Bienvenue au Design Review Central ! [VE3SVF] nous envoie sa carte, et c’est une carte de suivi HAB (High Altitude Balloon). Elle est équipée du vénérable ATMega28P, d’un modem LoRa et d’un module GPS, et elle peut être alimentée par une batterie LiIon. Collez cette carte avec sa batterie sur un ballon à haute altitude, faites-le se réveiller et transmettre vos coordonnées de temps en temps, et vous finirez par le retrouver dans un champ – si vous avez de la chance. Sinon, il restera coincé accroché à une branche d’arbre, et vous devrez utiliser un quadricoptère pour essayer de le faire descendre, puis, selon toute vraisemblance, un deuxième quadricoptère pour pouvoir libérer le premier. Ou alors, allez chercher une longue échelle.
L’ATMega328P a fait ses preuves et, même si son prix a augmenté, il est toujours disponible – avec même une version mise à jour qui comporte quelques périphériques supplémentaires ; plus important encore, vous êtes sûr de trouver un 328P dans votre tiroir, voire plusieurs. En dehors de cela, la carte utilise deux modules d’un fabricant chinois, G-Nice, pour le GPS et le Lora. Ces deux modules sont bon marché, ce qui rend ce tracker d’autant plus accessible ; je pourrais facilement voir ce projet être vendu comme un kit « construisez votre propre balise » !
Nous allons peut-être le rendre un peu plus agréable, peut-être un peu moins cher, et peut-être diminuer un peu la consommation d’énergie en cours de route. Nous utiliserons quelques-unes des anciennes astuces, quelques nouvelles et parlerons d’aspects spécifiques au projet qui pourraient être faciles à oublier.
Les fruits à portée de main
Cette carte a quatre couches, ce qui est bien car vous obtenez plus de masse et plus d’espace de routage pour une petite augmentation de prix de nos jours. Cette carte n’ajoute pas de remplissages sur les couches internes, mais c’est une solution facile – il suffit de sélectionner l’un des plans d’alimentation GND et de cocher les cases In1/In2.Cu dans leurs paramètres. Une autre chose à modifier dans les paramètres de zone est le dégagement de zone et l’épaisseur minimale – les dégagements par défaut de KiCad sont beaucoup trop conservateurs, les régler sur quelque chose comme 0,2 mm / 0,2 mm est une bonne idée. Cela améliore la connectivité de la terre et nous permet également de nous débarrasser des pistes de terre qui seraient autrement nécessaires pour amener la terre à différents connecteurs.
Les couches internes sont reliées à la terre, et la terre de toutes les couches peut également atteindre une plus grande distance. Cela dit, les couches internes ont l’avantage d’être complètement libres : c’est à ce moment-là que vous obtenez le meilleur flux de courant de retour. N’oubliez pas que chaque piste, qu’il s’agisse de signal ou d’alimentation, a besoin de son chemin de retour à la terre, et si vous ne fournissez pas un chemin de retour direct et propre, l’électricité trouvera un moyen de le faire. Cela, à son tour, entraîne du bruit, à la fois reçu et émis, ainsi que d’éventuelles instabilités.
En particulier, l’en-tête de flashage ISP avait beaucoup de fruits à portée de main ; des pistes qui ont été tirées sur les couches internes mais qui pourraient tout aussi bien aller sur les couches supérieures/inférieures. De nombreuses pistes pourraient également être insérées entre les pads des modules GPS et LoRa – les espaces sont suffisamment larges pour que même une piste de 0,2 mm soit confortable à l’intérieur, et vous pourriez probablement en tirer deux si vous descendiez à 0,15 mm, ce qui est toujours sûr avec la plupart des fabs.
Et, après une douzaine de minutes de travail, les couches internes sont libres. Une quantité surprenante d’espace a pu être trouvée – par exemple, les trois pistes DIO ont joliment longé le bord droit de la carte. Plus important encore, les condensateurs ont été rapprochés de l’endroit où ils fonctionnent le mieux. En particulier, le condensateur AREF est séparé par deux vias et une longue piste interne, ce qui ne permettra pas un bon découplage analogique. Cela a nécessité de déplacer l’ATMega un peu vers le haut, mais une application judicieuse de Del et Shift+Del sur les pistes, ainsi qu’un peu de glissement de piste, ont permis de faire ce déplacement rapidement.
Je pourrais parler des choix de taille des composants, mais ils n’interfèrent pas de manière significative avec le routage sur la carte – même l’inverse, avoir une des diodes en 1206 m’aide à éviter certains vias. D’un autre côté, la rotation des résistances de division de batterie et des régulateurs de puissance de 180 degrés a permis de libérer un bon espace de routage. Et, en regardant la carte, le routage de l’ATMega328P pourrait peut-être aussi bénéficier d’une rotation d’un tour dans le sens des aiguilles d’une montre. Cela rendrait le routage SPI plus propre, les pistes d’alimentation et les broches analogiques plus courtes, et nous permettrait de placer des condensateurs sur les côtés, au faible coût d’avoir des broches GPIO qui serpentent un peu. Cependant, ici, les avantages ne sont pas nécessairement aussi clairs que dans les articles précédents ; il s’agit plutôt d’un compromis entre le temps et la beauté.
La puce tourne, mais pas nécessairement
Voilà un problème. On pourrait peut-être passer une douzaine de minutes de plus et faire tourner la puce, ou la laisser telle quelle ? La carte sera-t-elle légèrement plus belle ? Oui. Est-ce nécessaire ? Non. Si vous voulez simplement commander la carte et partir, il est tout à fait normal que vous appuyiez sur le bouton de commande et que vous laissiez les améliorations de ce niveau pour la version 2. D’un autre côté, si l’envie d’améliorer votre carte est suffisamment forte pour que l’investissement en temps ne vous effraie pas, cédez et voyez-vous devenir meilleur dans la conception de PCB. Cela a fonctionné pour moi.
Il existe cependant des problèmes cachés pour de telles petites refontes. N’oubliez pas qu’une refonte peut vous amener à rétablir un problème que vous avez réussi à éviter avec l’itération d’origine, ou qu’elle peut rapidement devenir irréalisable. Cela m’est arrivé, lorsqu’une refonte qui visait à ajouter des fonctionnalités et à réduire la complexité est devenue contre-productive à mi-chemin, j’ai donc dû m’arrêter de continuer et commander la carte déjà. Vous apprendrez à les suivre, mais il faut les garder à l’esprit. Gardez vos Ctrl+Z prêts, conservez une copie des fichiers ou un commit Git, si vous faites quelque chose de fondamental, et soyez prêt à recevoir une leçon de lâcher prise.
J’ai fini par faire tourner la puce, et la carte est effectivement devenue un peu plus belle, mais d’une manière qui ne résout aucun problème urgent. Au fait, avez-vous remarqué quelque chose que cette carte a vraiment bien fait depuis le début ? C’est le placement des composants. La façon dont le module LoRa, le module GPS, l’ATMega328P et les embases sont positionnés, je ne changerais rien à leur sujet. Peut-être déplacer les embases à broches sur une grille de 2,5 × 4 mm afin de pouvoir étendre cette carte avec une plaque perforée si nécessaire, mais celle-ci n’est pas indispensable – c’est une carte légère, après tout, les embases sont plus destinées au débogage qu’à autre chose.
Dernières réflexions : couches internes et choix de l’antenne
Si vous avez des couches internes, utilisez-les pour les remplissages de masse ou d’alimentation, afin que les courants d’alimentation et de retour puissent circuler sans restriction. Cela va réduire les émissions rayonnées et reçues, ainsi que rendre les rails d’alimentation plus fluides, ce qui semble très utile étant donné que cette conception comporte deux radios et que la radio GPS est dotée d’une antenne passive.
De plus, certaines usines ne veulent pas de couches internes vides. L’année dernière, JLCPCB a commencé à refuser les cartes dont les couches internes ou externes étaient remplies à plus de 30 %, dans ce qui est probablement une tentative de réduire les coûts du processus de gravure, ce qui a poussé certaines personnes à reconcevoir des PCB parfaitement fonctionnels sans préavis. Ajoutez à cela une récente refonte de la documentation qui a transformé certaines options auparavant gratuites en options payantes, et si je devais deviner, ils ne sont plus en mesure de continuer à fonctionner à perte autant qu’avant, donc l’âge des offres en or chez JLCPCB pourrait bientôt être terminé.
Nos améliorations ont fini par fournir plus que suffisamment de cuivre sur les couches supérieure et inférieure, ce qui vous permettrait éventuellement de passer cette carte à deux couches ; encore une fois, une commande moins chère, un temps de fabrication peut-être plus rapide, un PCBA peut-être moins cher. Ce n’est pas une exigence, mais c’est bien quand vous pouvez le faire. Si vous devez conserver les deux couches supplémentaires, n’oubliez pas que les antennes embarquées ont besoin de garde-fous au moins pour un large patch en dessous d’elles, sinon pour une bonne quantité d’espace autour d’elles, et que le garde-fou doit être sur toutes les couches. Pas de pistes, pas de remplissage, pas de cuivre, ne passez pas par Go, ne récupérez pas 200.
Des pistes plus épaisses pour les chemins de puissance sont une bonne idée lorsque vous pouvez vous le permettre – et cette carte a beaucoup d’espace ! Personnellement, je les ajoute généralement en dernier, et ce n’est pas un problème ici, mais c’est certainement une décision plus intelligente de les dessiner en premier afin de ne pas avoir à refaire une disposition plus tard.
Il semble également que vous pourriez envisager une antenne active ici. Pour un ballon à haute altitude, bien sûr, vous avez beaucoup plus de chances d’obtenir une solution et vous avez beaucoup plus de temps pour le faire, mais je suppose qu’il vaut la peine d’améliorer vos chances. De plus, je ne connais pas grand-chose aux modules de G-Nice, je n’ai pas encore essayé celui que j’ai acheté l’année dernière – il se peut que ce module soit parfaitement correct, mais cela me préoccupe, car ils sont censés être des remplacements compatibles avec l’empreinte pour les modules d’entreprise bien établis, avec ce module spécifique empruntant une empreinte U-Blox, et en tant que tel, je ne sais pas à quoi m’attendre. Une antenne active ajoute une empreinte de poids et de taille, et il se peut que tout le monde vole avec des antennes passives sans soucis, donc je suis peut-être complètement hors de ma zone ici. Quoi qu’il en soit, j’apprécierais votre avis !
Comme d’habitude, si vous souhaitez une révision de la conception de votre carte, envoyez-nous un conseil avec [design review] dans le titre, un lien vers vos fichiers de carte. Les fichiers de conception KiCad sont fortement préférés, à la fois les fichiers stockés dans le référentiel (GitHub/GitLab/etc) et les fichiers douteux de Google Drive/Dropbox/etc. .zip les liens sont acceptés.
