและทองแดงรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าเล็ก ๆ นั้นมีประโยชน์อื่น ๆ มากมาย - ในขณะที่ยังคงทำงานหลักในการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า ฉันจะนำเสนอแง่มุมเหล่านี้ทั้งหมดก่อนที่จะรวมเข้าด้วยกันเป็นโครงการที่เสร็จสมบูรณ์ ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับการเดินทางและอาจตัดสินใจที่จะใช้กลอุบายเหล่านี้หนึ่งหรือสองอย่างในโครงการของคุณเอง!

ขั้นตอนที่ 1: กระบวนการ

โครงการมากมายดำเนินไปตามวิถีเดียวกันบนเส้นทางสู่ "เสร็จสิ้น" และหลายโครงการสะดุดก่อนถึงอุปสรรคสุดท้าย

ต้นแบบ

อย่างแรกคือต้นแบบ คุณมีไอเดียและบอร์ดพัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์ที่พร้อมใช้อยู่แล้วก็ออกมาจากลิ้นชัก สำหรับหลาย ๆ คนนี่จะเป็น Arduino แต่ฉันมีความสุขมากที่สุดในกลุ่ม MSP430 ของไมโครคอนโทรลเลอร์ 16 บิตพลังงานต่ำของ TI ไม่ว่าคุณจะเลือกอะไร มักจะมีบอร์ดพัฒนาที่ช่วยคุณได้ หมายความว่าคุณไม่จำเป็นต้องเริ่มต้นด้วยการสร้าง PCB ของคุณเอง และคุณสามารถทดสอบทฤษฎีและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่อาจเกิดขึ้นได้ มักจะมี Booster Pack / Shield / Hat - หรือชื่อแปลก ๆ สำหรับบอร์ดลูกที่ผู้ผลิตคิดขึ้นมา ไม่มีการใช้งานเป็นคนแปลกหน้ากับเขียงหั่นขนมหรือลวดเร่ร่อน

คุณจะเห็นว่าที่นี่ฉันใช้ชุดพัฒนา CapTIvate ของ TI และ TRF7970A NFC Booster pack เพื่อพิสูจน์ว่าแนวคิดนี้น่าจะใช้ได้

คุณจะได้พิสูจน์รหัสแนวคิดด้วย มันอาจจะยุ่ง อาจต้องอาศัยไลบรารีที่ดาวน์โหลดมาซึ่งช่วยให้คุณมีส่วนร่วมได้ โดยส่วนตัวแล้วฉันมักจะปล่อยให้มันไม่สมบูรณ์เล็กน้อยเพราะฉันรู้ว่าฉันมีสัปดาห์ข้างหน้ารอ PCBs ที่จะมาถึง ฉันสามารถจัดระเบียบมันได้แล้ว

การออกแบบ

ถัดมาคือการออกแบบ เปิดโปรแกรมออกแบบ PCB ที่คุณชื่นชอบ ในกรณีของฉันมันคืออีเกิล ต้องใช้เวลาพอสมควรในการเปลี่ยนจากแนวคิดไปสู่ความสมบูรณ์แบบ และนี่คือจุดเริ่มต้นของการผจญภัยของเรา! ขั้นตอนต่อไปจะช่วยให้คุณได้รับประโยชน์สูงสุดจากสิ่งนี้

กำลังรอ PCBs ของคุณ

คุณอาจจะสลักชื่อของคุณเองหรือรีบเร่ง แต่พวกเราส่วนใหญ่จะสั่งซื้อจากบอร์ดเฮาส์ในจีนและรอสักสองสามสัปดาห์ ตอนนี้เป็นเวลาที่จะกลับไปที่รหัสนั้น มันจะไม่เป็นระเบียบตัวเอง!

การประกอบและการดีบัก

นำหัวแร้งหรือเตาอบเครื่องปิ้งขนมปังออก จากนั้นคุณสามารถดูว่ามันทำงานตามที่คาดไว้หรือไม่ อาจจะย้อนกลับไป 2 ก้าว อาจจะไม่.

ตัวเครื่องและแผงด้านหน้า

ดังนั้น PCB ของคุณจึงดูเป็นมืออาชีพ ตอนนี้มันต้องการตู้และแผงด้านหน้า บางทีคุณอาจจะพิมพ์ 3 มิติบางอย่าง ดูเหมือน OK-ish แต่ก็ไม่ได้แสดงถึงความประณีตของ PCB ที่น่ารักภายใน นี่คือที่ที่คู่มือนี้จะช่วยคุณได้จริงๆ!

ขั้นตอนที่ 2: PCB ของคุณเป็นแผงด้านหน้า

Soldermask เคยเป็นสีเขียว ซิลค์สกรีนใช้งานได้ดีมากกว่าการตกแต่ง PCB เป็นสิ่งที่ถูกซ่อนไว้และมีเพียงคนเก่งอย่างเราเท่านั้นที่จะสนใจที่จะเห็นมัน ไม่เอาแล้ว!

บอร์ดเฮ้าส์หลายหลังให้คุณเลือกสีได้หลากหลาย คุณภาพของซิลค์สกรีนได้รับการปรับปรุงอย่างมาก อนุญาตให้ใช้รูปทรงขี้ขลาดและพิลึก ทำไมไม่ใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้? หากคุณสร้าง PCB อย่างระมัดระวัง บอร์ดเฮาส์ก็สามารถสร้างแผงด้านหน้าให้คุณได้!

ในตัวอย่างของฉัน ฉันได้วางส่วนประกอบทั้งหมดไว้ที่ด้านหนึ่ง และทำให้แน่ใจว่าอีกด้านหนึ่งดูดีพอที่จะอยู่ด้านหน้าอุปกรณ์ของฉัน คุณไม่จำเป็นต้องทำเช่นนี้ บางทีคุณอาจต้องการที่จะมีความงามและสมองบนกระดานแยกต่างหาก มันขึ้นอยู่กับคุณ.

ฉันเคยเห็น PCB จำนวนหนึ่งที่บัดกรีเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงทั้งหมด แต่นั่นไม่ใช่เรื่องปกติ ถ้าคุณคิดว่าคุณทำได้ - ทำไมไม่!

กระดานของฉันค่อนข้างเรียบง่าย - แค่ซิลค์สกรีนสีขาวที่เรียบร้อยเหนือหน้ากากประสานสีดำ เหมาะกับรูปลักษณ์ที่ฉันต้องการ เป็นไปได้ที่จะได้สีและเฉดสีที่หลากหลายโดยการรวมซิลค์สกรีน, หน้ากากประสานและทองแดงเข้าด้วยกันในรูปแบบต่างๆ ฉันจะปล่อยให้คุณไปที่ Google "PCB art" และดูการสร้างสรรค์ที่น่าทึ่งที่คนอื่นคิดขึ้น! แม้ว่าน่าประทับใจ แต่อาจไม่เหมาะกับแผงด้านหน้าทั้งหมด

ขั้นตอนที่ 3: PCB ของคุณเป็นปุ่ม

คุณอาจสังเกตเห็นว่าตัวเลขที่ซิลค์สกรีนดูเหมือนแป้นตัวเลขมาก และนั่นเป็นเพราะพวกเขาเป็น เพื่อความแม่นยำ มันคือปุ่มสัมผัสแบบ capacitive หากคุณกำลังใช้เส้นทางนี้ คุณอาจต้องการไมโครคอนโทรลเลอร์ที่รองรับการสัมผัสแบบ capacitive แม้ว่าจะสามารถ "หมุน" เซ็นเซอร์สัมผัสแบบ capacitive ของคุณเองได้หากต้องการ

ปุ่มสัมผัสแบบ capacitive ทั้งหมดประกอบด้วย PCB traces บางส่วนที่วางไว้เพื่อให้มีความจุที่ตรวจจับได้ไม่ว่าจะลงกราวด์ (เรียกว่า self-capacitance) หรือรอยอื่น

ฉันเริ่มการออกแบบโดยทำตามคำแนะนำ CapTIvate ของ TI สำหรับอุปกรณ์ MSP430FR2633 ของพวกเขา แต่ถ้าคุณใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์อื่น ก็น่าจะดูคำแนะนำและการออกแบบอ้างอิงที่ผู้ผลิตจัดเตรียมไว้ให้ ไม่เพียงแต่เป็นแนวทางสำหรับเลย์เอาต์ PCB เท่านั้น แต่ยังมี CapTIvate Design Center ที่จะสร้างโค้ดเทมเพลตเพื่อให้ตรงกับฮาร์ดแวร์ของคุณ

คุณจะสังเกตเห็นว่าแก่นแท้ของปุ่มนี้เป็นเพียงวงกลมทองแดงสองวงอยู่ใกล้กันพอสมควร การเอานิ้วเข้าไปใกล้จะลดความจุระหว่างกัน MSP430 ใช้แหล่งจ่ายกระแสคงที่เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุนี้และวัดว่าแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนไปอย่างรวดเร็วเพียงใด ไลบรารี CapTIvate ช่วยลดความยุ่งยากในการเปลี่ยนสิ่งนี้เป็นการกดปุ่มที่ตรวจพบ

ฉันออกแบบส่วนที่กำหนดเองใน Eagle เพื่อลดความซับซ้อนในการเพิ่มปุ่มเหล่านี้สิบสองปุ่ม และเพื่อที่ฉันจะได้ใช้ปุ่มเหล่านี้ในโปรเจ็กต์ในอนาคต

ขั้นตอนที่ 4: PCB ของคุณเป็น LED Diffuser

ตาเหยี่ยวในหมู่คุณอาจสังเกตเห็นแพทช์วงกลมเล็ก ๆ ที่หน้ากากประสานสีดำหายไปจากทั้งสองด้านของ PCB เช่นเดียวกับการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิด ฉันต้องการความคิดเห็นเกี่ยวกับภาพสำหรับผู้ใช้ ฉันใช้ RGB LED และมีตัวเลือกบางอย่างสำหรับสิ่งนี้

• ฉันสามารถใช้ LED ทะลุผ่านรูและตัดรูเพื่อให้มันทะลุผ่านได้ ฉันไม่แน่ใจว่าฉันจะเชื่อมต่อโดยไม่มี PCB อื่นได้อย่างไร
• ฉันสามารถใช้ LED ยึดพื้นผิวได้ จากนั้นฉันก็จะมีร่องรอยและไฟ LED ทำให้แผงด้านหน้าของฉันยุ่งเหยิง
• ฉันสามารถใช้ LED แบบย้อนกลับได้

บางท่านอาจสงสัยว่า LED แบบย้อนกลับคืออะไร มันคือ LED ติดบนพื้นผิว "คว่ำ" ที่ส่องกลับมาที่ PCB ที่ติดตั้งอยู่ อะไร?! ทำไมคุณจะทำเช่นนั้น? มันทำให้มันออกไปให้พ้นทางอีกด้านหนึ่งของ PCB การออกแบบส่วนใหญ่จะยังคงมีรูใน PCB เพื่อให้ LED นี้ส่องผ่าน แต่ฉันตัดสินใจที่จะถอดทองแดงและหน้ากากประสานออก และดูว่าวัสดุ PCB นั้นโปร่งแสงเพียงพอสำหรับ LED ที่จะส่องผ่านหรือไม่ สปอยล์เตือน - มาแล้ว! ฉันแน่ใจว่ามันจะสว่างกว่าเล็กน้อยเมื่อใช้รูแทน แต่มันง่ายพอที่จะมองเห็นได้ในแสงแดดผ่าน FR4 1.6 มม. กระจายอย่างสวยงามด้วย

จำเป็นต้องมีชิ้นส่วนแบบกำหนดเองที่ออกแบบให้ Eagle เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีทองแดงหรือหน้ากากประสานด้านล่าง แต่ทั้งหมดนี้เป็นวงกลมสองวงบนเลเยอร์ Restrict และ Keepout ทั้งสองด้าน คุณจะพบส่วนที่กำหนดเองนี้ในไลบรารี Eagle ที่แนบมา

ขั้นตอนที่ 5: PCB ของคุณในฐานะเสาอากาศ

การใช้การติดตาม PCB เป็นเสาอากาศนั้นไม่มีอะไรใหม่ NFC Booster pack ที่ฉันใช้มีหนึ่งชุด เครื่องอ่าน NFC เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ที่คุณจะพบว่าใช้ ปัญหาหนึ่งที่ฉันพบคือสิ่งเหล่านี้ได้รับการปรับให้เหมาะกับรูปแบบแท็ก NFC ที่พบบ่อยที่สุด - การ์ดและปุ่มกด ฉันเก่งพอที่จะมีแท็ก NFC เล็ก ๆ ฝังอยู่ในมือ รายละเอียดอยู่ที่นี่หากคุณไม่กระปรี้กระเปร่า ฉันได้ทำโครงการก่อนหน้านี้โดยใช้ตัวเหนี่ยวนำขดลวดเป็นเสาอากาศ สำหรับโครงการนี้ ฉันต้องการดูว่าเป็นไปได้ไหมที่จะสร้างเสาอากาศ PCB ที่เข้ากันได้ดีกับแท็กฝังขนาดเล็ก

ประการแรก ฉันตัดสินใจสร้างการติดตาม PCB ที่เล็กกว่าปกติที่คุณเห็น การเหนี่ยวนำมีความสำคัญเมื่อปรับเสาอากาศ ดังนั้นฉันจึงใช้เครื่องคิดเลขตัวเหนี่ยวนำ PCB ออนไลน์และมุ่งเป้าไปที่ประมาณ 1μH ให้ใกล้เคียงกับลวดพันที่ฉันเคยใช้มาก่อน ฉันใช้ L_Calculate ของ TI และสิ่งนี้บอกฉันว่า 7 รอบที่ขนาดเฉลี่ย 9 มม. x 6.5 มม. โดยมีความกว้างร่องรอย 0.1524 ควรเป็น 950nH ใกล้พอแล้ว.

เมื่อฉันได้ PCB กลับมา มันวัดได้ 0.627μH - โดยมีความต้านทาน 0.867Ω ถึงเวลาค้นหาว่าเครือข่ายที่ตรงกันควรเป็นอย่างไรเพื่อให้ TRF7970A เห็น50Ω การจับคู่เสาอากาศเป็นหัวข้อทั้งหมดในตัวของมันเอง ดังนั้นฉันจะไม่พูดนอกเรื่องในตอนนี้ แต่ถ้าคุณสนใจ ฉันจะอธิบายวิธีปรับแต่งเสาอากาศโดยไม่ต้องใช้ VNA ราคาแพงที่นี่

พอเพียงที่จะบอกว่า PCB ของคุณสามารถใช้เพื่อสร้างเสาอากาศที่ไม่มีต้นทุนไม่ว่าจะเป็นขดลวดเหนี่ยวนำสำหรับ RFID (ไม่ใช่เสาอากาศอย่างเคร่งครัด) หรือสำหรับ WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz ฯลฯ อีกครั้งฉันขอแนะนำว่า ถ้าคุณต้องการให้เริ่มจากบันทึกการออกแบบสำหรับอุปกรณ์ใดก็ตามที่คุณใช้อยู่ ผู้ผลิตต้องการให้คุณซื้อส่วนประกอบเพื่อให้เป็นประโยชน์อย่างมากเมื่อต้องการใช้งาน

ขั้นตอนที่ 6: PCB ของคุณเป็นส่วนหัวของการดีบัก

ทันทีที่คุณเพิ่มไมโครคอนโทรลเลอร์ในโครงการของคุณ คุณจะมีปัญหาในการนำโค้ดของคุณไปใช้ บ่อยครั้งที่คุณดี PCB ที่มีรายละเอียดต่ำจบลงด้วยส่วนหัวของพินที่เป็นก้อน บ่อยครั้งที่สิ่งเหล่านี้เป็นเวอร์ชั่นเจาะรูดังนั้น PCB ที่สวยงามของคุณจึงได้รับผลกระทบทั้งสองด้าน เห็นได้ชัดว่าฉันต้องการให้ด้านใดด้านหนึ่งเป็นแผงด้านหน้าของฉันผ่านรูออก ส่วนหัวของหมุดยึดบนพื้นผิวอาจเสี่ยงต่อการลอกร่องรอยของคุณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากคุณมีแนวโน้มที่จะเชื่อมต่อและถอดออกสักสองสามครั้ง

โชคดีที่มีทางเลือกอื่น - หมุด pogo หมุดสปริงเหล่านี้ทำให้หน้าสัมผัสทางไฟฟ้าที่ดีกับบอร์ดของคุณ อาจไม่เงียบพอสำหรับการเชื่อมต่อแบบถาวร แต่แน่นอนว่ามีไว้สำหรับการเขียนโปรแกรม ฉันเคยเห็นหมุด pogo ใช้กับจิ๊กแบบกำหนดเองสำหรับทั้งการเขียนโปรแกรมและสำหรับการทดสอบบอร์ดการผลิต ฉันเคยเห็นพวกมันติดอยู่บนหมุดเสื้อผ้าเพื่อให้ดูเหมือนโปรแกรมเมอร์ทำเองที่บ้าน อย่างไรก็ตาม ฉันได้ใช้ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่มีให้สำหรับตระกูลไมโครคอนโทรลเลอร์หลายตระกูล - Tag Connect บอร์ดของคุณจำเป็นต้องมีรูเล็กๆ สองสามรู ดังนั้นมันอาจจะไม่สมบูรณ์แบบถ้าคุณต้องการแผงด้านหน้าแบบกันน้ำ แต่ฉันตัดสินใจว่ามันคงจะดีสำหรับโปรเจ็กต์นี้

ทั้งหมดที่จำเป็นคือรอยเท้า PCB และคุณทำเสร็จแล้ว! รูนั้นอยู่ในความต้องการของบอร์ดเฮ้าส์และบางทีแม้แต่การแกะสลักที่บ้าน

ขั้นตอนที่ 7: PCB สำเร็จรูป

ดังนั้น หลังจากรวมแนวคิด PCB เหล่านี้ไว้ในโครงการเดียว นี่คือผลลัพธ์สุดท้าย มันตอบสนองต่อแท็ก NFC หรือรหัสรายการที่ถูกต้องและเปิดประตู การทำงานของประตูนั้นแยกจากกันเพราะจะใช้กับประตูสองบานในสองวิธีที่แตกต่างกัน ประตูบ้านของฉันจะเป็นแบบแม่เหล็กไฟฟ้า เท่าที่คุณจะพบในอพาร์ตเมนต์ที่มีระบบอินเตอร์คอม

ฉันเป็นนักเล่นไคท์เซิร์ฟมักจะพบว่าตัวเองอยู่ในมหาสมุทร และเป็นเรื่องยากเสมอที่จะรู้ว่าต้องทำอย่างไรกับกุญแจของคุณ ด้วยแท็ก NFC ในมือของฉัน ฉันมีกุญแจอยู่กับตัวเสมอ! สำหรับรถตู้ของฉัน มันจะเชื่อมต่อกับระบบเซ็นทรัลล็อค

สำหรับประตูของคุณ คุณอาจต้องการเลือกวิธีที่เหมาะสมในการเปิดหรือปลดล็อก

คุณจะพบทุกสิ่งที่คุณต้องการเพื่อทำซ้ำ (หรือปรับ) โครงการนี้ในที่เก็บ GitHub นี้https://github.com/FredMurphy/LockNFC

ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับการอ่านเกี่ยวกับโครงการนี้ และมันเป็นแรงบันดาลใจให้คุณนำแนวคิดบางอย่างไปไว้ใน PCB ของคุณเอง หากคุณทำโปรดแจ้งให้เราทราบในความคิดเห็นด้านล่าง โปรดดูที่ผลงานในการประกวด PCB และลงคะแนนให้กับสิ่งที่คุณคิดว่าดีที่สุด ฉันหวังว่ามันจะเป็นของฉัน แต่ฉันแน่ใจว่ายังมีผลงานดีๆ อื่นๆ อีกมากมายที่นั่นด้วย

รองชนะเลิศในการประกวด PCB