Kannettavien sääasemien piirilevyjen valmistus ja piirilevyt kenttävalvontaan

Kannettavat säätuotteet vaihtelevat taskumittareista, jotka näyttävät lämpötilan, kosteuden ja paineen, kenttäsarjoihin, joissa on etäanemometri, sademittari ja dataloggeri. Kädessä pidettävää säämittaria voivat käyttää ulkoilun ammattilaiset, urheilujoukkueet, tarkastajat tai tutkijat. Tilapäinen kenttäasema voidaan asentaa jalustalle ja jättää tallentamaan mittauksia tuntikausia tai päiviä. Maatalouden metsuri voi lisätä maaperä- tai lehtiantureita, mutta ne ovat pikemminkin laajennuksia kuin yleismaailmallisia sääaseman toimintoja.

Ydinelektroniikka muistuttaa usein IoT-ympäristösolmua. Highleapin IoT-piirilevyjen valmistus on olennaista kompakteille verkottuneille anturialustoille, kun taas IoT-laitteiden suunnittelunäkökohdat tarjoavat laajemman kontekstin tiedonkeruulle, langattomalle tiedonsiirrolle ja virranhallintaan. Sääasema vaatii silti anturikohtaista altistusta ja kalibrointia, mitä geneerinen IoT-kortti ei vaadi.

Vierekkäisiin tuotteisiin kuuluvat kädessä pidettävät tuulimittarit, barometrit, lämpö- ja kosteusmittarit, ilmanlaadun valvontalaitteet, ympäristötietojen kerääjät ja kiinteät automaattiset sääasemat. Nämä tuotteet voivat jakaa antureita ja MCU-alustoja, mutta niiden kotelointi, valotus, teho ja kalibrointitarpeet eroavat toisistaan. H1:n tulisi keskittyä kannettavaan säänvalvontalaitteeseen sen sijaan, että se absorboisi kaikki ympäristöanturiluokat.

Kannettavien säälaitteiden kokoonpanot: Kädessä pidettävä, tiedonkeruulaite ja kenttäasema

Lämpötila, suhteellinen kosteus ja ilmanpaine muodostavat yhteisen anturiytimen. Integroidut laitteet, kuten BME280, yhdistävät paine-, kosteus- ja lämpötilamittaukset pienitehoisissa sovelluksissa, vaikka laitevalmistaja voi valita erilliset anturit, kun tarkkuus, sijoittelu tai huollettavuus sitä vaatii. Tärkeä tuotesääntö on, että anturin on mitattava ympäristöä, ei piirilevyn itsekuumenemista.

Lämpötila- ja kosteusanturit tarvitsevat ilmavirtauksen ja eristyksen prosessoreista, säätimistä, näytöistä ja latauspiireistä. Paineanturit tarvitsevat tuuletusaukon ja niiden tulisi välttää mekaanista rasitusta. Highleapin teollisen IoT-piirilevyn integrointi on hyödyllinen kestävien anturisolmujen kannalta, mutta säämittareiden tarkkuus riippuu kotelon säteilysuojauksesta, ilmavirrasta ja anturin altistumisesta piirilevyn ulkopuolella.

Kosteusantureihin voivat vaikuttaa likaantuminen, kondensaatio ja suojapinnoitteet. Paineportit voivat tukkia pinnoite tai tiivistemateriaali. Kokoonpanopiirustuksessa tulee määritellä ympäristöantureiden ja tuuletusaukkojen suojaus/peitto-ohjeet. Kalibroinnissa antureita voidaan verrata jäljitettäviin lämpötila-/kosteus-/painereferensseihin; asianmukaiset pisteet ja toleranssit tulevat asiakkaan eritelmistä.

Kenttäanturin integrointihuomautuksia

Anturin altistaminen tulisi suunnitella teollisen suunnittelun vaiheesta lähtien. Lämpötila-/suhteellisen ilman lämpötila-anturi, joka on asennettu samalle piirilevylle kuin kirkas näyttö ja laturi, voi joissakin olosuhteissa lukea useita asteita poikkeavan todellisesta ympäristön arvosta, vaikka sen komponenttien kalibrointi olisi oikein. Suunnittelijat voivat eristää anturin reunalle, pienelle tytärlevylle tai tuuletusalueelle, jos se on mekaanisesti perusteltua. Paineanturi tarvitsee oman tuuletustoiminnon. Tuotantopiirustuksesta tulisi käydä ilmi, mitkä aukot ja suoja-aukot ovat mittauskriittisiä, jotta tehdas ei peitä niitä vaahdolla, tarramateriaalilla tai pinnoitteella. Lopullisessa tarkkuuden varmentamisessa tulisi käyttää koottua koteloa, koska ilmavirtausta ja lämpökytkentää ei voida arvioida pelkästään paljaan piirilevyn perusteella.

Tuuli- ja sademittauksissa käytetään usein antureita, jotka ovat mekaanisesti erillään pääelektroniikasta. Kuppi- tai ultraäänianemometri, tuuliviiri, kippisademittari tai muu anturi voidaan liittää kaapelilla tai langattomasti. Piirilevy tarvitsee siksi liitäntärajapinnat, heräte- tai ylösvetopiirit, pulssi-/laskuritulot, analogiset kanavat tai digitaaliset väylät, jotka vastaavat hyväksyttyä anturityyppiä.

Ulkokäyttöön tarkoitetut kaapelit tuovat ESD:tä, ylijännitettä ja yhteismuotoista kohinaa elektroniikkaan. Suojausverkko tulee suunnitella todellisen kaapelin pituuden, anturiliitännän ja altistuksen mukaan. Highleapin ulkoelektroniikan piirilevysuunnittelun konteksti on olennainen kenttäkaapeloinnin ja ympäristönsuojelun kannalta, vaikka sääasema ei olekaan robotti.

Etäanturiliittimet vaativat mekaanisen kiilauksen, vedenkestävän liitoksen ja vedonpoiston. Jos useat anturivaihtoehdot jakavat saman piirilevyn, käyttämättömillä tuloilla tulisi olla määritellyt tilat ja osaluettelossa/testaussuunnitelmassa tulisi yksilöidä jokainen tuotenumero (SKU). Tehtaan ei tulisi olettaa, että tuotetta kutsutaan sääasemaksi, ja että siinä on tuuli- tai sadetulo.

Ulkoiset sääanturit aiheuttavat myös huolto- ja asennuskysymyksiä. Irrotettava tuulimittarin kaapeli saattaa vaatia kiilaliittimen ja kentällä vaihdettavan suojauksen; pysyvästi kiinnitetty anturi voi käyttää suljettua kaapelitiivistettä. Kippauskauhojen tai kuppien pulssitulot saattavat vaatia värinänvaimennusta ja kaapelivian havaitsemista laiteohjelmistossa. Analogiset anturit voivat vaatia kalibrointia ja suojausta. Tuotannon aikana simulaattorilaite voi jäljitellä tuuli-/sadepulsseja ja vastus-/jännitetuloja käyttämättä oikeaa tuuliviiriä jokaisella asemalla. Tämä lähestymistapa lyhentää testausaikaa ja samalla tarkistaa piirilevyn kanavan, ja täydellinen mekaanisen anturin kalibrointi voi jäädä valmiin anturikokoonpanon tai tuotteen kelpoisuusprosessin osaksi.

Kannettava säälaite voi näyttää reaaliaikaisia ​​arvoja LCD/OLED-näytöllä, tallentaa tietoja paikallisesti ja viedä tietoja USB:n, Bluetoothin tai Wi-Fin kautta. Highleapin näyttöpiirilevyn integrointi on olennaista käyttöliittymän kannalta, kun taas Bluetooth-piirilevyn suunnittelu ja kokoonpano koskevat langatonta tiedonsiirtoa. Kenttäloggeri voi toimia ilman näyttöä ja priorisoida muistia ja reaaliaikakellon tarkkuutta.

Tiedonkeruu luo omat tuotantovaatimuksensa. RTC-lähteen, varmuuskopiointitoiminnan, muistilaitteen ja tiedostojärjestelmän on oltava laiteohjelmiston mukaisia. Sarjanumerot, kalibrointikertoimet ja anturin konfiguraatio voidaan tallentaa pysyvään muistiin. Väärä laiteohjelmisto tai muistivariantti voi saada sähköisesti virheellisen piirilevyn tuottamaan virheellisiä aikaleimoja tai anturikanavia.

Langattomat radiot muuttavat myös tehon ja radiotaajuuden asettelua. Antennien suojaus ei saisi olla ristiriidassa metallisten jalustaosien, akkujen tai anturikaapeleiden kanssa. Puhelimeen tai pilvipalveluun ladattavien tuotteiden osalta piirilevytehdas voi varmistaa radioyhteyden ja käyttöliittymän toiminnan, mutta ei omista mobiilisovellusta tai pilvipohjaista taustajärjestelmää, ellei siitä ole erikseen sovittu.

Lokituotteiden tulisi määritellä, mitä tapahtuu, kun muisti täyttyy, kellon varavirta katkeaa tai langaton tiedonsiirto keskeytyy. Nämä ovat laitteen toimintoja, jotka vaikuttavat kenttäkäyttäytymiseen, mutta eivät näy piirilevyn tarkastuksessa. NPI-testaussuunnitelmassa voidaan harjoitella tiedostojen luomista, aikaleiman vaihtoa ja näytedatan vientiä. Jos Bluetooth tai Wi-Fi on asennettu, ohjelmoi yksilölliset osoitteet ja varmista pariliitos/yhteys tuotantolaiteohjelmistoon. Useilla tuotemerkeillä myytävien asemien etiketit, oletusasetukset ja mobiilisovellustunnisteet voivat vaihdella, kun taas piirilevy pysyy samana. Hallittu SKU-matriisi estää tehdasta sekoittamasta ohjelmistoja tai sarjanumeromuotoja muuten identtisten anturikokoonpanojen välillä.

Kannettavissa sääasemissa voidaan käyttää vaihdettavia kennoja, ladattavia akkuja, USB-latausta tai pieniä aurinkopaneeleja. Sopiva arkkitehtuuri riippuu käyttöajasta, tiedonkeruuvälistä, radion käyttöjaksosta, näytön käytöstä ja kenttähuoltosuunnitelmasta. Highleapin aurinkoenergialla toimiva sulautettu järjestelmäsuunnittelu on olennainen kenttäyksiköille, kun taas aurinkolatausohjaimen periaatteet soveltuvat vain silloin, kun aurinkosähkölatausreitti on osa suunnittelua.

Itsekuumeneminen on mittausongelma ja tehokkuusongelma. Lämmin säädin tai latausakku lämpötila-/suhteellisen kosteuden anturin lähellä voi vääristää lukemia. Laiteohjelmisto voi ajoittaa radiolähetykset pois mittausikkunoista, mutta fyysinen anturien erottaminen on yleensä ensimmäinen puolustuskeino. Piirilevyn asettelun tulisi pitää kuumat komponentit ja suurvirtareitit poissa ympäristön mittausalueelta.

Virransäästötilat auttavat pitkäaikaisessa tiedonkeruussa, mutta virrankatkaisu ja -syklit voivat muuttaa anturin lämpenemistä ja vakautumista. Mittausalgoritmin tulisi määrittää, kuinka kauan odotetaan kunkin anturin herättämisen jälkeen. Tehdastestien tulisi käyttää tuotantolaiteohjelmistoa, jotta virrankulutustila ja näytteenottojärjestys vastaavat todellista käyttöä jatkuvan virheenkorjaustilan sijaan.

Energiamallinnuksen tulisi sisältää anturien aikataulu. Tuuli-/sadepulssitulot voivat pysyä aktiivisina pienellä teholla, kun taas radiot, näytöt ja jotkut anturit kuluttavat paljon enemmän. Aurinkopaneelikenttäasema voi viettää päiviä huonossa valossa, joten akun varavirta ja lepovirta ovat yhtä tärkeitä kuin paneelin nimellisteho. Lataussäädin ja kennokemia tulisi validoida ulkolämpötilan mukaan. Piirilevyllä mittausalueen tulisi olla termisesti erotettu lataus- ja DC/DC-komponenteista. Laiteohjelmistossa laitevalmistaja voi ajoittaa suuritehoisia radiolatauksia lukemien tallentamisen jälkeen. Tuotanto voi tarkistaa virran useissa määritellyissä tiloissa, joten väärä säätimen populaatio tai laiteohjelmistotila ei lyhennä kenttäkäyttöaikaa huomaamattomasti.

Piirilevyn asettelun tulisi erottaa herkät anturit lämmöstä, kytkentäkohinasta ja kaapelien läpivientien suojauksesta. Referenssitasoja ja hallittua reititystä voidaan tarvita USB:lle, radioille tai nopealle muistille; ydinympäristöväylät itsessään ovat yleensä hitaampia. Piirilevyn materiaali tulisi valita tietyn ympäristön ja rakenteen mukaan, ei siksi, että "ulkosääasema" automaattisesti vaatii erikoislaminaatin.

Highleapin FR-4-lämpötilaluokitusohjeet voivat auttaa laminaatin rajojen määrittämisessä. Ulkoilma-altistuksen käsittelee ensisijaisesti koko kotelo, tiivisteet, tuuletusaukot, pinnoite ja liitinjärjestelmä. Jos piirilevy on pinnoitettu yhdenmukaisesti, anturiportit ja kosteuselementit on peitettävä komponenttitoimittajan ohjeiden mukaisesti.

• EMC-suojauksella on merkitystä pitkissä anturikaapeleissa ja lataus-/dataporteissa. Maadoitusstrategian, transienttisuojauksen ja kaapelisuojausten tulee noudattaa tuotesuunnittelua. Antennin sijoittelun on pysyttävä erillään metallirakenteista. DFM:n tulee sisältää kotelointi- ja asennuspiirustukset, koska sama piirilevy voi käyttäytyä eri tavalla asennettuna metallimastoon verrattuna kädessä pidettävään muovikoteloon.
• Ulkotilojen EMC- ja ylijännitesuojaussuunnittelun tulisi sovittaa kaapelin altistumiseen yleisten kuvausten sijaan. Lyhyt sisäinen anturijohto aiheuttaa erilaisen riskin kuin mastokaapeli, joka voi poimia lähellä olevia salamaniskuja tai staattisen purkauksen. Suojauskomponentit, maadoitus ja liitinsuojat tulee sijoittaa hyväksytyn liitännän mukaisesti. Levyn reuna ja kiinnitystarvikkeet voivat myös johtaa kosteutta tai rasitusta piirilevyyn. DFM-testauksen aikana on tarkistettava suojattujen tulojen ympärillä olevat pintavuoto, pinnoitteen suojausosat ja veden kulku, jos liitin vuotaa. Nämä tiedot auttavat toimittajaa valmistamaan OEM-valmistajan tarkoittaman ympäristösuunnittelun sen sijaan, että oletettaisiin, että pelkkä konforminen pinnoite tekee elektroniikasta sopivan kenttäkäyttöön.

Piirilevykokoonpanon on suojattava herkkiä ympäristöantureita likaantumiselta, vuojäämiltä ja mekaaniselta rasitukselta. Highleapin piirilevyjen valmistus ja kokoonpano IoT-laitteille on olennaista kompaktien anturituotteiden kannalta. Antureiden sulatusrajoitukset, puhdistussäännöt ja pinnoitemaskit tulisi sisällyttää kokoonpanohuomautuksiin sen sijaan, että ne jätettäisiin tehtaan oletusten varaan.

Toiminnallisen testauksen tulisi varmistaa jokainen anturi, näyttö, muisti, reaaliaikainen kello, ulkoisen anturin tulo ja langaton liitäntä. Kalibrointi voi vaatia kontrolloituja kammioita tai referenssejä lämpötilalle, kosteudelle ja paineelle; tuuli-/sadeanturit voivat vaatia erilliset kiinnitysmenetelmät. Piirilevytoimittajan tulisi noudattaa asiakkaan määrittelemiä rajoituksia ja tallentaa kertoimet, jos ne on ohjelmoitu yksikkökohtaisesti.

• Ympäristöolosuhteiden validointiin voi sisältyä lämpötila-/kosteussyklejä, vedenpitävyystestejä valmiin kotelon tasolla, pudotus-/tärinätestejä kannettaville yksiköille ja pitkäaikaista tiedonkeruuta. Nämä kelpoisuustestit eroavat rutiininomaisista tuotannon seulonnoista. Tuotantosuunnitelmassa tulisi yksilöidä, mitkä testit ovat 100 %:n yksikkötarkastuksia ja mitkä näyte- tai suunnittelukelpoisuustestejä.
• Kalibrointisuunnittelussa tulisi yksilöidä, saapuvatko anturimoduulit tehtaalla kalibroituina ja tarvitseeko valmis laite lisäjärjestelmän säätöjä. Lämpötila-/suhteellisen kosteuden kammioilla, painereferensseillä ja tuuli-/sademittalaitteilla on erilaiset kustannukset ja sykliajat. Kannettavassa asemassa saatetaan tarvita vain toiminnallinen näyttö jokaisessa yksikössä ja näytteitä kalibrointitarkastuksista, tai se voi vaatia yksikkökohtaisia ​​kertoimia. Asiakkaan tulee määritellä tämä käytäntö ennen volyymin julkaisemista. Testiohjelmiston tulisi tallentaa anturien sarjanumerot tai kertoimet, jos ne ovat tärkeitä jäljitettävyyden kannalta. Etäantureiden tapauksessa asema ja anturi on ehkä yhdistettävä yhdeksi kalibroiduksi sarjaksi; antureiden vaihtaminen kalibroinnin jälkeen voi sitten vaatia määritellyn huoltomenettelyn.