PCB -visitkort med NFC: 18 steg (med bilder)

2025 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2025-01-13 06:58

När jag kom till slutet av mina studier fick jag nyligen leta efter en sex månaders praktik inom elektronik. För att göra intryck och maximera mina chanser att rekryteras i mina drömmars sällskap hade jag idén att göra ett eget visitkort. Jag ville göra något unikt, användbart och kunna visa mina färdigheter i elektronisk kretsdesign till vem jag ska överlämna det.

För tre år sedan, när jag tittade på Instructables, hittade jag ett mycket intressant projekt av Joep1986, med titeln "Digital visitkort med NFC". Detta projekt innebar att man inbäddade en NFC -tagg i ett pappersvisitkort för att dela kontaktinformation med en telefon utrustad med NFC -teknik. Jag tyckte att det här projektet var mycket inspirerande och jag tänkte byta ut den generiska NFC -taggen med en anpassad krets enligt min uppfinning.

Så här kom jag på idén att skapa mitt eget visitkort på ett kretskort, som på ett ögonblick kan skicka min LinkedIn -profil på en rekryterares smartphone med NFC -teknik.

Denna instruktion täcker varje steg jag följde för att föreställa mig, designa och skapa mitt PCB -visitkort med NFC, från antennparameterberäkningarna till NFC -chipsprogrammeringen genom den strukturerade PCB -designen.

Steg 1: BOM, verktyg och färdigheter som behövs

Du kommer behöva:

Nödvändiga verktyg:

• lödkolv
• varmluftsbearbetningsverktyg
• lödpasta
• lödflöde
• Lödtråd
• pincett med lång näsa
• cross-lock pincett
• isopropylalkohol
• ett Q-tips
• en tandpetare
• en telefon med NFC

Valfria (men praktiska) verktyg:

• Rökutsug
• Magnifikt glas

Kompetens:

SMD -lödningskunskaper

Materialförteckning:

Komponent	Paket	Referens	Kvantitet	Leverantör
NFC -chip 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Råttfångare
Gul LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Råttfångare
47 Ω motstånd	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Råttfångare
220 nF kondensator	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Råttfångare
PCB	-	-	1	Elecrow

Steg 2: NFC -tekniken

Vad är NFC?

NFC är en förkortning för Near Field Communication. Det är en kortdistansradioteknik som möjliggör kommunikation mellan enheter som hålls i närheten (<10 cm). NFC -system är baserade på traditionellt högfrekvent (HF) RFID, som fungerar vid 13, 56 MHz.

För närvarande stöder NFC -standarden olika dataöverföringshastigheter upp till 424 kbit/s. Principmekanismen för NFC -kommunikation mellan två enheter är densamma som traditionell 13, 56 MHz RFID, där det finns både en master och en slav. Mästaren kallas emitter, eller läsare/författare och slaven är en tagg eller ett kort.

Hur fungerar det ?

NFC involverar alltid en initiator och ett mål: initiatören (Emitter) genererar aktivt ett RF -fält som kan driva ett passivt mål (Tag) med hjälp av elektromagnetisk induktion mellan två slingantenner:

Sändarens och etikettens antenner är kopplade via ett elektromagnetiskt fält och detta system kan bäst ses som en luft-kärntransformator där läsaren fungerar som primärlindningen och taggen som sekundärlindning: växelströmmen som passerar genom primären spole (Emitter) inducerar ett fält i luften, vilket inducerar ström i sekundärspolen (Tag). Taggen kan använda strömmen från fältet för att driva sig själv: i det här fallet krävs inget batteri för att komma åt den, varken i läs- eller skrivläge. NFC -taggchipet drar all nödvändig effekt för att driva från magnetfältet som läsaren genererar genom sin loopantenn.

Var används NFC?

NFC är en växande teknik med behovet av att trådlöst ansluta elektroniska enheter. NFC har i stor utsträckning integrerats i smartphones för att interagera med NFC -kompatibla fysiska enheter och tillhandahålla nya tjänster som kontaktlös betalning.

Eftersom NFC -taggar inte behöver integrera en strömkälla eftersom de kan drivas av den energi som läsaren släpper ut, kan de ta mycket enkla formfaktorer som taggar utan etiketter, klistermärken, kort eller till och med ringar.

Jag gillade verkligen att NFC -taggarna inte bäddar in förorenande knappceller för att fungera utan bara använder sändarens energi istället.

Steg 3: NFC -chipet

NFC IC

NFC -chipet är visitkortets hjärta.

Mitt krav var:

• ett litet SMD -paket
• tillräckligt med minne för en länk till min LinkedIn -profil
• inbäddad energiskördemodul

Efter att ha jämfört flera NFC -moduler valde jag NTAG NT3H1101 IC från NXP. Enligt databladet:

"NTAG I2C är den första produkten av NXP: s NTAG -familj som erbjuder både kontaktlösa och kontaktgränssnitt (se figur 1). Förutom det passiva NFC Forum -kompatibla kontaktlösa gränssnittet har IC ett I2C -kontaktgränssnitt, som kan kommunicera med en mikrokontroller om NTAG I2C drivs från en extern strömförsörjning. En extra externt driven SRAM mappad i minnet möjliggör en snabb dataöverföring mellan RF- och I2C -gränssnitten och vice versa, utan skrivcykelbegränsningar för EEPROM -minnet. NTAG I2C -produktfunktionerna en konfigurerbar fältdetekteringsstift, som tillhandahåller en utlösare till en extern enhet beroende på aktiviteterna vid RF -gränssnittet. NTAG I2C -produkten kan också leverera ström till externa (lågeffekts) enheter (t.ex. en mikrokontroller) via den inbäddade energihämtningskretsen."

Steg 4: Beräkning av antenninduktans

För att kommunicera och få ström måste en NFC -tagg ha en antenn. Antenndesignförfarandet börjar med motsvarande modell av NFC -chipet och dess loopantenn:

var:

• Voc är den öppna kretsspänningen som induceras av magnetfältet i slingantennen
• Ra är ekvivalentmotståndet för slingantennen
• La är motsvarande induktans för slingantennen
• Rs är det seriella ekvivalenta motståndet för NFC -chipet
• Cs är den seriella ekvivalenta inställningskapacitansen för NFC -chipet

Antennen kan beskrivas av en induktor La med ett mycket litet förlustmotstånd Ra. När ett magnetfält induceras av emitteren i slingantennen, induceras en ström i det och en öppen kretsspänning Voc visas vid dess terminaler. NFC-chipet kan beskrivas av ett ingångsmotstånd Rs och en inbyggd avstämningskondensator Cs.

Seriemotstånden Ra och Rs summeras för den sista ekvivalenta modellen av kretsen som består av den integrerade NFC -kretsen och dess slingantenn:

NFC IC-motståndet Rs tillsammans med antennmotståndet Ra och den inbyggda kondensatorn Cs bildar en resonanskrets RLC med induktorn La på antennen. Mer information om RLC -resonanskretsar förklaras i elektronikhandledning online.

Resonansfrekvensen för en serie RLC -krets ges med formeln:

var:

• f är resonansfrekvensen (Hz)
• L är kretsens (H) ekvivalenta induktans
• C är kretsens (F) ekvivalenta kapacitans

Ekvationens enda okända parameter är värdet på induktansen L. Denna är så isolerad för att kunna beräknas:

Genom att veta att NFC -driftsfrekvensen är 13, 56 MHz och att avstämningskondensatorn NT3H1101 är 50 pF beräknas induktansen L:

För att resonera vid NFC -frekvensen måste PCB -visitkortantennen ha en total induktans på 2, 75 μH.

Steg 5: Definiera antennformen: Geometriska beräkningar (första metoden)

Att designa en slingantenn på ett kretskort med en specifik induktans är möjlig och måste respektera geometriska begränsningar. En antenn kan ha olika former: rektangulär, fyrkantig, rund, sexkantig eller till och med åttkantig. För varje form motsvarar en specifik formel som ger ekvivalent induktans beroende på storlek, antal varv, spårens bredd, kopparens tjocklek och många andra parametrar …

För utformningen av mitt visitkort valde jag att använda en rektangulär antenn vars geometri är följande:

var:

• a0 och b0 är antennens övergripande dimensioner (m)
• aavg & bavg är antennens genomsnittliga dimensioner (m)
• t är spårets tjocklek (m)
• w är spårvidden (m)
• g är gapet mellan spåren (m)
• Nant är antalet varv
• d är spårets ekvivalenta diameter (m)

För denna specifika geometri ges motsvarande induktans Lant med formeln:

var:

För att göra beräkningarna enklare skapade jag ett excelbaserat beräkningsverktyg som automatiskt beräknar motsvarande induktans för antennen enligt de olika geometriska parametrarna. Den här filen sparade mig mycket tid och ansträngningar för att hitta rätt antenngeometri.

Jag hade en likvärdig induktans Lant = 2, 76 μH (tillräckligt nära) med följande parametrar:

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

Om du är allergisk mot matematik och beräkningar finns andra metoder och beskrivs detaljerat i följande steg. Det är fortfarande viktigt att gå igenom beräkningarna för att lära sig mer om grunderna i antenndesign;)

Steg 6: Definiera antennformen: Onlinekalkylatorer (andra metoden)

Ett alternativ till långa beräkningar i det föregående steget är förekomsten av online -antenngeometri -räknare. Dessa räknare är gjorda av individer eller proffs och är avsedda att förenkla utformningen av antenner. Eftersom det är svårt att verifiera vilka beräkningar som görs av dessa onlinekalkylatorer, rekommenderas det starkt att använda räknare som visar referenser och formler som används eller de som utvecklats av specialiserade företag.

STMicroelectronics erbjuder en sådan kalkylator i sin onlineapplikation eDesignSuite för att hjälpa kunder att integrera ST -produkter i sin krets. Kalkylatorn är giltig för alla applikationer med NFC -teknik och kan därför användas för NFC -chipet från NXP.

Med de geometriska värdena tidigare beräknade är den resulterande induktansen beräknad av eDesignSuite -applikationen 2, 88 μH istället för det förväntade värdet 2, 76 μH. Denna skillnad är överraskande och ifrågasätter resultatet som erhållits tidigare. Formeln som används av applikationen är okänd och det är omöjligt att göra jämförelser med tidigare beräkningar.

Så vilken av de två metoderna ger ett korrekt resultat?

Ingen ! Onlinekalkylatorer och formler är teoretiska verktyg för att approximera ett resultat, men måste kompletteras med simuleringar med specialiserade programvaror och verkliga tester för att få det förväntade resultatet.

Lyckligtvis har NFC -lösningar som redan simulerats och testats gjorts tillgängliga för elektronikdesigners och är föremål för nästa steg …

Steg 7: Definiera antennformen: öppen källkodantenner (tredje metoden)

För att underlätta implementeringen av sina NFC IC: er tillhandahåller vissa tillverkare kompletta lösningar för elektronikdesigners, till exempel designguider, applikationsanteckningar och till och med EDA -filer.

Detta är fallet med NXP, som erbjuder för sitt sortiment av NFC-integrerade kretsar NTAG en komplett guide med referenser för NFC-antenndesign, excelbaserat beräkningsverktyg för rektangulära och runda antenner, gerber- och Eagle-filer för olika antennklasser.

En klass definierar formen och storleksfaktorerna för en antenn. Ju större klass, desto mindre antenn. För NFC rekommenderar NXP att du använder "klass 3", "klass 4", "klass 5" eller "klass 6" antenner.

Jag bestämde mig för att fokusera på klass 4 rektangulära antenner, vars storlek verkade anpassad för mitt visitkort, som ska placeras inom en zon definierad antingen:

• Yttre rektangel: 50 x 27 mm
• Inre rektangel: 35 x 13 mm, centrerad i den yttre rektangeln, med 3 mm hörnradie

För denna klass tillhandahåller NXP Eagle -filer från en antenn gjord av deras ingenjörer och redan integrerade i några av deras produkter. Den största fördelen med denna design är att den redan har simulerats, korrigerats och optimerats fullt ut. Testmetoder, korrigeringar och optimeringar presenteras i ett dokument som också finns tillgängligt.

Jag bestämde mig för att använda denna öppen källkoddesign som modell och skapa min egen version för att implementera den i ett bibliotek dedikerat till projektet.

Steg 8: Skapa Eagle Librairy

För att rita visitkortets elektroniska krets på Eagle är det nödvändigt att ha symboler och fingeravtryck för de komponenter som används. Endast antennen och NFC -taggen saknades, så jag var tvungen att skapa dem och inkludera dem i ett bibliotek för projektet.

Jag började med att designa antennen genom att kopiera den rektangulära open-source klass 4-antennen från NXP. Jag ändrade bara kontakten och placerade dem på antennens längd. Sedan associerade jag paketet med symbolen för en spole och lade till namn- och värdetiketterna:

Därefter konstruerade jag NFC -chipet med hjälp av uppgifterna i dess datablad. Jag namngav, dimensionerade och satte ihop de 8 stiften på komponenterna för att bilda 1, 6 * 1, 6 mm fotavtryck av XQFN8 -paketet. Slutligen associerade jag paketet med symbolen för NTAG och lade till namn- och värdetiketterna:

För mer information om Eagle -bibliotek och komponentskapande, erbjuder Autodesk självstudier på sin webbplats.

Steg 9: Schematisk

Skapandet av det elektroniska schemat görs på EAGLE PCB.

Efter att ha importerat biblioteket "PCB_BusinessCard.lbr" som skapats tidigare läggs de olika elektroniska komponenterna till schemat.

Den integrerade NFC NT3H1101 -kretsen, den enda aktiva komponenten i kretsen, är ansluten till de passiva komponenterna med hjälp av beskrivningarna av dess stift i dess datablad:

• Loopantennen på 2, 75 μH är ansluten till LA- och LB -stiften.
• Energianvändningsutgången VOUT används för att driva NFC -chipet och är därför anslutet till dess VCC -stift.
• En 220 nF kondensator är ansluten mellan VOUT och VSS för att garantera drift under RF -kommunikation.
• Slutligen drivs lysdioden och dess seriemotstånd med VOUT.

Värdet på LED -motståndet beräknas med ohmens lag enligt parametrarna för lysdioden och matningsspänningen:

var:

• R är motståndet (Ω)
• Vcc är matningsspänning (V)
• Vled är LED -framspänningen (V)
• Iled är LED -framströmmen (A)

Steg 10: PCB -design: Bottenyta

För utformningen av mitt visitkort ville jag uppnå något nykter men det kan visa hur uppfinningsrik jag är i livet och alltid med en ny idé i åtanke. Jag valde utformningen av glödlampan, symbol för en ny idé vars ljus kan belysa de grå områdena i ett problem. Jag gillade också det faktum att en rekryterare enkelt kunde associera min LinkedIn -profil som visas på sin telefon med en ny bra idé för sitt företag.

Jag började med att designa en strålande glödlampa på vektorritprogramvaran Inkscape. Ritningen exporteras i två BitMap -filer, den första innehåller endast glödlampan och den andra endast ljusstrålarna.

Tillbaka till Eagle, jag använde import-bmp ULP för att importera BitMap-bilderna som genererades av Inkscape till en Eagle-ritning. Denna ULP genererar en SCRIPT -fil som ritar små rektanglar av successiva pixlar med identisk färg som kombineras och återskapar bilden.

• Glödlampans design importeras på det 22: e lagret "bPlace" och kommer att visas på silkesskärmen på kretskortet i vitt, ovanför den svarta lödmasken.
• Ritningen av ljusstrålarna importeras till det 16: e lagret "Bottom" och kommer att betraktas som ett kopparspår som täcks av den svarta lödmasken.

Genom att använda kopparlagret för en bild kan du spela med PCB -tjockleken och på så sätt skapa textur och färgeffekter som normalt är omöjliga på ett PCB. Konstnärliga brädor kan göras med sådana knep och jag har blivit mycket inspirerad av några PCB-konstprojekt.

Slutligen ritade jag upp kretsens konturer och lade till mitt motto "Alltid en ny idé." på det 22: e lagret "bPlace".

Steg 11: PCB Design: Top Face

Eftersom brädans ovansida saknar komponenter var jag fri att hitta ett elegant sätt att markera min klassiska kontaktinformation: efternamn, förnamn, titel, e -post och telefonnummer.

Återigen lekte jag med de olika lagren av kretskortet: Jag började med att definiera ett partiellt markplan. Sedan importerade jag en text som innehöll min kontaktinformation på det 29: e lagret "tStop", som styr lödmasken för toppytan. Överlagringen av markplanet och texten på "tStop" -lagret får bokstäverna att visas på markplanet utan lödmasken på det, vilket ger texten en fin blank metallisk aspekt.

Men varför inte lägga markplanet på hela visitkortet?

Utformningen av en induktiv antenn på ett kretskort kräver särskild uppmärksamhet eftersom radiovågor inte kan gå igenom metaller, och det får inte finnas några kopparplan ovanför eller under antennen.

Följande exempel visar en bra implementering, där energiöverföringen och kommunikationen mellan läsaren och NFC -taggen är lämpliga eftersom inga kopparplan överlappar antennen.

Följande exempel visar en dålig implementering, där det elektromagnetiska flödet inte kan flöda genom antennen. Markplanet på ena sidan av kretskortet blockerar energiöverföringen mellan läsaren och NFC -taggantennen:

Steg 12: PCB -routning

Jag började med att placera alla olika komponenter på kretskortsbotten.

Lysdioden är placerad på glödlampans glödtråd, och de andra komponenterna är anordnade på ett så diskret sätt som möjligt vid lampans bas.

Ledningarna som förbinder de olika passiva komponenterna med varandra eller till NFC -taggen är företrädesvis placerade under linjerna som drar glödlampan av estetiska skäl.

Slutligen placeras antennen längst ner i kretsen, runt mottot, och ansluts till den integrerade NFC -kretsen med två tunna trådar.

PCB -designen är nu klar!

Steg 13: Generera Gerber -filer

Gerber -filer är standardfilen som används av kretskortsindustrins programvara för att beskriva PCB -bilderna: kopparlager, lödmask, legend, etc …

Oavsett om du väljer att tillverka ditt kretskort hemma eller överlåta tillverkningsprocessen till en professionell, är det viktigt att generera Gerber -filer från kretskortet som tidigare gjorts på Eagle.

Att exportera Gerber-filer från Eagle är mycket enkelt med den inbyggda CAM-processorn: Jag använde CAM-filen för Seeed Fusion 2-lagers PCB som innehåller alla inställningar som används av denna tillverkare och många andra. Mer information om Gerber -generationen med den här filen finns på Seeeds webbplats.

CAM -processorn genererar en.zip -fil "NFC_BusinessCard.zip" som innehåller 10 filer som motsvarar följande lager av NFC Business Card PCB:

Förlängning	Lager
NFC_BusinessCard. GBL	Botten koppar
NFC_BusinessCard. GBO	Nedre silkscreen
NFC_BusinessCard. GBP	Bottenlödpasta
NFC_BusinessCard. GBS	Bottenlödmask
NFC_BusinessCard. GML	Kvarnlager
NFC_BusinessCard. GTL	Topp koppar
NFC_BusinessCard. GTO	Översta silkscreen
NFC_BusinessCard. GTP	Topplödpasta
NFC_BusinessCard. GTS	Topplödmask
NFC_BusinessCard. TXT	Drill File

För att vara säker på att kretskortet kommer att se ut precis som jag ville lade jag upp Gerber -filerna i EasyEDAs online Gerber -visningsprogram. Jag bytte tema till svart och ytfinish till silver för att visualisera den slutliga designen efter tillverkningen.

Jag var riktigt nöjd med resultatet och bestämde mig för att fortsätta med tillverkningssteget …

Steg 14: Beställa kretskort

Eftersom jag ville ha en kvalitetsfinish för mina visitkort, anförtrodde jag tillverkningen till en professionell.

Många kretskortstillverkare erbjuder nu mycket konkurrenskraftiga priser: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay och många andra … Tips: För att jämföra priser och tjänster som erbjuds av olika kretskortstillverkare rekommenderar jag att du använder PCB Shopper -webbplatsen som jag tycker är mycket praktisk.

För tillverkningen av mina visitkort tog jag hänsyn till en viktig detalj: många PCB -tillverkare tillåter sig att markera ordernumret på PCB -silkscreen. Detta antal, även om det är litet, är irriterande, särskilt när kretskortet måste vara estetiskt. Till exempel hade jag denna dåliga överraskning för mina $ 1 PCB -julgranar, beställda på SeeedStudio.

Av erfarenhet visste jag att Elecrow inte hade denna dåliga vana och därför bestämde jag mig för att överlåta tillverkningen av mina kort till denna tillverkare och jag beställde 10 visitkort för 4,9 dollar med följande inställningar:

• Lager: 2 lager
• Mått: 54*86 mm
• Olika PCB -design: 1
• PCB -tjocklek: 0, 6 mm (den tunnaste tillgängliga)
• PCB -färg: svart
• Ytbehandling: HASL
• Kastellerat hål: Nej
• Kopparvikt: 1oz (enligt antenninduktansformeln)

Två veckor senare fick jag mina kretskort perfekt gjorda och utan något irriterande ordernummer markerat på silkscreen. Så långt så bra, dags att löda dessa brädor!

Steg 15: Lödning av NFC -chipet

Domarpris i PCB -tävlingen