Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von Prototypen von BLE-Steckdosen

Hallo habr

Ich möchte Ihnen erzählen, wie ich Prototyp-Sockel mit einer BLE-Schnittstelle entwickelt und hergestellt habe. Zunächst möchte ich festhalten, dass das Gerät für das Experiment ausgewählt wurde - als Workshop zu Design und Programmierung (um einen Bleistift für die Arbeit mit dem 3D-Design des Gehäuses und der Leiterplatte zu spitzen und um die Funktionsweise des TI BLE-Stacks zu verstehen). Eine zusätzliche Motivation war das Vorhandensein mehrerer erfolgreicher Kickstarter-Projekte, die solche Geräte entwickelten.

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1. Funktionalität des Gerätes


Ursprünglich war geplant, ein Gerät im Formfaktor eines herkömmlichen Steckdosenadapters zu entwickeln, das heißt, das kleinste, während das Gerät in der Lage sein sollte:

- die Last zu verwalten (Ein- und Ausschalten - ohne Dimmen);
- Stromverbrauch berücksichtigen;
- Ein- und Ausschalten nach Timer / Zeitplan;
- Trennen Sie die Verbindung, wenn die Kommunikation unterbrochen wird (wenn der Benutzer den Raum bedingt verlässt).

2. Schaltung und PCB


Die Schaltkreise des Geräts sind an der Tagesordnung - ein transformatorloses Schaltnetzteil, ein integrierter Stromsensor, ein Bündel von Otosimistor + Triac zum Schalten von Lasten und das Gehirn des SoC CC2541 von Texas Instruments. Zum Zeitpunkt der Auswahl der Elementbasis war dies möglicherweise der günstigste Chip mit Bluetooth LE-Unterstützung, geeigneten Debugging- und Entwicklungstools ( CC-Debugger , Sensortag , CC2541-DK-mini ) und einem bewährten, wenn auch nicht dem bequemsten IAR-Compiler.

Die Altium-Designerversion Sommer 09 wurde zum Entwerfen der Schaltung und der Leiterplatte des Geräts verwendet, später wurde das Projekt auf Version 14 verschoben. Trotz der allgemeinen Bekanntschaft und einiger kleiner umgesetzter Projekte war es großartig, von P-Cad auf Altium umzusteigenLektionen von Alexey Sabunin . Ich kann es nur empfehlen.

Die Abmessungen des Geräts wurden anhand der Anforderungen des Formfaktors ermittelt - die Abmessungen der Platinen wurden ermittelt und daraus abgeleitet (es wurde sofort klar, dass nicht alle Komponenten auf eine Platine passen würden - daher wurde beschlossen, zwei Platinen über den pls-pbs-Anschluss zu verbinden. Die Frage blieb jedoch relevant - Passen alle Komponenten auf die Platinen, wie werden sie zusammengesetzt, damit sich die Komponenten benachbarter Platinen nicht berühren, die Leistungsteile die Komponenten nicht berühren und die gesamte Füllung in die Abmessungen des Geräts passt? Meiner Meinung nach , das beste Mittel ist der 3D - Konstruktion.

3. 3D Design und Montage des Gerätes


Glücklicherweise besteht eine wechselseitige Kompatibilität von AD mit 3D-Designtools über .step-Dateien. Es ist bemerkenswert, dass nur SolidWorks in Version 2014 SP3 in der Lage war, die Farben der in Altium Designer zugewiesenen Teile angemessen anzuzeigen. Was ist das Problem für mich ist immer noch in der Dunkelheit bedeckt. Nach dem Zeichnen von 3D-Gehäuseteilen und mehreren Iterationen zum Ändern des Layouts der Platinen sah der Zusammenbau des Geräts ungefähr so ​​aus:

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Jetzt bleibt nur noch das Gerät zu produzieren.

4. Der erste Prototyp


Traditionell bestelle ich Modellmengen von Leiterplatten in Resonite . Nicht, dass es sehr billig wäre, aber immer pünktlich und gut. Industrielose werden zu Marktpreisen hergestellt. Ich kaufe elektronische Komponenten auch traditionell an zwei Orten - in Kompel , wo es fast alles gibt, und in Promelectronics vor Ort , wo man fast immer etwas kaufen kann, das nicht in Kompel ist. Besondere Aufmerksamkeit verdient die erste Erfahrung mit dem 3D-Druck von Körperteilen. Das Drucken wurde von Freunden mit FDM-Technologie durchgeführt. Es stellte sich eine überraschend positive rote Fassung heraus:

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Nach dem Löten und Zusammenbauen von Teilen:

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Während des Wartens auf die Platinen und elektronischen Komponenten wurde mit der Bearbeitung des BLE-Profils für das Gerät begonnen. Wie sich herausstellte, sieht der TI-Stack für BLE von außen viel schlechter aus - die Implementierung eigener Anwendungen ist trotz der relativ großen Codemenge für die 8051-Plattform nicht schwierig.

Infolgedessen erwies es sich als ein ziemlich funktionsfähiges Gerät - es führt wirklich alle deklarierten Funktionen aus, während es in der angegebenen Größe platziert wird. Der Prototyp hinterließ jedoch dennoch einige Probleme und Fragen:

- Wie werden die Gehäuseteile zusammengefügt? Soll die Verbindung zusammenlegbar sein?
- Wie mache ich die Erdung?
- Wie kann die Signalqualität des Stromsensors verbessert werden? Ist es das Rauschen der Stromversorgung oder der Fehler des Stromsensors direkt?

Das Produkt gefiel mir und meinen Freunden so gut, dass beschlossen wurde, ein kommerziell verpacktes Produkt herzustellen. Dies beinhaltete die Lösung von Problemen:

- Schreiben von Software für Smartphones;
- Gehäuse für die Massenproduktion (zur Herstellung von Formen);
- Erhöhung der maximalen Schaltleistung (bis zu 2,5 kW gegenüber 1,2 kW).

5. Zweite Iteration des Prototyping


Als Erstes musste entschieden werden, ob der Fall zusammenlegbar sein sollte. Nach dem Willen des Schicksals vertraue ich nicht auf "Riegel" und ähnliche Verbindungen, so dass die Option im Wesentlichen dieselbe blieb - eine Schraubverbindung. Leider gab es keine Möglichkeit, eine solche Verbindung zu organisieren. Es wurden verschiedene Arten von Schraubnieten ausprobiert, von denen jedoch keine eine zuverlässige Fixierung in dünnem Kunststoff zeigte. In Ermangelung anderer Optionen wurde beschlossen, den neuen Koffer nicht trennbar zu machen - mit einer Klebeverbindung. Darüber hinaus wurden mehrere strukturelle Elemente für die Installation und Montage der Erdung hinzugefügt. Infolgedessen sah die Versammlung ungefähr so ​​aus:

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Der Leistungspfad wurde auch für eine maximale Last von bis zu 3 kW erneuert (tatsächlich ersetzte der Triac in D2PAK den Triac in DPAK), was zu mehreren weiteren Leiterplattenlayoutvorgängen führte. Da FDM-bedruckt weder Maßhaltigkeit noch Oberflächenqualität aufweisen konnte, wurde beschlossen, die Gehäuse mit SLS-Technologie zu bedrucken. Die Bestellung wurde im Service i.materialise.com aufgegeben (mehr Budget im Vergleich zu inländischen Kollegen). Allerdings ... UPS versandkostenfrei hatte auch eine schwarze Seite - die Bestellung lag im UPS Lager in Moskau 26! Tage, die gegen alle meine Pläne verstießen. Die neue Schaltung ist auch ausgefallen: Ein elementarer Fehler (vertauschte Kontakte des Triac) hat mich viele Nerven gekostet und die gesamte innere Ästhetik der Prototypen ruiniert. Im Allgemeinen sehen neue Geräte so aus:

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Jetzt bin ich mit der nächsten Bearbeitung des Boards und der Suche nach Gleichgesinnten beschäftigt, um das Produkt auf den Markt zu bringen. Zunächst benötigen wir Anwendungen für mobile Plattformen. Jetzt mitmachen!

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