无线模块(无线模块设计：EnviroSense WiFi 气象站多板)

Posted 2023-05-28

篇首语：既然认准一条路，就别去打听要走多久。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了无线模块(无线模块设计：EnviroSense WiFi 气象站多板)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

无线模块(无线模块设计：EnviroSense WiFi 气象站多板)

在这篇多板项目文章中，我们将继续为 STMicroelectronics Nucleo-64 评估板创建 Arduino 风格的扩展板。在这个项目中，一切都变得更加集成，使我们更接近成品。我们将把微控制器集成到我们的板上，添加电池、充电、电源管理和无线网络。在此过程中，我们将讨论表面贴装子组件，以及为什么您可能希望将项目原理图的一部分分离到其自己的电路板中，该电路板可用作表面贴装模块。

正如我们在上一篇文章中讨论的那样，将原理图分成多个电路板的原因有很多。在那篇文章中，我们主要讨论了电路板区域的风险降低和优化。表面贴装模块可能无法帮助您优化产品体积，而且不太可能对原型制作有用。表面贴装模块通常与其他组件相同 - 永久固定在您的电路板上，除非您进行一些认真的返工。

环境感知项目

我们的 EnviroShield 项目在本文中进行了重大升级 - 我们将其从原型设计阶段（当时它是一个 Nucleo 防护罩）中取出并构建一个独立的产品。理想情况下，这将完全集成到具有被动辐射和防潮罩的机械外壳中——但这超出了本文的范围。

和我所有的项目一样，这个项目是开源的，你可以免费使用。您可以在GitHub 上找到所有设计文件。当然，没有与项目文件相关的保证、保证或责任，因为它们是根据 MIT 许可证获得许可的。

由于它现在将用于室内和室外用途，我们还需要一种方法将天气数据返回到数据库中，因此我们将添加一个 Microchip ATWINC1500-MR210PB WiFi 模块。

在这个项目中，我们正在构建主机板 - 但我们将主要讨论如何以及为什么要构建自己的表面贴装模块。Microchip WiFi 模块是您创建自己的表面贴装板的完美示例。

为什么要创建表面贴装模块？

认证

故意散热器认证是昂贵的。如果您正在将定制无线模块设计构建到您的产品中，那么将无线电硬件移动到它自己的子组件中可能是有意义的，您可以单独进行认证。如果您有多个产品使用此定制无线电模块，您可能能够在更便宜的无意散热器类别下对它们进行认证，因为它们集成了预先批准的有意散热器模块。

您可能还会发现这非常适用于需要认证的稳压器、电机驱动器或 LED 驱动器，例如铁路、汽车或医疗应用。我们在这个项目中使用的 Microchip ATWINC1500 模块是这种方法的一个完美示例。我可以轻松地将 RF 芯片直接集成到电路板上，但认证成本会大幅增加。

降低成本

如果您的一小部分硬件需要专门的PCB 基板、专门的 PCB 功能（如插入或盲孔）或更高的层数 - 您可以通过将项目的这一部分移动到它自己的子组件来节省一些费用。随着电路板非专业区域的增长，您正在为不一定能充分利用的电路板功能支付高价。

通过分离项目的专用部分，它还可以使将来更便宜、更容易地重复使用该原理图块。您可以简单地将现有模块放置在非专用板上并充分利用其功能。

标准化

如果您发现您在多个项目中重复使用原理图，这些项目具有大量工程成本或布局电路板的风险，那么现在是制作子组件的好时机。一个常见的例子是高性能或高可靠性开关模式稳压器。隔离调节器通常也被分成子组件。

通过分离具有大量工程投资的设计部分，它允许快速重用，而无需花费大量工程成本来使设计集成到新电路板中。

模块表面安装策略

创建自己的表面贴装模块时，您需要考虑新模块如何连接到主板。如果您要制造大量模块，您可能需要在组装过程中评估这两种最常用的方法，以确定最高的可靠性和组装的简易性。

LGA封装

在选择组件时，您几乎肯定会遇到焊盘栅格阵列 (LGA) - IC 或组件下的裸焊盘。如果您要在狭小空间内建立大量连接，LGA 可能是一种理想的方法。主要缺点与任何其他 LGA 组件相同 - 难以检查接头和原型制作挑战。由于额外的机器设置时间，您可能还会发现与您的电路板组装合作伙伴的额外成本 - 在您的设计过程中尽早让您的电路板和组装合作伙伴参与可以大大提高您的可靠性并降低您的成本。

资料来源：Digi-Key 上的 U-Blox NORA-B106

您应该避免在主机板和模块板上的焊盘中过孔，以确保不会在焊料中形成气穴，或通过毛细管作用窃取焊料。

LGA 在模块制造方面也具有很高的成本效益。一些电路板制造商可能对槽形垫收取更高的费用。

邮票孔焊盘

许多商业模块在其模块中使用齿形垫，这是有充分理由的。蜂窝状焊盘非常可靠，并且非常易于手工焊接和检查。由于焊料会从电路板的侧面吸收，您还可以获得良好的电流密度。

齿形焊盘实际上是一个电镀通孔，在电路板制造过程中被分成两半。面板中的布线工具路径将穿过孔的中心，在板边缘留下一个电镀扇贝，板的顶部和底部都有一个焊盘。

来源：Digi-Key 上的 DIGI Xbee Pro XB8X

仅在电路板边缘有焊盘也使主板布线变得容易，并且不会干扰模块板上的过孔或轨道布局。边缘焊盘可以直接连接到任何层上的轨道或平面，这可以使到模块上的互连焊盘的路由更容易。

邮票孔设计

齿形垫很难出错，但是有一些事情需要考虑，这会让您获得成功。如果您不熟悉创建槽形焊盘，那么值得下载制造商提供的商业模块的 Altium 文件，就像我为我在这个多板设计中使用的 ATWINC1500 模块所做的那样。查看与您正在创建的模块类似的商业上成功的模块的焊盘堆叠和布局，可以让您在开始自己的实验之前了解哪些工作良好。

不对称垫

创建蜂窝垫时，叠层几乎总是不对称的。顶部和内部焊盘通常是圆形的，其尺寸与任何通孔焊盘或通孔一样。然而，底部焊盘通常会扩大，以提供更大的铜面积和焊接接触。这使得齿形焊盘能够可靠地用于焊膏模板印刷板以及手工焊接。

边缘电镀

如果您需要更高的电流密度，或者更高的可靠性，您还可以将电路板的边缘电镀到通孔之外。这种电镀通常添加到底部焊盘的宽度，从而在模块的侧面提供更多的接触面积。大多数电路板制造商会为此服务收取更高的费用，而低成本高混合电路板制造商即使注意到工厂说明也可能会忽略这一点。

一个好的起点

如果您不缺少边缘空间，请从较大的焊盘开始用于您的初始原型。当您开始对这个过程感到更舒服并看到初始模块的结果时，您可以开始在必要时向下优化大小。

Microchip ATWINC1500 焊盘

例如，ATWINC1500 模块上的 Microchip 焊盘有一个 0.635mm 的电镀孔和一个用于所有层的 0.8mm 方形焊盘。它们在底层有一个额外的 1.7 x 0.8mm 圆垫（下图向左移动，以表明它们是分开的）。

Microchip 建议在主板上使用 0.8 x 1.9mm 的焊盘，焊盘以模块轮廓为中心。

我的城堡焊盘

我做的事情总是与上面的 Microchip 示例略有不同，更喜欢在单个焊盘中指定完整的焊盘堆栈。

我的 RF 模块焊盘通常有一个 0.4mm 的电镀孔，带有一个 0.8 x 1mm 的矩形顶焊盘。底部焊盘以孔为中心为 0.8 x 2mm，在电路板下方提供 0.8 x 1mm 的外露铜区域。用于这些焊盘的主板上的表面贴装焊盘宽 0.8 毫米，长 1.8 毫米，居中位于模块轮廓下方。

对于几乎肯定要手工焊接的小体积电路板，我会在引脚密度不重要的地方使用较大的孔。它们有一个 1.2mm 的电镀孔，以及一个 1.5 x 2mm 的顶垫和一个 2.5 x 2mm 的底垫。它们在板下的裸露铜较少，因为在将它们手工焊接到主机板上时，侧面较大的电镀孔将提供大部分焊料接触。

您自己的无线设计模块

当您创建自己的模块时，您应该将蜂窝状焊盘创建为单个封装/符号，因为这将使创建多板项目更容易，并且还确保不会意外移动单个焊盘或焊盘簇而导致对齐问题未来。

设计主机板

如前所述，我们将采用之前的传感器和 LCD 显示原理图并将其制作成独立的电路板。最初，该板将使用一个库部分进行开发，该库部分将 WiFi 模块作为嵌入其中的 STEP 模型。许多公司库都使用这种方法进行多板设计，但它并不是最佳选择。借助Altium 令人印象深刻的 MCAD-ECAD 集成，直接使用电路板设计比导出模块的 STEP 模型并重新导入它更有意义 - 特别是在设计阶段的早期。随着您的模块和主机板要求的发展，使用多板组件可以确保一切保持同步。

一旦我们使用库组件完成电路板设计，我将向您展示将现有的基于库的多板项目切换到封装 + 多板组件是多么容易。

为了使这个硬件独立并能够作为气象站在室外运行，我们需要一个电源。我使用的是 STM32L031K 微控制器，它将配置为非常低的功耗，但是我想确保如果需要，该板可以在没有外部电源的情况下继续运行一段时间。我使用了两节 18650 电池，就像我在12V UPS 项目中所做的那样，但是这次由于芯片短缺和不同要求，我使用了不同的充电器 IC。

我希望我的气象站是太阳能供电的，但是我位于苏格兰最北端，冬天我们有 5 小时长的白天，一次可能会被困在雾堤或浓云中好几天 - 不是太阳能设备的理想条件。如果需要，使用两节 18650 电池可以让我在没有外部电源的情况下运行气象站大约 6 周。我在输入端还有一个 6000uF 的大电容，以帮助应对不断变化的光照条件，使充电器保持最佳运行状态。

我在项目中使用 Microchip MCP73213 两节锂电池充电器 IC。它具有宽输入电压范围，适用于太阳能或交流电源（如果在室内使用）以及可编程电流。尽管我的电池最大充电电压为 8.4v，但我特别使用 8.2V 充电模型。正如我预计这些电池在一年中的大部分时间都处于充满电状态，让它们处于略低于充满电的状态应该会延长它们的使用寿命，而且由于容量如此之大，因此容量受到的影响很小应该不会引起注意。我可以通过滑动开关选择充电电流，因此可以将其设置为太阳能应用的低电流，或者在需要时通过交流适配器快速充电。

我没有使用电池监控 IC，而是在电池完全耗尽时采用简单的电压切断方法。我在这个设计中使用了一个线性稳压器，Analog Devices ADP7105，它有一个欠压锁定引脚，可以在电池电压过低时关闭稳压器。通常，使用 8.4v 电源在线性稳压器上运行 3.3v 设备会被认为效率非常低，而且电池寿命也不是很好。在大量搜索有库存的高效轻负载开关模式稳压器之后，我发现线性稳压器的整体效率要高得多。

该设备对于开关模式稳压器的挑战是 WiFi 模块，其传输电流消耗为 290mA，但是如果我们每 10 秒传输一次数据，那么剩余 98.5% 的时间消耗电流可能处于低两倍数字微安，其中开关模式稳压器确实很困难。在这种情况下，为了在低电流下的相对效率和可靠性，考虑传输电流的效率是非常值得的。

在布局方面，我为每个潜在的温度区域分别进行了接地浇注，将调节器和充电器与 WiFi 模块一起放在电路板的顶部。我还在这些潜在的发热组件周围的板上开槽，以试图进一步破坏温度传感器的导热性。与护罩一样，温度传感器位于电路板底部，位于其自身的隔热区域中。

切换到多板组件

到目前为止，这个项目已经使用了 RF 模块的库项目，这是您的公司目前可能处理内部子组件的方式。我从Microchip 的网站下载了开发板的 Altium 文件。由于设计文件对蜂窝焊盘使用单一封装，我需要做的就是告诉 Altium Designer连接器用于多板项目，方法是向原理图符号添加一个名为“System”的参数，并为其赋予值“Connector ”。准备用于多板连接的子组装板就是这么简单。

对于主机板，我需要做更多的工作，因为我已经有了一个包含 STEP 模型的封装。我将符号和封装文件从我的库复制到项目文件夹中，这样我就有一个本地副本可以修改。

在足迹中，我删除了3D 主体，然后将足迹添加到原理图符号。将原理图中的符号更改为新的本地符号后，我将 System = Connector 参数添加到符号中。最后，我从原理图中更新了 PCB 文档，然后在 PCB 上运行了 PCB 库更新以刷新封装。

PCB 现在具有无主体的封装，并标记为准备组装的多板连接器。

创建多板项目

要将我们的射频模块板添加到主机板，我们需要创建一个新的多板项目。创建一个新的多板项目与典型的 PCB 项目几乎相同，除了我们在项目创建屏幕下选择多板而不是 PCB。

接下来，我们添加一个多板原理图和两个模块。每个模块都有一个标题，并为该模块选择一个项目/板。

要添加我们之前设置的连接器，我们转到设计 -> 导入子项目，这会将连接器添加到模块中。

然后我们可以在两个模块之间添加直接连接。这次 Altium Designer 无法自动匹配两个模块的连接，因此我们可以单击其中一个连接并在属性窗口中手动分配匹配引脚。

正确匹配引脚后，我们可以将多板 PCB 添加到项目中，添加后立即保存。然后，从原理图中转到设计 -> 更新组件，将模块导入多板 PCB。这可能需要一些时间，具体取决于硬件的复杂程度以及本机的规格。然而，对于这个相对简单的项目，在我的电脑上花费了不到一秒钟的时间。

我不想使用我们在上一篇文章中使用的配合工具，而是想证明如果设计需要，我们可以将多板组件任意放置在我们希望的任何位置。通过单击无线电模块，我们可以使用 View Gizmo 将其拖到主机板上的适当位置。

结果

在本文中，我们构建了一个环境传感器板，可用作室内或室外使用的简单气象站，展示了预认证 RF 模块子组件的实用性。我们已经讨论了如何以及为什么要为您自己的项目创建子装配模块。在自定义表面贴装模块库中使用多板组件而不是静态 3D 模型可确保您的电路板在整个设计过程中保持同步，并允许电路板之间实现卓越的机械集成。

我还有一个Davis Instruments Vantage Pro2气象站，因此将这个气象站项目的长期数据与 NIST 校准产品进行比较会很有趣。

无线模块(无线模块设计：EnviroSense WiFi 气象站多板)

无线模块(无线模块设计：EnviroSense WiFi 气象站多板)

目录

环境感知项目

为什么要创建表面贴装模块？

模块表面安装策略

设计主机板

切换到多板组件

创建多板项目

结果