Fluff M0 — płytka kompatybilna z Feather M0 Basic

[deshipu]

Czasem patrzymy na dostępne na rynku płytki z mikrokontrolerami i myślimy sobie "ja bym to zrobił lepiej". Zazwyczaj nie mamy pretekstu żeby rzeczywiście tak zrobić, ale czasem tak się życie ułoży, że mamy okazję spróbować. Tak właśnie miałem z płytką firmy Feather M0 Basic firmy Adafruit i wydaje mi się, że wychodząc z oryginalnego projektu udało mi się dokonać kilku ulepszeń (ale także przyszło mi pogodzić się z paroma kompromisami). A zaczęło się od tego, że często używam w moich projektach mikrokontrolera SAMD21 w jego najmniejszej obudowie QFN32 i nieraz przydałaby się możliwość przetestowania układu zanim zamówi się płytkę. Niestety, płytki które posiadam nie wyprowadzają wszystkich pinów, więc testowanie za ich pomocą nie zawsze jest możliwe. Postanowiłem zatem zrobić swoją płytkę, ale dać jej standardowy układ pinów — padło na standard Adafruit Feather.

Najbardziej rzucającą się w oczy polskiemu użytkownikowi wadą płytki Adafruita jest niewątpliwie cena. Niestety, produkcja w USA, koszty wysyłki, a także konieczność pokrycia wypłat dla armii ludzi piszących dokumentację i rozwijających oprogramowanie powoduje, że nie jest ona tania. Zatem pierwszym celem, który sobie postawiłem, jest takie zaprojektowanie nowej płytki, żeby można było ją wykonać jak najtaniej. Oczywiście od razu pojawiła się konieczność kompromisów — postanowiłem usunąć część układu odpowiedzialną za obsługę i ładowanie baterii — nie ma zatem gniazdka do baterii, a nóżka do której byśmy ją podłączali jest niepodłączona. Usunąłem też wszystkie komponenty, które nie są absolutnie niezbędne — nie ma zatem kwarcu, zamiast tego używany jest wewnętrzny oscylator, wyleciał przycisk reset, zastąpiony zworką bezpośrednio na płytce (trzeba tylko dotknąć czymś metalowym), poleciały też diody świecące — choć potem jedna wróciła.

Oryginalna płytka używa mikrokontrolera w opakowaniu QFN48, ale ja potrzebowałem QFN32 — tańsze, ale też ma mniej nóżek. Na szczęście odrobina gimnastyki pozwoliła mi brakujące nóżki zastąpić takimi, które były niepodłączone w oryginalnej płytce. Ba, dodałem nawet trzy dodatkowe nóżki dostępne dla użytkownika: dwie analogowe i jedna zwykła. Została mi jedna nóżka, którą postanowiłem podłączyć do diody świecącej, aby mając gołą płytkę można było sobie chociaż pomrugać. Oczywiście i tu nie obyło się bez kompromisu — aby obsłużyć SPI musiałem poświęcić nóżki normalnie używane do debugowania — zatem albo debugujemy, albo używamy SPI.

W pierwszej wersji płytki zostało mi dużo wolnego miejsca, a że koszty wysyłki płytek zależą od ich wagi, postanowiłem zmniejszyć tę wagę dodając parę losowej wielkości dziur. Kiedy przyszło do wybierania koloru płytki, podobieństwo do sera skłoniło mnie do wybrania koloru żółtego. A właśnie, wprowadziłem jeszcze jedno ulepszenie: dziurki na piny są ułożone w zygzak w taki sposób, że da się w nie wetknąć nóżki goldpinów bez konieczności lutowania.

Ostatnią częścią, którą postanowiłem usunąć jest gniazdko USB. Nie ma się co dziwić, bo tylko są z nim same kłopoty — ludzie narzekają, że jest w złym miejscu, że się urywa jak pociągną za kabel, do tego jest to jedyna część wymagająca dziur w płytce — i podrażająca tym montaż.Tylko jak bez gniazdka USB będziemy naszą płytkę zasilać, o wgrywaniu do niej programów i obserwowaniu ich wyników już nie wspominając? Okazuje się, że da się zrobić "gniazdko" USB z samej płytki, po prostu wycinając ją we właściwy kształt i umieszczając w odpowiednich miejscach styki. Płytka musi wówczas też mieć odpowiednią grubość, ale na szczęście nie ma dzisiaj wielkich problemów z zamówieniem takich płytek (i wychodzą nawet taniej niż standardowe, z powodu mniejszej wagi). Zatem zaprojektowałem nową wersję, z gniazdkiem USB-C (jak szaleć to szaleć).

W tej wersji dziury są tylko w miedzi, zamiast przez całą płytkę, bo wykoncypowałem sobie, że taką cienka i płaską płytkę mogę używać jako wizytówki, a do tego potrzebowałem po drugiej stronie miejsce na zamieszczenie wizytówkowych informacji. Niestety, kiedy płytki wreszcie przybyły (dzięki zawirowaniom czasoprzestrzennym po 4 tygodniach, odwiedziwszy po drodze Niemcy i Wielką Brytanię) okazało się, że co prawda mechanicznie gniazdko działa doskonale, ale prąd płytka dostaje tylko jeśli podłączę ją kablem USB 2.0, podłączona do portu USB-C kablem USB-C nie jest wykrywana przez komputer i w związku z tym nie dostaje zasilania. Czas zatem na poczytanie co tam w standardzie piszą — okazuje się, że wzmianka o rezystorach ściągających na nóżkach CC, którą zignorowałem, bo wydawała się dotyczyć tylko trybu OTG, jest jednak istotna. Rozczarowało mnie to trochę, bo nie tylko musiałem zaprojektować nową płytkę, ale jeszcze nie oszczędzam na liczbie komponentów — jedno gniazdko USB zastąpić będę musiał dwoma rezystorami. No ale rezystory przynajmniej są tanie i montowane powierzchniowo, zatem wziąłem się do pracy.

Zrezygnowałem ostatecznie z pomysłu wizytówki, puste miejsce wypełniłem obszarem prototypowym, w którym można sobie wlutować własne elementy, a dziury są teraz już tylko narysowane. Poza tym dodałem dwie nóżki CC do gniazdka USB i podłączyłem do dwóch rezystorów 5.1kΩ. Przez chwilę jeszcze rozważałem użycie tylko jednego rezystora, bo większość kabli i tak używa tylko jednego pinu CC, ale okazuje się, że to właśnie jest błąd, który popełnili projektanci Raspberry Pi 4, a który spowodował problemy z bardziej zaawansowanymi kablami. Postanowiłem błędu nie powtarzać.

Ostateczna wersja projektu wygląda tak:

Na razie używam płytki do własnych eksperymentów i sprawuje się dobrze, ale zastanawiam się nad zamówieniem większej liczby już zmontowanych i zaprogramowanych płytek — mogą się przydać do prowadzenia warsztatów z CircuitPythona gdy epidemia się skończy.

Edytowano Lipiec 9, 2020 przez deshipu

[Treker (Damian Szymański)]

@deshipu ciekawy projekt i świetne rozwiązanie z tym "wtykiem" USB. Widziałem DIY z podobnym rozwiązaniem, które były przystosowane do USB typu A, ale pierwszy raz widzę coś takiego dla USB typu C - wygląda świetnie. Duże ułatwienie 😉

[wn2001]

Dnia 9.07.2020 o 18:13, deshipu napisał:

A zaczęło się od tego, że często używam w moich projektach mikrokontrolera SAMD21

@deshipu Super projekt, gratuluję! Rzeczywiście, pomysł z wtykiem USB nietuzinkowy :) Czy jest jakiś konkretny powód, dla którego używasz właśnie wyżej wymienionego uC? Jakie środowiska/języki będzie wspierać? Oryginał kosztuje ~20USD, czy myślisz też o jakiejś dystrybucji czy tylko warsztaty?

I design na kształt plastra sera też bardzo mi się podoba :)

[deshipu]

@wn2001 dziękuję. SAMD21 używam głównie dlatego, że wymaga bardzo niewielu dodatkowych komponentów (dwa kondensatory) i działa na nim CircuitPython, a do tego jest tani (poniżej $3 od sztuki). Na razie nie planuję sprzedawać tej płytki — plaga bardzo zepsuła wysyłkę międzynarodową, a różnica w cenie wcale nie jest taka duża jeśli bym nie produkował kilkuset płytek od razu — pewnie mógłbym sprzedawać je za jakieś $10 od sztuki, nie licząc przesyłki. Na razie mam te kilka zmontowanych ręcznie do rozdawania jako wizytówki, a jak ktoś potrzebuje więcej, to sobie może sam u Chińczyków zamówić — wszystkie pliki są udostępnione na hackaday.io. Podejrzewam, że mogłyby się dobrze nadawać na reklamę hackerspace-a albo nawet firmy sprzedającej zestawy — wystarczy tylko zmienić napis i ewentualnie kolor.

Teraz pracuję nad jeszcze jedną wersją, lepiej nadającą się do warsztatów, bo nie wymagającą kabla USB-C — ten sam trik, ale z gniazdkiem micro-USB:

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[KHX]

Nie, no projekt wymiata. Czegoś takiego jeszcze nie widziałem, ale naprawdę tylko pogratulować dobrej roboty :D. Mam nadzieję, że kiedyś też będę potrafił coś takiego zrobić.😃

[deshipu]

Prototyp wersji na micro-USB przyszedł dzisiaj i ogólnie rzecz biorąc działa:

Jednak po przetestowaniu, postanowiłem wprowadzić do projektu kilka zmian:

Po pierwsze, skróciłem gniazdko — okazuje się, że wewnątrz wtyczki nie ma miejsca na włożenie jej do końca. Po drugie, usunąłem przesunięcie styków względem siebie, mające na celu zapewnienie zasilania zanim nastąpi połączenie sygnałów — styki są już przesunięte w ten sposób we wtyczce, w gniazdku nie muszą, a powiększa to nieco powierzchnię styku. Dodatkowo, ponieważ wtyk z płytki nie wygląda jak standardowe USB, postanowiłem go podpisać żeby nie było wątpliwości.

Pierwsze włożenie wtyczki spotkało się z pewnym oporem, kolejne już nie. Problemem okazuje się warstwa HASL cyny na stykach, chroniąca je przed korozją:

Jak widać, zwiększa ona nieco całkowitą grubość płytki ze stykami, a że cyna jest miękka, to została zdarta. Żeby temu zapobiec, postanowiłem usunąć pad z drugiej strony wtyczki — oryginalnie chciałem, żeby łączył się z ekranem kabla, ale i tak nie podłączam tego nigdzie na płytce, a boję się, że przy pomyłkowym odwrotnym włożeniu wtyczki może spowodować zwarcie. No i zwiększa on nieco całkowitą grubość. Podejrzewam, że użycie warstwy złota zamiast cyny też by pomogło, ale płytki miały być tanie...

Poza tym są drobne kosmetyczne zmiany. Ponieważ fabryka, której chciałem użyć, życzy sobie dodatkowej opłaty za użycie czarnego nadruku na żółtych płytkach (domyślnie używają białego), postanowiłem zmienić kolor płytki i ozdoby — teraz zamiast szwajcarskiego sera są szwajcarskie krzyżyki.

Przy okazji, skoro już zamawiałem płytki, to zamówiłem też wersję o grubości 0.8mm płytek z USB-C. Działają dobrze i znacznie stabilniej siedzą we wtyczce — więc jakby ktoś robił tę wersję, to polecam właśnie takie grubsze płytki.

[Anonim]

Wygląda fajnie tylko się zastanawiam co ma na celu to dziurkowanie..

[FlyingDutch]

15 godzin temu, atMegaTona napisał:

Wygląda fajnie tylko się zastanawiam co ma na celu to dziurkowanie..

Zapewne ułatwioną cyrkulację powietrza.

Pozdrawiam

[deshipu]

Żeby dało się wygodnie korzystać z takiej płytki, to wypadałoby wiedzieć co która nóżka może zrobić. Zatem usiadłem dzisiaj do Inkscape-a i zrobiłem ściągę:

Niestety było z tym trochę pracy, bo z noty katalogowej nie wynika wprost co da się zrobić — po kilku próbach postanowiłem po prostu podejść do problemu brutalnie, i napisałem sobie prosty programik, który wypróbowuje wszystkie możliwości i wypisuje co się udało a co nie. Niestety, przy PWM-ie się już poddałem — liczba możliwych kombinacji jest duża, a do tego jeszcze kolejność ma znaczenie — ciężko byłoby to nawet przedstawić graficznie w jakiś zrozumiały sposób.

 

Edytowano Lipiec 25, 2020 przez deshipu

[Gieneq]

@deshipu jako grafik komputerowy napiszę, że naprawdę bardzo ładnie to wygląda - zwłaszcza, że sam robiłem takie pinouty i nie jest to proste 🙂 inkscapea nie lubię, ale może da tego, że zaczynałem od innych programów 🙂 może tylko twory montażowe wyczyść na biało i ewentualnie jakaś legenda kolorów.

[deshipu]

Dziękuję za dobre słowa i za uwagi. Legendę dodałem w nowszej wersji (nie chciało mi się już jej tutaj wgrywać), natomiast z otworami próbowałem, ale żeby być konsekwentnym, to musiałbym wszystkie otwory tak potraktować, a wtedy wygląda to dosyć nieładnie — zlewają się z cynowymi pierścieniami dookoła. Więc chyba jednak zostawię tak jak jest. W nowej wersji zmniejszyłem też liczbę kolorów, żeby mniej sałatki było.