Continuiamo una serie di articoli didattici sulla realizzazione di un progetto embedded (elettronica + software) con la progettazione della scheda PCB di Fab-O-Matic con il microprocessore ESP32S3. Questa serie è rivolta a tutti i makers che desiderano imparare la progettazione di simili progetti : se ti incuriosisce, passa a trovarci in FabLab !
Elenco degli articoli
- 1) Intro & prototipo HW (parte I)
- 2) Scheda mille-fori (parte II)
- 3) Progettazione PCB (parte III, questo articolo)
- 4) Schema elettrico (parte IV)
- 5) Sponsorship OpenHWLAB e PCB assemblato (parte V)
- 6) Sviluppo embedded con C++ moderno (parte VI)
- 7) Backend Python e Raspberry Pi (parte VII)
- 8) Collaudi del software in ambito embedded (parte VIII)
- 9) La messa in funzione del sistema nel Lab (parte IX)
Puoi consultare le istruzioni per l’uso di Fab-O-Matic qua.
I circuiti stampati (PCB)
Un circuito stampato, o Printed Circuit Board in inglese, è un supporto ai componenti elettronici, solitamente in materiale di fibra di vetro, che contiene in superficie delle connessioni di rame. Alcuni PCB possono essere flessibili, o contenere al loro interno altri strati di connessioni, incollati fra di loro (ad esempio, una scheda madre di computer può contenere 8 layers di connessioni). Tradizionalmente, hanno un colore verde, mentre le impronte dei componenti sono colore metallo (o oro come nell’immagine sotto).
Negli ultimi 10 anni, il costo di realizzazione di circuiti stampati è crollato drasticamente, rendendo questa opzione alla portata di tutti i makers. I grandi produttori riescono infatti a raccogliere molti circuiti sulla stessa lastra e l’automatizzazione dell’intero processo fa il resto per abbassare i costi. Nel nostro progetto Fab-O-Matic, il costo finale è di circa un euro a PCB, spedizione compresa.
Dato che eliminano il lavoro di creazione delle connessioni fra componenti, i PCB sono più affidabili e più riproducibili. Le loro piste di rame sono anche molto più sottili rispetto ai fili usati nella scheda millefori : questo consente un’ulteriore riduzione delle dimensioni di Fab-O-Matic.
Gli eventuali errori di connessione sul PCB sono però un po’ più difficili da correggere, è quindi importante spendere un po’ di tempo a progettare correttamente il circuito. L’unico ostacolo, a questo punto, è la necessità di imparare gli strumenti di progettazione di PCB. Se ti sembra complicato, non ti preoccupare, vieni in Lab e imparerai in fretta!
Vediamo adesso i passi da seguire per progettare un PCB:
- 1) Realizzare uno schema elettrico, con i modelli esatti dei componenti desiderati
- 2) Posizionare i componenti su un PCB (“layout”)
- 3) Disegnare le connessioni fra componenti (“routing”)
- 4) Ordinare il PCB online (“manufacturing“)
- 5) Assemblare i componenti sul PCB (“assembly”)
Creare lo schema elettrico
I prototipi del primo e secondo articolo ci hanno permesso di partire con base consolidata e testata. Occorre però “catturare” questo design in un software di disegno dedicato alla progettazione elettrica, capace di gestire tutti i componenti che saranno posizionati sul PCB.
In questo progetto, per beneficiare dei buoni di JLCPCB (un fabbricante cinese di PCB), abbiamo usato l’ambiente di progettazione web-based “EasyEDA”, completamente gratuito.
EASYEDA non è l’unica opzione : vogliamo menzionare che esistono ottimi software liberi per progettare schemi e PCB: KiCaD ha molte meno limitazioni rispetto alla versione che abbiamo usato di EasyEDA. In ambito commerciale, uno dei software più noti è Altium. Ogni software ha le sue peculiarità, noi ti raccomandiamo KiCAD per iniziare.
Una volta installato il software, il procedimento di creazione dello schema elettrico è piuttosto semplice: si prendono i componenti da una libreria di componenti, si dispongono su un’area di disegno e si collegano con delle linee che rappresentano le future piste del PCB (sono anche chiamate “net“).
Ci sono alcuni trucchi importanti, per risparmiare tempo e fatica:
• I componenti usati nello schema elettrico devono avere un’impronta corretta per il PCB. Per non passare troppo tempo a scaricare e importare le impronte dai siti dei costruttori di componenti, è consigliabile limitarsi alle librerie fornite dal sistema o “affidabili”.
• Inoltre, i componenti delle librerie standard hanno quasi sempre un modello 3D associato, il ché semplifica moltissimo l’operazione di layout del PCB. Per i rari componenti che non hanno un modello 3D, questi motori di ricerca sono molto utili :
www.ultralibrarian.com per i componenti elettronici
GrabCAD / SketchFAB per i moduli.
• I datasheet dei componenti contengono spesso circuiti di esempio da cui partire per la realizzazione dello schema elettrico. Espressif ha una documentazione online molto dettagliata.
• La ricerca dei componenti all’interno di EasyEDA o via Google è molto difficoltosa. Esiste però un motore di ricerca parametrico che scarica automaticamente il catologo di JLCPCB: https://github.com/yaqwsx/jlcparts . E’ così possibile selezionare velocemente i componenti nella libreria EasyEDA, basta allora riportare soltanto il codice componente Cxxxxx. Lo raccomandiamo caldamente!
Questo lavoro ha consentito di produrre uno schema elettrico in revisione 0.2. Andremo ad analizzare e spiegare le varie parti del circuito nel quarto articolo di questa serie.
A questo stadio del progetto, è stata eliminata la scheda devkit ESP32 in favore di un singolo modulo ESP32S3, più economico. Il modulo ESP32S3 ha il vantaggio di integrare un controllore USB (a contrario dell’ESP32, che richiede un chip adattore UART/USB). La rinuncia al devkit implica anche l’aggiunta di un convertitore step-down da 5V (tensione dell’USB) a 3V3 (tensione accettata dall’ESP32S3).
Ti consigliamo questo video per capire le basi dell’interfaccia utente di EasyEDA:
Prima di passare alla fase successiva, è importante avere consolidato l’elenco dei componenti e le loro connessioni. Segnaliamo l’utilissima funzione di DRC (Design Rule Check), che verifica che tutti i pin siano collegati e evidenzia alcuni possibili problemi nello schema elettrico.
Disposizione dei componenti sul PCB (“layout”)
Una volta terminato lo schema elettrico, bisogna nel definire le posizioni dei componenti sul PCB, il loro orientamento e la loro collocazione fronte/retro. Alcuni componenti devono stare vicini per forza (come i condensatori di disaccoppiamento come C7,C5 con il microprocessore).
Il modulo dell’ESP32S3 ha 3 lati utili da cui fare partire piste di connessioni quindi abbiamo spalmato i componenti con più connessioni su lati diversi (a destra per RFID, in basso per LCD 1602).
Un buon layout del PCB consente di semplificare la fase successiva di disegno dei collegamenti elettrici in rame, ma non è l’unica cosa a cui stare attento: i fori per il fissaggio nella scatola, l’accessibilità dei bottoni e dei terminali di connessione, l’assenza di interferenze meccaniche fra i componenti per l’assemblaggio sono importanti considerazioni.
Durante questa fase, usare il modello 3D generato automaticamente dall’ambiente CAD (KiCAD o EasyEDA) per verificare che gli spazi e orientamenti siano giusti.
Modello 3D generato da EasyEDA
La maggioranza dei componenti presenti in libreria hanno un modello 3D corrispondente, che rende immediata la realizzazione del modello 3D.
E’ possibile così valutare precisamente quanto fare sporgere l’USB A, le distanze fra connettori per fare passare i fili, ecc.
Disegnare i collegamenti sul PCB (“routing”)
Il routing è l’operazione di disegno delle piste o zone di rame che collegheranno fra di loro i componenti. L’operazione può essere fatta automaticamente dal software (con un “autorouter“) e sarebbe stata utilizzabile nel nostro caso, ma abbiamo preferito disegnare a mano.
Un semplice PCB a due strati come il nostro, offre molte più possibilità delle schede mille fori, grazie alle dimensioni più ridotte delle piste e la facilità di usare “vie” per saltare i punti di incrocio fra piste.
Grazie alle informazioni dello schema elettrico, il CAD guida e verifica che le connessioni fisiche sul PCB siano corrette e segnala eventuali errori durante il “Design Rules Check”. Questa funzione vi segnalerà inoltre se ci sono piste troppo vicine, interferenze fra fori e piste, e molti errori. Praticamente. se lo schema elettrico è corretto, la funzione di DRC del PCB vi darà un’ottima garanzia di successo.
Progetto del PCB in EasyEDA
• Il bordo viola è il contorno del PCB (non necessariamente quadrato)
• Le zone rosse rappresentano il rame che sostituisce i fili di connessione del prototipo su scheda millefori. In questa immagine sono visibili le sole piste del layer superiore del PCB
• Le scritte in giallo sono stampate con inchiostro sulla superficie del PCB (“silkscreen“)
Esempio di routing
Il nome delle piste corrisponde ai nomi dei “nets” dello schema elettrico.
L’uso di un PCB ci consente si usare componenti SMD (surface mounted devices) come il modulo ESP32-S3-WROOM-N4 e varie resistenze/condensatori.
Una volta presa la mano, progettare un PCB non è un lavoro lungo: la scheda di sopra ha richiesto circa 3 ore di lavoro.
Come ordinare un PCB ?
Fare realizzare un PCB è veramente semplice : si genera un file “GERBER” dall’ambiente di progettazione, si carica su un sito di fabbricazione come JLCPCB ( www.jlcpcb.com ) o PCBWay (www.pcbway.com) che fornisce immediatamente un preventivo.
Durante il processo di ordine, ci vengono chieste molte opzioni. Nel caso del nostro Fab-O-Matic, le opzioni sono state:
• Materiale FR-4 : presenta caratteristiche accettabili per le applicazioni dove non è necessario un controllo preciso delle impedenze.
• PCB a due strati di rame (fronte e retro). Sono i più economici. I PCB con più strati servono soprattutto quando ci sono molti pin da collegare, come fra una CPU e una memoria DRAM.
• Spessore standard 1.6 MM e colore blu. Il colore è libero, perché limitarsi al solito verdino ?
• Colore delle scritte bianco (non sono disponibili altre opzioni per questo tipo di PCB blu).
• Finitura per saldature HASL. Contiene piombo ma semplifica la saldatura.
• Tolleranze sulle dimensioni della board standard 0.2 mm. Le tolleranze più strette servono se si hanno componenti piccolissimi o si vuole usare il servizio di assemblaggio di JLCPCB.
Usare EasyEDA come ambiente di progettazione dà diritto, in questo momento di Giugno 2024, ad un buono di 5$ presso JLCPCB.
Questa offerta azzera praticamente i costi di fabbricazione per 5 PCB, lasciando come unica spesa la spedizione, attorno a 4 EUR.
La fabbricazione avviene in pochi giorni, e dopo circa 3 settimane in caso di spedizione economica, arrivano i PCB reali.
Assemblare i componenti sul PCB
Questa versione del PCB usava sia componenti a foro passante che a montaggio di superficie. Questi ultimi spesso richiedono una lente o un microscopio digitale per essere saldati, attrezzi disponibili nella nostra sezione elettronica del Lab.
E’ anche molto importante disporre di un saldatore con una punta fine per saldare il modulo Espressif.
Board completa di componenti assemblati.
La scheda centrale è un modulo convertitore step-down da 7-40V a 5V usato per le connessioni alle stampanti ENDER.
Questo primo PCB aveva alcuni errori che sono stati poi corretti nelle versione successive. Non è molto grave, perché il costo molto contenuto del PCB rende possibile iterare rapidamente con varie versioni.
Il dettaglio delle revisioni hardware è disponibile qua: Fab-O-matic/hardware (github.com)
Conclusione
In questi primi 3 articoli vi abbiamo spiegato tre tecniche di prototipazione per creare i vostri progetti elettronici. Nel prossimo articolo vedremo in dettaglio la progettazione dello schema elettrico, con tutte le note necessarie per fare a meno dei kit prefabbricati.
