Prototipo (II)

Zona de mando corregida.

Aunque los errores encontrados en la placa prototipo eran funcionalmente irrelevantes, he preferido fabricar una nueva versión de la PCB, con el fin de:

• Corregir pequeños errores.
• Añadir nuevas funcionalidades.
• Añadir filas de vías en los planos de masa, que reduzcan su resistencia equivalente.
• Reordenar la posición de algunos componentes.
• Modificar detalles como el diámetro de algunos taladros, que faciliten la extracción de los componentes electrónicos, en caso de necesidad.
• Completar la serigrafía.
• Preparar la placa para poder depurarla con solo una conexión USB y el cable JTAG, pero sin necesidad de conectarla a una fuente de alimentación de potencia.

Esto último con el fin de mejorar la portabilidad de del producto en desarrollo, pudiendo llevarlo conmigo y trabajar empleando solamente un portátil.

Detalle de la placa.

En la foto de la izquierda, se aprecia un conector etiquetado como "NFC Antenna". En él la alimentación es de 3,3v, ya que algunos transponders NFC comerciales no son tolerantes a 5v, pero todos admiten esa alimentación.

También se observan cuatro conectores más, con sus etiquetas "(+)(-) scl sda". Están destinados a la conexión de cuatro pequeñas pantallas táctiles, mediante el bus I2C. Aquí la alimentación es de 5v, ya que el hardware seleccionado para las pantallas necesita esa tensión de alimentación.

Cada una de las pantallas controlará un eje de la máquina. Son opcionales, pudiéndose añadir en cualquier momento, sin necesidad de modificar el software.

En la foto de la derecha podemos apreciar el corazón de la placa. He optado por un cristal de cuarzo SMD plano, y apantallado. También se ven los "pad" de conexión del JTAG, destinado a la depuración del software, además de ser la vía más rápida para cargar nuestro programa de control.

El micro-controlador es un STM32 del tipo F2 ó del tipo F4, en su empaquetado LQFP64, es decir, en su versión de 64 pins.

Con esta versión, espero tener finalizada la zona de mando, que es la más complicada, y poder pasar a depurar la zona de potencia.

Zona de Potencia

Está compuesta por 4 sub-zonas iguales, que llamaremos "etapas de potencia", y están destinadas a controlar los motores paso a paso de la máquina. Es decir, cada zona controla un eje de la máquina.

Cada etapa de potencia consta de un micro-controlador especializado en motores paso a paso, y un puente en H compuesto por ocho transistores de potencia Mosfet, en encapsulado de D2PAK. Finalmente, incorporan dos resistencias "sense resistor" de muy bajo valor óhmico, destinadas a medir la corriente por cada rama del puente en H, y realimentar esta medida al microcontrolador especializado, para que regule el par.

Los puntos críticos de la depuración, son:

• El bus SPI que conecta cada micro-controlador especializado, con el micro-controlador principal STM32 (ARM Cortex M3).
• Posibles errores en las pistas de cada puente de potencia.

La masa de la zona de potencia está unida a la masa de la zona de mando en un solo punto, que se localiza en el lateral de la placa más alejado del micro-controlador principal. Además se han añadido vías cada décima de pulgada (2,54mm) a lo largo de los planos de masa, de forma que se reduzca su resistencia equivalente, y facilitando que los caminos de retorno de la corriente de potencia y de mando, sean diferentes. Esto reducirá al mínimo el ruido eléctrico en la alimentación del micro-controlador STM32, que es muy sensible a este efecto.

Montamos la placa.

El proceso de montaje de una placa SMD se describe en otro apartado de esta web.

De momento, solo vamos a montar el módulo de mando, y dos módulos de potencia. Si todo va bien, entonces montaré los otros dos módulos de potencia.

He decidido hacerlo así, por si hubiera algún fallo de diseño grave, que no permitiera usar esta placa, lo que me obligaría a desmontar el mayor número posible de componentes soldados, para recuperarlos. Ese es un trabajo difícil y tedioso, así que prefiero ir poco a poco.

Esta placa está en el límite que es capaz de admitir mi horno de infrarrojos. Hay una versión mayor, pero se sale un poco del concepto que tengo de los que ha de ser una máquina para una vivienda.

Debido a este problema de tamaño, al finalizar el proceso de soldadura, vemos que en los laterales de la placa hay algún "pad" que no ha quedado perfecto. Sin embargo, se corrigen con facilidad con un estañador manual. En general la placa tiene un acabado inmejorable.

En estas dos vistas de detalle se aprecia cómo han quedado estañados los micro-controladores. Con este tipo de componentes, es necesario aplicar una cantidad mínima de pasta de soldar, para evitar que algunas patillas queden unidas por soldaduras con exceso de material.

Recomiendo, incluso, retirar algo de pasta de soldar con un cutter, en la parte de cada "pad" más cercana al cuerpo del componente. Y una vez terminado el proceso de estañado, pasar la cinta de desoldar por todas las patillas, para asegurarnos de que no quedan uniones imperceptibles. Esto también servirá para estañar algún pin que no estuviera bien soldado.

Primeros test.

Retomamos los trabajos de ajuste de la placa. Ahora ya no hay cablecitos ni arreglos, así que todo tiene mucho mejor aspecto.

El entorno de pruebas se compone, como ya sabemos, de un depurador JTAG, un compilador, y dispositivos Android y NFC.

En la siguiente etapa pasaremos a ajustar las entradas y salidas digitales, así como las interrupciones que atienden agunas entradas.

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