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Diseño de placa de circuito Emriver
A medida que nuestro negocio ha crecido, hemos mejorado la forma en que se producen nuestros instrumentos. En el pasado, soldábamos a mano todos los componentes de agujero pasante en nuestras placas de circuito impreso personalizadas, incluido un Arduino. Si bien esto está bien para cantidades de producción más pequeñas o para prototipos de productos, no es ideal para una producción a mayor escala, especialmente considerando que producimos cientos de unidades al año. La soldadura a mano puede ser propensa a errores del operador, además de ser costosa y consumir mucho tiempo.
Me he estado enfocando en hacer la transición de nuestros electrónicos a componentes totalmente de montaje superficial y en optimizar nuestros diseños de circuitos para el ensamblaje llave en mano. Esto significa que el mismo fabricante externo que imprime nuestras placas de circuitos también coloca todas las piezas en ellas mediante automatización robótica. Para obtener más información sobre la tecnología de montaje superficial y el ensamblaje, visite: https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-mount_technology. Mientras se realizan estos cambios en el proceso de las placas de circuito impreso, también es un excelente momento para considerar modificaciones que mejoren las características y el funcionamiento del producto.
En lugar de acoplar un Arduino completo a la placa, opté por conectar el mismo microcontrolador que utiliza a la nueva placa de circuito. Esto me permite a mí, y a nuestros usuarios, escribir y editar el software del instrumento en el IDE de Arduino, una función que nuestros instrumentos científicos han admitido durante muchos años.
Otro gran cambio estuvo en la administración de energía. Todos nuestros productos funcionan con adaptadores de corriente de escritorio de CC, algunos de 12V, otros de 24V y otros de 48V. Esto también permite que nuestros productos funcionen en el campo con una batería universal. Para los instrumentos de 12V, el Arduino solía encargarse de la reducción de energía para llevarla a los niveles del microcontrolador. Para los instrumentos de 24V, agregábamos un regulador de energía adicional para lograr esto. Para los instrumentos de 48V, conectábamos y calibramos una placa de conversión de voltaje CC-CC externa. El nuevo diseño utiliza una fuente de alimentación con conmutación integrada capaz de manejar una entrada de CC de 5-60V. Esto significa que todos nuestros instrumentos pueden funcionar con la misma placa y no necesitamos agregar ningún chip ni placa de circuito adicional. Tener una única solución de gestión de energía que se adapte a todos los casos para nuestros instrumentos es importante porque podemos beneficiarnos de las economías de escala a la hora de adquirir las placas.
Nuestra placa de circuito impreso más reciente en nuestros instrumentos de producción es la Tarjeta de Control Big Muddy (BMCB). El nombre es un homenaje a nuestro río local, el Big Muddy, y también a una leyenda local, el Monstruo de Big Muddy (https://www.nytimes.com/1973/11/01/archives/yetilike-monster-gives-staid-town-in-illinois-a-fright-halloween.html).
En cuanto a funciones, la BMCB presenta un cambio importante respecto a la placa K500 anterior: la BMCB cuenta con microcontroladores duales. En nuestro instrumento Wave Maker, la placa de circuito impreso controla con precisión el movimiento del motor paso a paso, enviándole cientos de micropasos por segundo. También debe detectar la entrada del usuario en el codificador óptico para cambiar los parámetros e iniciar/detener el movimiento de las olas. El diseño anterior contaba con un solo microcontrolador, y el cambio de parámetros provocaba ligeras interrupciones durante el funcionamiento debido a que el microcontrolador solo podía realizar una acción a la vez. El nuevo diseño de microcontroladores duales nos permite realizar dos acciones a la vez y elimina todas las interrupciones en el Wave Maker. También nos proporciona mayor capacidad de expansión y versatilidad para cualquier producto nuevo que creemos que utilice esta placa.
Un factor a considerar al producir una sola placa de circuito impreso (PCB) para múltiples productos diferentes es el costo de los componentes que no se están utilizando, o pagar de más por componentes que se están subutilizando en algunos productos. ¿Por qué pagar por un microcontrolador adicional cuando la mayoría de los productos no lo usan? Es una decisión difícil de tomar al diseñar una placa de este tipo. Tener dos versiones de la misma PCB requeriría dos pedidos de PCB. Cualquier ahorro de costos por no incluir el 2nd los microcontroladores se anulan por la pérdida de un descuento por volumen.
Por otro lado, decidí no hacer que nuestro fabricante suelde por defecto todos los bloques de terminales de tornillo en la BMCB. Ciertos instrumentos utilizan diferentes terminales de tornillo en la placa. Estos se utilizan para realizar conexiones de cable a placa dentro del gabinete de componentes electrónicos. Podría haber incluido todos los terminales de tornillo que posiblemente se necesitarían para cualquier producto, pero el costo de hacerlo era excesivo. En su lugar, estos son los únicos componentes de orificio pasante en la placa y se sueldan a mano. Solo se instalan los necesarios y luego se aseguran utilizando un dispositivo personalizado para ayudar a sostenerlos y facilitar la soldadura a mano.
Otra técnica de reducción de costos es utilizar componentes estándar de los fabricantes de PCB siempre que sea posible. En nuestro caso, el fabricante tiene estos componentes a un precio más bajo y siempre los tiene en stock. Para nuestro controlador K28 y BMCB usamos componentes estándar como: resistencias de película gruesa, condensadores electrolíticos, diodos y LED. Como puede ver, nuestros nuevos PCB buscan mejorar la funcionalidad del producto, simplificar la producción, mejorar la calidad y la confiabilidad, y reducir los costos.