Досвід розробки та виробництва прототипів BLE-розетки

Привіт, Хабр!
 
Хочу розповісти, як я розробляв і виробляв прототипи розетки з BLE інтерфейсом. У першу чергу, хочеться відзначити, що пристрій було обрано для експерименту — як практикум з конструювання та програмування (щоб наточити олівець для роботи з 3D проектуванням корпусу та друкованої плати, і для того щоб розібратися з функціонуванням BLE-стека від TI). Додатковою мотивацією стала наявність кількох успішних проектів на кікстартер, що розробляють подібні пристрої.
 
 image
 
 

1. Функціонал пристрою

Спочатку планувалося створити пристрій, виконаний у форм-факторі звичайного розеточного перехідника, тобто найбільш малогабаритному, а пристрій повинен вміти:
 
 - Управляти навантаженням (включення і відключення — без діммінга);
 - Вважати струм споживання;
 - Включатися і відключатися за таймером / розкладом;
 - Відключатися при втраті зв'язку (коли користувач умовно залишає приміщення).
 
 

2. Схемотехніка та друкована плата

Схемотехніка пристрою досить банальна — безтрансформаторний імпульсний джерело живлення, інтегральний датчик струму, зв'язка отосімістор + симистор для комутації навантаження і мізки пристрої SoC CC2541 від Texas Instruments. На момент вибору елементної бази це був, мабуть, самий доступний чіп з підтримкою Bluetooth LE, адекватними засобами налагодження та розробки (СС-debugger , sensortag , CC2541-DK-mini ) і перевіреним, хоч і не найзручнішим компілятором IAR.
 
Для проектування схемотехніки та друкованої плати пристрою був використаний Altium designer версії summer 09, пізніше проект був перенесений у версію 14. Незважаючи на загальне знайомство і пару реалізованих дрібних проектів, здорово перейти з P-cad на Altium допомогли уроки Олексія Сабуніна . Дуже раджу.
 
Габарити пристрою були визначені виходячи з вимог форм-фактора — звідси були визначені і отрісовани габарити плат (відразу стало ясно, що на одну плату всі компоненти не полізуть — тому було вирішено робити дві плати, з'єднаних через pls-pbs з'єднувач. Однак питання залишилося актуальним — помістяться чи всі компоненти на плати, як їх компонувати, щоб компоненти з сусідніх платні не зачіпали один одного, щоб силові елементи також не торкалися компонентів і щоб вся начинка вписувалася в габарит пристрою? На допомогу прийшов SolidWorks — на мій погляд, найбільш адекватний засіб 3D проектування.
 
 

3. 3D проектування та збирання пристрою

Благо існує взаємна сумісність AD із засобами 3D проектування допомогою файлів формату. Step. При цьому примітно, що тільки SolidWorks у версії 2014 sp3 cмог адекватно відображати кольору деталей, призначені в Altium Designer. У чому проблема для мене до цих пір покрите мороком. Отже, після отрисовки в 3D деталей корпусу та декількох ітерацій зміни компоновки плат, складання пристрою стала виглядати приблизно таким чином:
 
 image
 
Тепер залишилося тільки призвести пристрій.
 
 

4. Перший прототип

Традиційно замовляю зразкові кількості друкованих плат в резонне . Не те щоб дуже дешево, але завжди якісно і в строк, ну і промислові партії виробляються цілком за ринковою ціною. Електронні компоненти купую також традиційно в двох місцях — Компел , де є майже все, і місцевої Промелектроніка , де майже завжди можна докупити те, чого немає в Компел. Окремої уваги заслуговує перший досвід 3D друку деталей корпусу. Друк проводилася знайомим за технологією FDM. Вийшла дивно позитивна руда розетка:
 
 image
 
Після пайки і збірки деталей:
 
 image
 
Під час очікування плат і електронних компонентів була розпочата робота над BLE профілем для пристрою. Як виявилося, стек TI для BLE набагато страшніше виглядає зовні — реалізація же власних додатків особливих труднощів не представляє, незважаючи на відносно великий обсяг коду для 8051 платформи.
 
У результаті вийшла цілком собі працездатне пристрій — воно дійсно виконує всі заявлені функції, при тому поміщаючись в заявлений габарит. Однак кілька проблем і питань прототип все ж залишив:
 
 - Як кріпити деталі корпусу між собою? Чи повинно бути з'єднання розбірним?
 - Як зробити заземлення?
 - Як покращити якість сигналу з датчика струму? Шуми Чи це харчування або ж похибка датчика струму безпосередньо?
 
Продукт настільки сподобався мені і моїм знайомим, що вирішено було робити комерційно впаковується продукт. Це передбачало вирішення питань:
 
 - Написання софта для смартфонів;
 - Корпус для серійного виробництва (для виготовлення прес-форми);
 - Збільшення максимальної комутованої потужності (до 2.5 кВт проти 1,2 кВт).
 
 

5. Друга ітерація прототипирования

І перше, з чим потрібно було визначитися — чи робити корпус розбірним. Волею доль, я не довіряю «засувок» і подібним з'єднанням, так що варіант залишався по суті один — гвинтове з'єднання. Але на жаль, варіанти як організувати таке з'єднання не знайшлося. Пробувалися кілька типів гвинтових заклепок, але жоден з них не показав надійної фіксації в тонкому пластику. Через брак інших варіантів, вирішено було робити новий корпус нерозбірним — з клейовим з'єднанням. Крім того, було додано декілька конструкційних елементів для установки і кріплення заземлення. У підсумку збірка стала виглядати приблизно таким чином:
 
 image
 
Так само був перероблений силовий тракт на максимальне навантаження до 3кВт (по суті симистор в D2PAK змінив симистор в DPAK), що спричинило ще кілька операцій компонування друкованої плати. Оскільки надрукований за методом FDM ні точністю розмірів, ні якістю поверхні похвалитися не міг, було вирішено друкувати корпусу за технологією SLS. Замовлення розміщувався в сервісі i.materialise.com (більше бюджетному в порівнянні з вітчизняними аналогами). Однак… Безкоштовна доставка UPS мала і чорну сторону — замовлення пролежав на складі UPS в Москві 26! днів, чим порушив всі мої плани. Нова схемотехніка так само дала збій: елементарна помилка (переплутані місцями контакти симистора) коштувала мені купи нервів і зіпсувала всю внутрішню естетику прототипів. У ж цілому нові пристрої виглядають таким чином:
 
 image
 
 image
 
 image
 
Зараз я зайнятий черговий переробкою плати і пошуком однодумців для того, щоб вивести продукт на ринок. У першу чергу потрібні програми для мобільних платформ. Приєднуйтесь!

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.