🥁 ⚪️ 😒 Eine weitere intelligente Uhr mit eigenen Händen 🎭 🤩 🔦

Inspiriert vor einiger Zeit von dem Artikel „Smartwatches mit eigenen Händen für 1500r.“ Ich habe mich auch entschlossen, ein ähnliches Gerät herzustellen.

Dieser Artikel ist nicht als Leitfaden für Maßnahmen oder Anweisungen gedacht, sondern als Hinweis auf die wichtigsten Punkte, denen ich mich stellen musste. Vielleicht dient es jemandem als Inspirationsquelle und nützliche Information.

Komponentenauswahl, Leiterplattenlayout, Löten unter rauen Bedingungen, 3D-gedrucktes Gehäuse und JavaScript auf der Uhr - unter dem Schnitt. Willkommen!

Anforderungen

Sie müssen die Zeit herausfinden, ohne hinter Ihrem Telefon in die Tasche greifen zu müssen
Es sollten Benachrichtigungen über eingehende Anrufe, SMS und Benachrichtigungen von Instant Messenger eingehen
Die Akkulaufzeit sollte mindestens eine Woche betragen
Sei so kompakt wie möglich

Bereits anhand dieser kleinen Liste von Anforderungen können Sie mit der Auswahl der Komponenten beginnen und die technischen Merkmale der Implementierung klären. Das Zeit- und Finanzbudget des Projekts war nicht besonders begrenzt, die Massenproduktion war nicht geplant, sodass Sie es sich leisten konnten, einen Spaziergang zu machen und sich nicht wirklich darum zu sorgen, jeden Cent zu sparen.

Neben dem allgemeinen Plan gab es rein technische:

Erstellen und Ausführen von benutzerdefinierten Anwendungen auf der Uhr. Wie Pebble . Im Allgemeinen ähnelt die Uhr im Folgenden immer mehr einem Pebble-Klon, aber warum nicht?
Speicher für Anwendungen und deren Daten
Angemessene Kontrolle des Ladezustands, damit die Uhr beim Entladen des Akkus nicht plötzlich ausgeht, sondern „Sticks“ anzeigt und im Voraus gewarnt wird
Beschleunigungsmesser, Gyroskop und Magnetometer zur vollständigen Verfolgung der Benutzerbewegung. In der Lage sein, einen Schrittzähler oder einen intelligenten Wecker herzustellen, der die Schlafphasen durch das Vorhandensein von Bewegung überwacht

All dies kristallisierte sich schließlich zu einem kleinen Diagramm heraus:

Der Mikrocontroller kombiniert BLE 4.x für die Kommunikation mit einem Smartphone, I²C- und SPI-Bussen für Sensoren und einem Display mit Speicher, steuert Vibrationen und reagiert auf Tastendrücke. Alles wird von einem Li-Po-Akku gespeist.

Jetzt können Sie mit der Auswahl von Chips und Teilen beginnen. In Bezug auf Arbeitsaufwand und Zeitaufwand war es der schwierigste und langwierigste Prozess. Es war notwendig, viel zu vergleichen, zu suchen und kopfüber zu tauchen, wo ich vorher nicht geschwommen war.

Komponentenauswahl

Mikrocontroller

Zunächst müssen Sie einen Controller auswählen, der das "Gehirn" des Geräts ist, und alles andere auf dem Board wird ihm zum Wohle dienen.

Um das Gerät kompakter zu machen, müssen so wenige Komponenten und Module wie möglich verwendet werden. Hier kommen verschiedene Systeme auf einem Chip zum Einsatz, die die Funktionalität eines Bluetooth-Moduls und eines Mikrocontrollers kombinieren.

Was bietet uns der Markt?

Bild
Quelle: www.argenox.com

Cypress PSoC BLE- Kern ARM Cortex-M0, BLE 4.2, 256 kB FLASH, 32 kB RAM, eine Reihe von Peripheriegeräten und ein integrierter Balun , ein breiter Bereich von Versorgungsspannungen: 1,9-5 Volt
Texas Insturments CC2541 - BLE 4.0 und 8051-Core, 256 KB FLASH, 8 KB RAM
Texas Instruments CC2640 - BLE 4.1, Cortex-M3, 128 kB FLASH, 20 kB RAM
Dialog DA-14580 - Cortex-M0, BLE 4.1, 16 MHz, 42 + 8 KB RAM, 32 KB OTP (einmalig programmierbarer Speicher, aber es ist möglich, Code von einem externen SPI FLASH auszuführen), dem kleinsten und am wenigsten verbrauchenden Chip der oben genannten
SiLabs EFR32 - Cortex-M4F, 40 MHz, BLE 4.x, Bluetooth 5, bis zu 1 MB FLASH, bis zu 256 KB RAM
Nordic nRF52832 - Cortex-M4F, 64 MHz, BLE 4.x, Bluetooth 5, 512 kB FLASH, 64 kB RAM, NFC-Tag-Emulation, integrierter Ballon

In der Menge der leckeren und nicht sehr Entscheidungen fiel die Wahl auf den nRF52832 , dieser Chip erwies sich als der produktivste und recht praktischste in Bezug auf das Gehäuse (6 x 6 mm 48-poliger QFN). Eine schicke Option, die die Verkabelung der Karte erheblich vereinfacht, ist die Möglichkeit, Peripheriegeräte programmgesteuert einem der GPIO-Pins zuzuweisen. Dies ist etwas, was vielen Mikrocontrollern fehlt. Dank der NFC-Unterstützung können Sie der Uhr die Funktionalität eines NFC-Emulators hinzufügen und alle Ihre Passkarten in die Uhr nähen.

Das Datenblatt besagt, dass es eine eingebaute RTC (Echtzeituhr) gibt, dies ist praktisch. Später stellte sich jedoch heraus, dass dies keine Uhr ist, sondern ein Echtzeitzähler, d.h. Dies ist der am häufigsten verwendete Timer, der mit 32,768 kHz Quarz arbeitet, auch im Ruhemodus. Daher werde ich in der nächsten Version des Geräts einen separaten Chip für RTC verwenden, z. B. STMicroelectronics M41T62LC6F . Es verfügt über eingebauten Quarz bei 32,768 kHz und arbeitet an der I²C-Schnittstelle.

Das nRF52-DK-Debugboard kostet ziemlich billig , ungefähr 4 Tausend. Rubel. Auf Aliexpress finden Sie für ~ 3tys.

Übrigens

Da das Gerät keine Massenproduktion und keinen Marktverkauf umfasst, ist es eine faszinierende Aufgabe ohne ernsthafte Konsequenzen, ein eigenes Board zu zeichnen und Ihre Lösung auf BLE SoC aufzubauen. Für diejenigen, die schnell auf den Markt kommen möchten, wird empfohlen, vorgefertigte vorzertifizierte Module zu verwenden .

Dafür gibt es mehrere Gründe, die mit dem Radio zusammenhängen: Für jedes neue elektronische Gerät auf dem Markt ist es erforderlich, eine Genehmigung einzuholen und die Zertifizierung von Regulierungsbehörden wie CE und FCC zu bestehen .
Logos von Reglern, häufig auf dem Gerätegehäuse zu finden

Begleitende Freuden sind ein spezielles Layout der Platine, das die Ausbreitungseigenschaften von Signalen mit einer Frequenz von 2,4 GHz, Abschirmung, Messungen in einer schalltoten Kammer, Impedanzanpassung und andere Mikrowellenmagie berücksichtigt. In den fertigen Modulen wurde all diese Arbeit bereits von den Entwicklern ausgeführt. Der Benutzer muss das Modul nur in seine Lösung einbetten und es muss nichts zertifiziert werden.

Quarzresonatoren

Quarzresonatoren werden an den ausgewählten nRF52832-Chip angeschlossen:

Bei 32 MHz zum Takten des Kerns und des Radios erforderlich
Bei 32,768 kHz, um den Taktgeber und die BLE-Zeitschlitze im Schlafmodus zu takten. Optional, aber der Anschluss reduziert den Stromverbrauch (Zeitschlitze können verkürzt werden) und erhöht die Genauigkeit der RTC-Uhr.

Beide Quarzarten werden bei Aliexpress in einem oberflächenmontierten Gehäuse bestellt:

Bild

Schalten Sie das Display ein und zeigen Sie den Inhalt nur an, wenn eine Handbewegung auftritt und der Bildschirm in das Sichtfeld des Benutzers fällt oder wenn die Aufmerksamkeit des Benutzers bereits durch eine Benachrichtigung oder einen Wecker erregt wurde
Zeigen Sie Inhalte ständig an, indem Sie Anzeigen verwenden, die praktisch keinen Strom verbrauchen, um das Bild anzuzeigen, und nur, um den Inhalt zu aktualisieren. Sie müssen für Beispiele nicht weit gehen: Dies ist E-Ink , Memory LCD oder IMOD / Mirasol

Was bietet uns der Markt?

Für die Option, dass das Display die meiste Zeit von Malevich stammt, gibt es solche Optionen auf dem Markt: OLED-, TFT-, Amoled- und LCD-Telefonmodule (Nokia, Siemens usw.). Es bleibt eine Anzeige mit einer geeigneten Diagonale zu finden.

Beispiele:

Kleine OLED-Displays wie Ali Express kosten einen Cent.
Eine Reihe von Minuspunkten: kleine Diagonale, monochrom, Verbrauch 10-20 mA, sperriges Modul. Ohne Modulplatine - eine breite Schlaufe und ein Meer von Umreifungsbändern, die einen erheblichen Teil der Fläche auf der Platine absorbieren.
TFT LCD, z.B. ILI9341 . Von den Minuspunkten: Verbrauch, breite Schleife

Die Bildschirme auf der E-Ink verschwanden sofort, da die Aktualisierungsgeschwindigkeit des Bildschirms zu langsam und monochrom ist und es höchstwahrscheinlich schwierig ist, ein relativ kleines E-Ink-Display auf dem freien Markt zu finden.

Wenn Sie sich Pebble ansehen, können Sie sehen, dass es die Anzeige „Immer an“ verwendet. Pebble Classic verwendet ein monochromes SHARP Memory LCD- Display. Pebble Time verwendet ein Farbdisplay (64 Farben) mit einer ähnlichen Technologie, das jedoch von JDI hergestellt wird und nicht zum Verkauf angeboten wird.

In Bezug auf IMOD / Mirasol konnte Qualcomm nur Marketingbroschüren und Toq-Uhren von Qualcomm finden .

Ich wollte ein Farbdisplay wie die Pebble Time machen. Das nächste Analogon, das zum Verkauf steht, war SHARP LS013B7DH06 ( sein Datenblatt ).

Eigenschaften

Diagonale 1,33 "
Auflösung: 128 x 128, 8 Farben (3 Bit pro Pixel)
Abmessungen: 26,82 x 31,3 mm
Schnittstelle: SPI
Versorgungsspannung: 5 V, aber Logikpegel SPI von 2,7 V.

Der Hinterhalt stellte sich mit der Versorgungsspannung heraus, da der Li-Po-Akku ohne zusätzliche Aufwärtswandler nicht die erforderliche 5-V-Spannung erhält. Der Strom am Display ist jedoch gering und mit einer Ladungspumpe vom Typ Linear LTC1754-5 ist es recht einfach, die erforderlichen 5 V zu erhalten:

Ein weiteres Merkmal war die Notwendigkeit, den Status des EXTCOMIN-Pins (Externe COM-Inversion) mindestens einmal pro Sekunde von einem hohen auf einen niedrigen Pegel und umgekehrt umzuschalten, damit sich die Ladung nicht auf dem Bildschirm ansammelte und das Bild an einem Punkt nicht einfrierte. Zu diesem Zweck können Sie die eingebaute PWM (PWM) des Mikrocontrollers, die auf ein Tastverhältnis von 50% (Rechteckwelle) und eine Frequenz von 1 Hz oder höher abgestimmt ist, oder einen anderen (einschließlich externen) Rechteckwellengenerator entsorgen.

Das Display wird über ein kleines Kabel mit der Platine verbunden. Es ist sehr praktisch, einen 10-poligen FPC-Anschluss in Schritten von 0,5 mm zu verwenden, z. B. Hirose FH12-10S-0.5SH :

Das Anzeigemodul hat keine eigene Hintergrundbeleuchtung und scheint nicht wie ein gewöhnlicher LCD-Bildschirm durch die LEDs. Daher haben wir vorerst keine Zeit, die Uhr ohne Hintergrundbeleuchtung zu sehen. Wenn jemand mit dem Erstellen eines Hintergrundbeleuchtungsmoduls für diese Art von Bildschirmen vertraut ist, antworten Sie bitte.

Batterie

Ich musste einige Zeit damit verbringen, die richtige Batteriegröße aus dem Standardgrößenbereich auszuwählen. Ich suchte nach einer Lithium-Polymer-Batterie mit einer Spannung von 3,7 V und einer Kapazität von ca. 100 mAh.

Die Batterie sollte unter die Platine gelegt werden. Wenn Sie die Größe der Platine kennen, können Sie leicht eine Batterie aufnehmen, die passt und nichts hervorsteht.

Was bietet der Markt?

Bei Aliexpress können Sie eine ganze Reihe von Batterien für fast jede Größe bestellen. Die Hauptsache ist, das Codierungssystem für deren Namen zu kennen. Und es ist so: HHWWLL, wobei HH die Dicke (Höhe) der Batterie in Zehntel Millimetern ist, WW ihre Breite und LL ihre Länge in Millimetern.

Beispiel: 402025 - Batterie mit einer Dicke von 4 mm und einer Größe von 20 x 25 mm

302025 (3x20x25mm) Batterien mit einer Kapazität von 110mAh wurden ausgewählt und bei Aliexpress bestellt.

Ernährung

Da es sinnvoll ist, Lithium-Polymer-Batterien nur bis zu 3 Volt zu entladen, wurde beschlossen, den gesamten Stromkreis mit stabilisierten 3 V zu versorgen. Wenn die Spannung an der Batterie unter 3 V abfällt , den Hauptleistungsregler für den Schutzchip abhacken ( Maxim MAX809TEUR + T ).

Die Gesamtversorgungsspannung von 3 V passt in die Leistungsbereiche aller Elemente der Schaltung, mit Ausnahme des Displays, das 5 V benötigt. Daher wird das Display über den linearen Aufwärtswandler LTC1754-5 direkt von der Batterie gespeist.

Wenn Sie sich die Entladekurve dieses Batterietyps ansehen,

Es ist ersichtlich, dass die gesamte Batteriekapazität in den Spannungsbereich von ~ 4 V bis 3 V fällt, sodass ein herkömmlicher 3 V-Abwärtswandler ausreicht, um das System mit einer stabilen Spannung zu versorgen und gleichzeitig die gesamte Energie effektiv aus der Batterie abzusaugen, ohne etwas zu hinterlassen, ohne sie jedoch zu überladen .

Texas Instruments TPS78230DRVT wurde als Abwärtswandler ausgewählt. Es hat einen kleinen Betriebsstrom von 500 nA und einen maximalen Strom von 150 mA, was völlig ausreichend ist. Das SON-6-Gehäuse ist kompakt und gut zu bezahlen:

Batterieladung

Es wurde beschlossen, den Akku über einen Standard-Micro-USB-Anschluss ( Molex 47346-0001 ) aufzuladen . Es reicht jedoch nicht aus, den Akku direkt an den 5-V-USB-Bus anzuschließen und auf diese Weise aufzuladen. Es ist erforderlich, den korrekten Ladevorgang sicherzustellen, der in mehrere Phasen unterteilt ist: Vorkonditionierung, Konstantstrom, Konstante Spannung.

Typisches Ladeprofil für einen 180-mAh-Akku

Gute Erklärung des Ladevorgangs auf EEVBlog

Eine beliebte Lösung zum Laden von Batterien mit geringer Kapazität (bis zu 500 mAh) ist der Microchip MCP73831-Chip . Der Ladestrom (abhängig von der Batteriekapazität) wird von einem Widerstand programmiert. Es gibt einen Drei-Zustands- oder Open-Drain-Ausgang, der Sie über den Beginn und das Ende des Ladevorgangs informiert.

Ich habe auch einen anderen Chip gewählt - Maxim MAX1555EZK-T . Es hat einen festen Ladestrom von 100 mAh und das gleiche Gehäuse wie der Mikrochip-Chip. Gleichzeitig erfordert es ein Minimum an externen Komponenten und einen Open-Drain-Ausgang, um über den Ladevorgang zu informieren:

Datenblattbild

In der nächsten Version der Karte werde ich immer noch auf den Mikrochip-Chip umsteigen, da der Ladestrom von 100 mA für einen 110-mAh-Akku wahrscheinlich etwas hoch ist.

Batteriekapazitätsregler

Es gibt verschiedene Techniken zur Überwachung des Batterieladegrads, die sich in der Ausführung und Genauigkeit des Endergebnisses etwas unterscheiden (in englischen Quellen wird dies als Ladezustand bezeichnet):

Liste

Messen Sie die sogenannten Leerlaufspannung / OCV (Spannung auf den Platten) der Batterie durch den ADC und schließen Sie eine Schlussfolgerung über die Batteriekapazität. Meistens ist es notwendig, den Spannungsbereich unter Verwendung eines Spannungsteilers auf einen Bereich zu übertragen, der für den Betrieb des ADC akzeptabel ist. Die Nachteile dieses Ansatzes bestehen darin, dass das Diagramm der Spannung gegenüber der Kapazität für Lithium-Polymer-Batterien ziemlich flach ist und sich die Messwerte selbst mit jedem Zyklus ändern und aufgrund des Einflusses des Laststroms Rauschen und der Unfähigkeit unterliegen, die wahre Spannung an den Platten zu messen
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Strom zu messen, der in die Batterie hinein und aus dieser heraus fließt, anstatt die Spannung an den Platten zu messen. Dies ist die sogenannte Coulomb-Zählung. Eine typische Lösung besteht darin, den Wert des Spannungsabfalls über einen Shunt-Widerstand mit kleinem Widerstand (ca. 100 mOhm) zu integrieren. Wenn wir die Kapazität der Batterie kennen, können wir anhand des Stroms, der für einen bestimmten Zeitraum aus ihr herausfloss, schließen, wie viel mehr Energie in der Batterie verbleibt (ohne Selbstentladung). Die Nachteile dieses Ansatzes sind, dass die Selbstentladung nicht berücksichtigt wird und dass sich die tatsächliche Batteriekapazität mit jedem Lade- / Entladezyklus ändert. Grob gesagt fließt weniger Strom aus dem Akku als beim Laden in den Akku. Aus diesem Grund wird sich im Laufe der Zeit zwangsläufig ein Fehler in den Messwerten ansammeln
Die Kombination der ersten und zweiten Methode: Messung und Spannung an den Platten und der fließende Strom. Eine kompetente Kombination der beiden Ansätze wird dazu beitragen, ein Modell zu erstellen, das die Batteriekapazität mit guter Genauigkeit bewertet. Damit dieser Ansatz funktioniert, muss mindestens ein Lade- / Entladezyklus erstellt werden, um Daten über die Abhängigkeit der Spannung zwischen den Platten von der Kapazität zu sammeln. Darüber hinaus muss jeder nächste Zyklus Änderungen am Batteriemodell vornehmen, damit sich der Fehler nicht ansammelt. Es gibt Artikel, in denen beschrieben wird, wie mithilfe des Kalman-Filters Daten aus verschiedenen Messungen kombiniert wurden, um die verbleibende Ladung vorherzusagen ( [1] , [2] ).

Was bietet uns der Markt?

Maxim MAX17043 - Unter Verwendung eines proprietären Algorithmus für die Spannung an den Platten wird ein Batteriemodell in sich selbst erstellt. Verspricht eine Genauigkeit der Messung der verbleibenden Ladung von 3%. Schnittstelle I²C. Schöner und kleiner Körper
OnSemi LC709203F - misst OCV, I²C-Schnittstelle, Genauigkeit von 2,8%, es erfolgt eine Temperaturkompensation durch einen externen Thermistor. Teuer und schlecht in Russland
Texas Instruments BQ27621 - misst die Spannung an den Platten, I²C, Genauigkeit nicht angegeben, teuer, BGA-Paket
Texas Instruments BQ27421 - misst gleichzeitig die fließende Spannung und den fließenden Strom. I²C-Schnittstelle, Genauigkeit nicht angegeben, teuer, BGA-Paket
Linear LTC2941 - misst den fließenden Strom, I²C-Schnittstelle, 1% Genauigkeit, erfordert zusätzlich einen externen Shunt-Widerstand (er ist in LTC2941-1 eingebaut), Gehäuse: 2x3mm DFN-6

Von den verfügbaren Optionen wurde der lineare LTC2941- Chip für den kleinsten, aber zu zahlenden Fall und einen klaren Arbeitsalgorithmus ausgewählt. Bei Aliexpress bestellt.

Datenblattbild

Bild
Quelle: Lineare Technologie

Die Mikroschaltung verwendet die Coulomb-Zählertechnik und zählt den fließenden Strom mit einer Genauigkeit von 1%, arbeitet über die I²C (SMBus) -Schnittstelle und verfügt über ein kleines, aber praktisches Gehäuse: 2x3 mm DFN-6:

Über I²C im Mikrokreis können Sie den Wert des Gegenstücks zum aktuellen Messgerät einstellen sowie den Wert des Zählers selbst einstellen oder ablesen. Der Zähler ist 16-Bit und erhöht sich, wenn Strom in die Batterie fließt, und verringert sich, wenn Strom aus der Batterie fließt. Der maximale Zählerwert (0xFFFF) kann als vollständig geladener Akku und der minimale (0x0000) als vollständig entladener Akku verwendet werden. Mit einem gut gewählten Zähler-Vorwähler kann erreicht werden, dass der Zähler während des Ladevorgangs sein Maximum erreicht und Null erreicht, wenn der Akku vollständig entladen ist. Es ist möglich, den Grenzwert für den Zählerwert festzulegen, unterhalb dessen die Mikroschaltung einen Alarm auslöst und einen Interrupt auslöst.

Beschleunigungsmesser

Unter den zahlreichen Optionen auf dem Markt wurde ein recht beliebter Chip ausgewählt: InvenSense MPU-9250 . Dies ist ein System in einem Fall (SiP), das MEMS-Beschleunigungsmesser, MEMS-Gyroskop und Magnetometer-Chip kombiniert.

Eigenschaften

Versorgungsspannung von 2,4 V bis 3,6 V.
16-Bit-Dreiachsen-MEMS-Beschleunigungsmesser mit Messbereichen von ± 2 g, ± 4 g, ± 8 g, ± 16 g
16-Bit-Dreiachsen-MEMS-Gyroskop bis 2000 ° / s
16-Bit-Dreiachsen-Magnetometer mit Messbereich bis ± 4800μT
Eingebaute digitale Filter
Schnittstellen I²C und SPI
Programmierbare Interrupts
Co-Prozessor zum Lesen von DMP (Digital Motion Processor)

Der Chip ist exzellent, aber am Ende schien es ein Overkill zu sein und ein einfacher Beschleunigungsmesser reicht für die Verwendung in einer Uhr aus. Zum Beispiel Analog ADXL362 - laut Hersteller ist dies der wirtschaftlichste dreiachsige MEMS-Beschleunigungsmesser.

Flash-Speicher

Es wurde beschlossen, einen externen SPI-FLASH-Speicher für Anwendungen und Daten zu verwenden. Aus einer Vielzahl von Optionen wurde der Winbond W25Q256FV- Chip im kompakten WSON-8-Paket ausgewählt:

Die Größe des Flash-Speichers beträgt 256 Megabyte (oder 32 Megabyte), es reicht aus. Der Speicher ist in Seiten mit 256 Bytes unterteilt, die in Sektoren mit 4 Kilobyte und Blöcke mit 32 Kilobyte gruppiert sind. Im aktiven Modus (Lesen oder Schreiben) verbraucht es bis zu 20 mA, im Standby-Modus weniger als 1 μA.

Wie beim Beschleunigungsmesser schien es später, dass 32 Megabyte auch ein Overkill sind, und Sie könnten stattdessen den eingebauten FLASH-Speicher des Mikrocontrollers verwenden, er hat bereits 512 Kilobyte. .

Knöpfe

, ( Pebble, ). . , :

Wealth Metal TD-26EA :

: &

, .

Omron B3U-3000P :

, , .

Aliexpress , 3V (HxWxL) 3x3x12mm:

, 100mA .

Antenne

- , - . , , . , . , .

- 2.4GHz Johanson 2450AT18B100 :

, , Johanson , , Nordic. nRF52 Johanson Johanson 2450FM07A0029 , - LC- .

Die Antennen wurden auf Aliexpress mit 10 Stück Klebeband bestellt. für 214r / Band.

Alles andere

Passive Komponenten für Hosenträger und Umreifungsbänder sind hauptsächlich Chips der Größen 0402 und 0603, die in Elitan bestellt werden . Neben passiven Komponenten befinden sich zwei Transistoren und ein Diodenpaar auf der Platine. Sie sind an der Steuerung des Vibrationsmotors sowie am Stromkreis beteiligt und entkoppeln USB-Strom und Batterie .

Schaltung und Platine

Das Erscheinungsbild der Tafel in den Screenshots unterscheidet sich geringfügig von der Bestellung und ist auf den Fotos des Geräts enthalten. Die Board-Screenshots sind nur eine etwas spätere Überarbeitung mit geringfügigen Änderungen.

Nachdem ich mich entschlossen hatte, etwas Neues auszuprobieren, zeichnete ich die Schaltung und die Platine nicht im üblichen DipTrace, sondern im Cloud-EDA-Upverter: eine Verknüpfung zum Design .

Mit dem Upverter können Sie die Platine und die Schaltung gleichzeitig durchgängig konstruieren, sodass einige der Verdrahtungselemente gemäß dem Schema ausgeführt wurden und ein Teil der Schaltung unter Berücksichtigung der Verdrahtungsmerkmale entworfen wurde.

Ein weiteres Killer-Feature von Upverter ist eine riesige Bibliothek von Komponenten, die sorgfältig von Bots und einer Reihe von Indianern erstellt wurden. Es stellte sich als sehr praktisch heraus, das bereits gezeichnete Teil zu nehmen und zu überprüfen, ob alles mehr oder weniger korrekt ist, anstatt das Symbol und den Fußabdruck vollständig selbst zu zeichnen.

Zuerst habe ich beschlossen, die Komponenten anzuordnen, deren Position genau festgelegt wird: Tasten, Micro-USB-Anschluss und ein Anschluss für den Bildschirm. Ich habe keine Befestigungslöcher gemacht, in der Hoffnung, dass die Platine durch das Gehäuse geklemmt wird und nichts hängen bleibt.

Befolgen Sie nach der Position der festen Elemente die "Faustregel" und wir werden zuerst das Radio züchten. Die Chipantenne hat einen kleinen Haltebereich in der Nähe, innerhalb und unter dem es nicht empfohlen wird, Spuren und Polygone auf allen Schichten zu platzieren. Daher besteht die Regel für einen guten Ton darin, die Antenne am Rand der Platine zu platzieren, vorzugsweise näher an einer der Ecken. Tatsächlich bestimmte der Standort der Antenne den Standort des Mikrocontrollers. Damit die Länge des Leiters vom Antennenausgang auf dem Chip zur Antenne selbst so gering wie möglich ist (unter Berücksichtigung der passenden Komponenten), platzieren wir den Controller näher an der Kante, an der sich die Antenne befindet.

Alle anderen Komponenten können (ohne den gesunden Menschenverstand zu vergessen) ganz frei lokalisiert werden. Dies liegt daran, dass die Position der Ports für die digitalen Peripheriegeräte des nRF52-Mikrocontrollers per Software bestimmt werden kann.

Nach meiner geringen Erfahrung ist eine erfolgreiche gegenseitige Anordnung von Komponenten zu 90% erfolgreich und bestimmt die Qualität der weiteren Verkabelung. Daher sollte diesem Prozess besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Screenshot der Tafel (Polygone werden nicht überflutet, Ansicht von unten)

Aus Gründen der Übersichtlichkeit habe ich eine ungefähre Topologie der Schlüsselbereiche gezeichnet:

Das Board besteht aus vier Schichten. Das Platzieren der ausgewählten Komponenten auf dem Board und das Auflösen ihrer Verbindungen dauerte mehrere Nächte. Dann dauerte es ungefähr eine Woche, bis das Board feststeckte, nach Fehlern suchte, Datenblätter ohne Eile überprüfte und erneut las, um plötzliche Überraschungen zu vermeiden.

Das Board wurde unter Berücksichtigung der technologischen Standards des Board-Herstellers gezeichnet, der zum amerikanischen OSHPark.com wurde :

Leiter / Abstand: 5/5 Mil
Durchkontaktierungen: 10/4 mil Loch / Pad
Material: FR408
Finish: Immersionsgold mit einer Nickel-Unterschicht (ENIG)
Blinde Durchkontaktierungen und Übergänge der inneren Schicht (vergrabene Durchkontaktierungen) werden nicht unterstützt. Und das brauchen wir nicht

Gleichzeitig beträgt der Preis 10 US-Dollar pro Quadratmeter. Zoll und die Anzahl der Bretter in der Reihenfolge - 3 Stück. Dies sind sehr hochwertige und kostengünstige (für Prototypen) Motherboards mit einer erkennbaren lila Maske. Ich empfehle jedem, der nicht kritisch ist, zwei Wochen auf seine bilateralen oder vierschichtigen Motherboards einen Monat zu warten.

Screenshot bestellen

Infolgedessen musste ich für drei Gebühren 14 USD zahlen und einen Monat später per Post abholen.

Board Fotos ohne Komponenten

Alle Komponenten befinden sich auf der Unterseite der Platine, auf der Oberseite der Platine befindet sich das Anzeigemodul, unter dem sich eine flache NFC-Spule befindet, mit der Sie mehrere Millimeter Höhe sparen und einen reibungslosen und festen Sitz des Displays gewährleisten können.

Es stellt sich so ein Sandwich heraus

Auf der Oberseite der Platine befinden sich außerdem eine Reihe von Testpunkten, Testpads, an die I²C-, SPI-Busleitungen, Interruptleitungen und einige Steuersignale angeschlossen sind. An diese Plattformen kann ein Oszilloskop oder ein Logikanalysator angeschlossen werden. Diese Funktion vereinfacht das Schreiben von Treibern und das Debuggen von Firmware erheblich. Auf der Oberseite der Platine befinden sich außerdem die JTAG-Debugging-Schnittstelle (SWD) zum Flashen und Debuggen über Segger JLink, die im nRF52-DK-Kit enthalten ist, sowie Pads zum Löten der NFC-Antennenspule.

Montage und Löten

Wenn Sie den gesamten Prozess der Oberflächenmontage vollständig verfolgen, müssen Sie eine SMD-Schablone (SMD-Schablone) und eine Lötpaste bestellen , die Lötpaste durch die Schablone auftragen , die Komponenten anordnen und an den Reflow-Ofen senden.

Aber ich hatte keinen Ofen und keine Schablone. Und der Wunsch, sich mit ihm anzulegen und auch Lötpaste. Ich wollte schnell einen Prototyp zusammenbauen und anfangen, Software zu testen und zu schreiben. Daher habe ich alle Komponenten, von denen die kleinsten Chips der Größe 0402 sind, manuell gelötet, Paste mit einer Nadel aufgetragen, die Komponenten mit einer Vakuumpinzette platziert und mit einem Haartrockner gelötet.

Das Ergebnis ist auf dem Foto zu sehen:

Knöpfe sind nicht verlötet und statt mehrerer dreibeiniger Chips - Jumper.
Ich entschuldige mich für die minderwertigen Fotos, die auf einem Ziegelstein aufgenommen wurden.

Foto durch x30 Lupe

Sie können leicht gedrehte Komponenten und stellenweise einen Lötmittelüberschuss sehen. Dies ist bei manueller Installation und Anwendung der Paste unvermeidbar.

Sobald die Platine zusammengebaut war, nahm ich den Tester in die Hand und klingelte, was ich für Kurzschlüsse erreichen konnte. Nachdem er sichergestellt hatte, dass er nicht zu kurz zu sein schien, schloss er ein USB-Kabel an. Es gibt keinen Rauch, die Chips erwärmen sich nicht, die Spannung am USB-Anschluss beträgt 5 Volt, der Ladeausgang beträgt 4,2 V, die Spannung nach LDO beträgt genau drei Volt. Es scheint zu funktionieren.

Selbst bei voller Stromversorgung zeigte das Gerät natürlich keinerlei Lebenszeichen. Jetzt müssen Sie ihm die Seele einhauchen - die Firmware (oder das „Betriebssystem“, wie einige Uhrenhersteller: WatchOS, PebbleOS usw.).

Der nächste Schritt im Test bestand darin, den im nRF52-DK integrierten JLink-Debugger über die SWD-Schnittstelle anzuschließen. Wir schließen die Verkabelung an, führen JLinkExe aus und sehen unseren Chip! Sie können mit dem Schreiben der Firmware und dem programmgesteuerten Testen der verbleibenden Eisenblöcke beginnen.