Workshop: Arduino for makers - Cenni di progettazione elettronica ed utilizzo di software eCAD

Workshop: Arduino for Makers
DAY #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

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

pretotipo
Studio teorico
• Simulazione
tramite
LTSpice
Test su
breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione
tramite
KiCAD

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 le
seguenti 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 componente
è collegato e dal valore dei parametri del modello specifici per quel singolo
componente;
• i nodi della rete sono identificati tramite una numerazione arbitraria, con l’unica
accortezza che il nodo di massa, quello in riferimento al quale vengono espressi
tutti 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

pretotipo
Studio teorico
• Simulazione
tramite
LTSpice
Test su
breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione
tramite
KiCAD

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!)

pretotipo
Studio teorico
• Simulazione
tramite
LTSpice
Test su
breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione
tramite
KiCAD

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 treatment
http://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

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