workshop: arduino for makers - cenni di progettazione elettronica ed utilizzo di software ecad

Workshop: Arduino for MakersDAY #1 – SESSION #3

PROGETTAZIONE ELETTRONICA ED

UTILIZZO DI SOFTWARE ECAD

Workshop: Arduino for Makers

Organizzatore: Gestionali in Opera (GiO) Pisa

Supervisor: Dott. Luigi Francesco Cerfeda

Sommario:

• Day #1: introduzione alla prototipazione elettronica. Strumenti HW, SW e risorse online utili per la prototipazione elettronica.

• Day #2: programmazione elettronica con la suite VIPER: casi studio ed esercitazione pratica.

21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 2

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DAY #1

1. INTRODUZIONE ALLA PROTOTIPAZIONE ELETTRONICA

Nascita ed evoluzione di Arduino e del Movimento Maker

2. STRUMENTI HARDWARE PER LA PROTOTIPAZIONE ELETTRONICA

Presentazione delle principali board di prototipazione (Arduino, ST Nucleo, Raspberry Pi, UDOO, UP), sensoristica, attuatori e “shield” (WiFi Shield e TOI Shield).

3. CENNI DI PROGETTAZIONE ELETTRONICA ED UTILIZZO DI SOFTWARE ECAD

Utilizzo di Fritzing, KiCAD, Eagle, Circtuit Maker. Realizzazione e simulazione di un semplice circuito tramite LTSpice.

4. STRUMENTI SOFTWARE PER LA PROTOTIPAZIONE ELETTRONICA

Presentazione di VIPER, download, installazione dell’IDE e “viperizzazione” di una board.


CENNI DI PROGETTAZIONE

ELETTRONICA ED UTILIZZO

DI SOFTWARE ECAD

Progettazione Elettronica

Fasi della progettazione

1. descrizione generale del sistema;

2. definizione delle specifiche;

3. progetto di sistema attraverso diagrammi a blocchi funzionali;

4. definizione delle specifiche dei blocchi funzionali per la sintesi e la realizzazione a livello di circuito;

5. integrazione di sistema;

6. modellazione e simulazione;

7. collaudo e verifica.


Muhammad Rashid. Fondamenti di elettronica. Apogeo Editore, 2002

Cosa è un prototipo?

Per prototipo si intende "il primo elemento della serie" e può servire per valutare costi, tempi di ciclo, risposta del mercato (in tal caso viene chiamato anche demo) e così via.


Prototipi e Falsi Positivi


Prototipi e Falsi Negativi


Evitare brutte sorprese!

In particolare, nella realizzazione pratica di un progetto è strategicamente conveniente affrontare prima i problemi più impegnativi e poi quelli più semplici.

Infatti se per i problemi più difficili non è possibile trovare una soluzione accettabile in termini di tempo e denaro, è inutile sprecare risorse anche per quelli più semplici dal momento che la realizzazione del progetto non andrebbe comunque a buon fine.


E’ necessario un PREtotipo


Pretotype


Metodo KISS

Keep It Simple, Stupid!


Iterazioni nel flusso progettuale


Quando fermarsi?

Your prototype doesn’t have to be perfect!


Mettiamoci all’opera!Task: realizzazione di un dispositivo per il rilevamento della rumorosità ambientale

Flusso di lavoro per la realizzazione del pretotipo


Studio teorico

• Simulazione tramite LTSpice

Test su breadboard

• Frtizing

Produzione PCB

• Progettazione tramite KiCAD



Studio teorico


Test su breadboard

• Frtizing

Produzione PCB


Resistori


Resistori: codice colori


Condensatori


Diodi


LED (Light Emitting Diode)


Switch


Electret microphone


Electret microphone: data sheet


Lo studio teorico l’abbiamo già fatto!


TOI Shield - Microphone


TOI Shield - Microphone


Amplificatore 200xBuffer Electrec MicDecoupling Capacitors

Vout/Vin = (R7+R5)/R7 = 1 + R5/R7 = 1 + 100k/470

TOI Shield - Layout


Simulazione di un circuito elettronico


SPICE = Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis

Individuazione dei modelli dei componenti

• Spesso sono le stesse aziende che producono i componenti a rendere disponibili i valori da adottare per l’implementazione matematica di questi modelli

• è possibile scegliere tra un’intera classe di modelli caratterizzati da diversi livelli di complessità.

• compromesso tra attendibilità dei risultati della simulazione e tempi di elaborazione


Descrizione del circuito

Semplice circuito RC

* Descrizione della rete

R1 1 2 1k

R2 2 0 1k

R3 3 0 1k

C1 2 3 1u

* Descrizione delle sollecitazioni

Vin 1 0 PULSE (0 5 0 0 0 5m 10m)

* Tipo di analisi

. TRAN 0.1 MS 20 MS

* Tipo di presentazione dati

. PRINT TRAN V(1) V(2) V (3)

.END


Netlist

La netlist può essere prodotta con un qualunque editor di testo rispettando leseguenti regole sintattiche:• i commenti sono inseriti anteponendo il carattere asterisco (*) alla frase;• le istruzioni e le descrizioni di componenti vengono scritte su una sola linea;• ogni istruzione di SPICE è identificabile da una etichetta che inizia con un punto;• l’etichetta identificativa è seguita dall’elenco dei nodi a cui il componenteè collegato e dal valore dei parametri del modello specifici per quel singolocomponente;• i nodi della rete sono identificati tramite una numerazione arbitraria, con l’unicaaccortezza che il nodo di massa, quello in riferimento al quale vengono espressitutti i valori di tensione, deve essere sempre indicato con lo zero;• ciascun componente viene identificato tramite un nome (del quale sono

significativi i primi 7 caratteri), la cui iniziale indica univocamente il tipo di componente.

Identificatori componenti in SPICE.


Identificatori componenti in SPICE.Notazione

Descrizione elementi attivi


La sintassi per la definizione di un modello è

.MODEL ModelName Type (Pname = PVal1 Pname = PVal2 ...)

dove Type può essere uno dei termini in tabella

Descrizione delle sollecitazioni


Modalità di elaborazione

• Analisi in continua: necessaria per determinare, tramite la soluzione di un sistema non lineare, il punto di lavoro in continua del circuito. Tale analisi è automaticamente calcolata prima dell’analisi del transitorio per ricavare le condizioni iniziali di funzionamento.

• Analisi per piccoli segnali: necessaria per analizzare il comportamento in frequenza di un modello linearizzato del circuito, ricavato in corrispondenza del punto di lavoro. Eseguita sul circuito linearizzato nell’intorno del punto di riposo, prevede la soluzione di un sistema lineare integro-differenziale, che passando nel dominio della frequenza si riduce ad un semplice sistema lineare in campo complesso.

• Analisi in transitorio: necessaria per calcolare il valore delle variabili di uscita in funzione del tempo per un certo intervallo di tempo specificato attraverso lo studio del comportamento non lineare del circuiti a grande dinamica oppure per valutare le caratteristiche di una rete digitale. Dal punto di vista matematico, corrisponde alla soluzione di un sistema di equazioni integro-differenziali non lineari.


Presentazione dei risultati (old style!)

• Lo statement .PLOT TRAN V(1), V(2), I(VCC) determina il tracciamento del grafico (a caratteri ASCII) in funzione del tempo delle tensioni sui nodi 1 e 2 e della corrente attraverso il generatore VCC.

• Lo statement .PRINT type var1 var2 · · ·, dove type indica il tipo di analisi, presenta le variabili relative alle grandezze a cui siamo interessati in forma tabellare

• SPICE ha anche moduli software per l’esecuzione di post-processing sulle forme d’onda e sui tracciati (rappresentazioni in scala lineare o logaritmica, sommare, sottrarre o applicare altri operatori matematici alle formad’onda, eseguire trasformate per valutare contenuto armonico o parametri statistici e così via)


Linear Technology - Design Support


http://www.linear.com/

LTSpice - Download


Guide e Tutorial

• LTspice IV Getting Started Guide - Linear Technology: http://cds.linear.com/docs/en/software-and-simulation/LTspiceGettingStartedGuide.pdf

• SwitcherCAD III - Tutorial - Pietro Salvato:

unielettronica.altervista.org/materiale/sc3.pdf


Summary of Schematic Editor Toolbar


TOI Shield Microphone - Schematic


TOI Shield Microphone - Transient




Studio teorico


Test su breadboard

• Frtizing

Produzione PCB


Tutorial Fritzing


http://www.openmakersitaly.org/disegnamo-i-circuiti-fritzing/

Dall’idea al prototipo


Breadboard ?!?


Breadboard!

• Una breadboard (o anche detta basetta sperimentale) è uno strumento utilizzato per creare prototipi di circuiti elettrici.

• Non richiede saldature ed e completamente riusabile (e percio utilizzata soprattutto per circuiti temporanei).


Uso della breadboard

• Tutte le breadboard hanno, generalmente, una struttura simile composta da linee di trasmissione (strips) che consistono in collegamenti elettrici tra i fori.

• Come in figura, si possono notare le linee di alimentazione, poste generalmente ai lati e collegate lungo tutto l’asse, e le linee dedicate ai componenti, collegate in posizione perpendicolare alle linee di alimentazione.


Breadboards... wonderful and tragic


PROCURIAMOCI IL PROGRAMMA

http://fritzing.org/download/


Uno sguardo d’insieme


MODALITÀ BREADBOARD


Tipi di Breadboard


Scelta dei componenti


Posizionamento dei componenti


Realizziamo i collegamenti


Esportiamo il circuito (BOM)


MODALITÀ SCHEMA (STOP!)




Studio teorico


Test su breadboard

• Frtizing

Produzione PCB


Printed Circuit Board (PCB)


Scheda, di solito rigida, sul quale vengono montati i componenti elettronici e collegati attraverso piste di materiale conduttivo

Legge di Moore per i PCB


Legge di Moore

• il numero di chip presenti su un circuito integrato raddoppia ogni 18 mesi

PCB

• Questo tasso di crescita è seguito anche dalla complessità dei circuiti.

Productivity gap

• Il trend di crescita indicato dalla legge di Moore non è purtroppo seguito dalla produttività dei progettisti

Sviluppo di CAD elettronici (EDA o eCAD)

• EDA = Electronic Design Automation

• eCAD (Electronic Computer-Aided Design)

Attraverso questi software il progettista può curare tutte le fasi atte alla produzione di sistemi elettronici.


Con quale CAD elettronico incominciare?

• Evitare di dedicare tempo e risorse (magari anche economiche) a CAD che a stento superano la dimensione di prodotto hobbistico.

• lasciate stare CAD mastodontici, blasonati ma ultra complessi, come Altium, Orcad e Allegro.

• Prima bisogna farsi le ossa con Eagle o KiCAD.


http://www.carminenoviello.com/2013/08/02/con-quale-cad-elettronico-incominciare

Eagle CAD - Vantaggi

• Multipiattaforma

• Intuitivo: ha una curva di apprendimento dolce e non traumatica.

• È supportato dalla community

• Arduino oriented: è il CAD con cui progettano e sbrogliano Arduino. E ci troverete tutto quello che ronza intorno a questa piattaforma. Compresi i progetti dei vari Sparkfun, Adafruit, ecc.

• Ha una licenza freeware: è gratis a patto di accettare alcune limitazioni.


Eagle CAD - Svantaggi

• Possono essere adoperati al massimo d 2 layer di segnali

• La dimensione massima del PCB è di 100x80 mm.

• L'editor dello schema vi consente di avere un solo foglio

• Potete adoperare il programma solo per realizzare progetti senza fini di lucro, ossia per hobby.

•NON è OPEN SOURCE


Why is important Open Source Hardware Community to use Open Source CAD tools

• increasing the base of the people who could modify the projects as the open source CAD tools are free to obtain.

• the selected CAD tool will gain more users and community, which will help to fix bugs, add new features, libraries and move forward and improve.


https://olimex.wordpress.com/2013/12/09/why-is-important-open-source-hardware-community-to-use-open-source-cad-tools/

Perché usare KiCAD?

KiCad software gets the CERN treatmenthttp://home.cern/about/updates/2015/02/kicad-software-gets-cern-treatment

Roadmap impressionante!http://www.ohwr.org/projects/cern-kicad/wiki/WorkPackages


KiCAD - Introduzione

Homepage: http://kicad-pcb.org/


KiCAD – Schematic Capture


KiCAD – PCB Layout


KiCAD – 3D viewer


KiCAD – Download


Struttura KiCAD


The basic workflow in KiCad

1. Create a project.

2. Create a schematic with 'eeschema'.

3. Assign footprints to symbols and generate the netlist.

4. Create a board with 'pcbnew', importing the netlist from 'eeschema'.

5. Test the board using the 'Design Rule Check'.

6. Generate production files.


KiCAD workflow


Librerie


http://smisioto.no-ip.org/elettronica/kicad/kicad.htm

le librerie sono accessibili via GIT (git clone git://smisioto.eu/kicad_libs.git) non compresse o compresse in file

zip direttamente sul sito

Eeschema: creazione nuovo progetto


Eeschema: creazione nuova cartella


Eeschema: Piazzamento componenti


Eeschema: Modifica componente


Eeschema: Modifica Valore Componente


Eeschema: Disposizione Componenti


Eeschema: Collegamento Componenti


Eeschema: Power line


Eeschema: Ground line


Eeschema: Schema completo


Eeschema: Numerazione componenti


Eeschema: ERC


Eeschema: ERC error


Eeschema: Schema Completo


Eeschema: Generazione Netlist


CvPCB: Associazione Moduli


Through-Hole vs Sourface Mounting


Caso particolare: BESOS NEED


http://www.besos.cc/adattatori-smt-per-prototipazione-rapida/

Adattatori THT-SMD


CvPCB: Associazione Modulo LM358


PCBnew: (rigenerazione e )importazione netlist


PCBnew: disposizione componenti (default)


PCBnew: disposizione ordinata componenti


PCBnew: placing componenti


Regole per il placing dei componenti

• ridurre la lunghezza dei percorsi critici;

• componenti analogici separati fisicamente da quelli digitali;

• componenti di potenza separati fisicamente da quelli di precisione;

• orientamento dei componenti concorde con quello delle piste;

• distribuzione e dimensionamento di condensatori e filtri per la riduzione dei

• disturbi (bassa e alta frequenza) esterni o di accoppiamento.


PCBnew: contorno scheda


PCBnew: setting layers


PCBNew: autorouter


PCBNew: piano di massa


PCBNew: piano di alimentazione


PCBNew: DRC (Design Rules Check)


PCBNew: Layout completo


PCBNew: 3D Viewer


PCBNew: Esportazione GERBER


GERBERViewer


Abbiamo finito?

ERC è OK, DRC è OK.Tutto OK?

NO! Trovate l’errore!


Test


https://www.youtube.com/watch?v=xP04tg_6rsU