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8 May 2017, 15:21

电子设计问世(千真万确)

我们喜欢从我们的社区成员那里听到更多消息,我们最近见到 James Nadir,是他联系我们帮助他正在设计用于国际空间站的印刷电路板,这太令人激动了!我们想了解更多 James 的研究,所以 James 用自己的话来告诉我们一些关于各种项目和设计的信息,他在维利基督高中的任导师时,他的学生和同事共同参与其中。

James Nadir(左二 VCHS 同事

大家好,我是 James Nadir,是维利基督高中 (VCHS) 的导师,我们帮助美国和世界各地的学生在 9 个月内以低成本在国际空间站 (ISS) 上进行实验。一旦他们的实验在 ISS 上激活,飞行中的数据和照片将每两周返回给学生一次。VCHS 向我们的合作学校提供整个生态系统(硬件、软件、物流、模块交付/检索和培训),并向所有学校或大学开放。此生态系统使学生能够像 Raspberry Pi 或 Arduino 项目一样开发他们的实验,而不必成为通信协议、NASA 系统运营专家或飞行专家(即不必成为“火箭科学家”)。而重点是 ISS 上的自主实验的科学与工程,知识和培训对学生在未来职业生涯中追求的任何科学和工程学科都大有裨益。有关更多信息,可以参阅最近在《自然杂志》(NPJ Microgravity) 中发表的一篇文章“Low-Cost Hitchhikers guide to the ISS(在国际空间站低成本试验指南)”,其中描述了空间程序中使用的附属关系和方法。

在 VCHS 做志愿服务之前,我以前在英特尔公司做 x86,担任 Pentium 和 Itanium 产品系列的主要工程师。我还开发了第一个综合库(用于将逻辑描述转化为物理设计),开发后处理软件,以改进综合(自动放置和路由)实施性能,并带领电路设计团队开发一级和二级缓存。

复杂设计的解决方案

我们的程序以最简单的软件开始,使所有学生都可以开发软件、了解电子学并制作与板载处理器接口的有效载荷印刷电路板。这一开始很好,但随着二年级或三年级学生的实验变得越来越复杂,因为学生由大学教授和其他想要进行微重力实验,但自己无法轻易完成的科学家们引导和指导。我们需要转移使用下一代工具来支持比我们原来预期更复杂的实验。在选择 DesignSpark 之前,我们先看了 Sunstone、Eagle、CircuitMaker。

DesignSpark 非常直观,它有一个低学习曲线以开始有用的工作,并具有高端功能,如自动放置和路由。DesignSpark 是理想的工具,因为它能够通过导出 3D 图像在电路和机械工程之间建立连接。这令人非常激动,因为电路设计和机械设计不再脱离“墙上问题”的相互作用。电气工程学生导出 3D 图像,然后导入 3D CAD 工具(例如 DesignSpark Mechanical 或 AutoDesk Inventor)进行干扰分析。开发定制组件(甚至非电气部件,如流体袋或观察室)并将其作为印刷电路板的 3D 图像的一部分,花费的成本非常低,但对于机械干扰分析非常有价值。 

此外,许多学生想发展在行业中受到重视的技能。例如学习 BASIC(尽管它仍在使用)并不像学习诸如 Java、C#、C++ 或 Python 等“流行一时”的语言那样令人兴奋。与印刷电路板工具相同,DesignSpark 非常具有吸引力,但没有陡峭的学习曲线。

现代接口

我们现在正在开发第 3 代生态系统,其中 DesignSpark PCB 和 DesignSpark Mechanical 正在整合。当然,我们遇到了阻碍,因为我们尝试用开发人员原本预想之外的工具来进行开发。但是,迄今为止,我们已经找到了所有问题的解决方法,并得到 DesignSpark 帮助台的大力支持。我们首次尝试使用 DesignSpark PCB 出奇地容易,并且产生了我们当今在 OSH Park 制造的可用设计。该设计使用手动放置组件(左下图),自动路由,然后手动修改(右)。 

这是一个及其艰难的测试,由于板内具有中心孔障碍。自动路由成功地围绕这个障碍物导航,没有特殊的“阻碍”属性。我们本可以停留在自动路由版本,但是想看看手动编辑有多容易(很容易,花了大约 1 个小时)。

 

然后,我们制作了板的 3D 模型,将其引入 AutoDesk Inventor 进行干扰分析。这比我们预想的要容易得多。DesignSpark PCB 使用丝印层上的轮廓来确定部件尺寸,可以在组件的属性“高度”属性中轻松定义其高度。这是我们用来检查机械干扰的 3D 图像。

我们现在正在评估 DesignSpark Mechanical 是否可替代 3D CAD 工具,用于尚未学习“工程原理”课程(采用 Inventor CAD)但需要为其 ISS 实验生产 3D 打印部件的学生。

DesignSpark PCB 和 DesignSpark Mechanical 都使用与触摸屏显示兼容的现代界面。界面的直观性使其对学生和导师非常具有吸引力。

传输数据

以下是未完成的实验模块的图像,显示完成后的 PCB 设计。该 PCB 用于控制两个蠕动泵,并为相机(该相机通过 PCB 中间的孔达到峰值)提供摄影照明。泵组件后面是微处理器板,包含数字和模拟 IO、照片缓冲 RAM、相机支架、传感器和监控器从属处理器。后面是开发系统,具有主处理器和监控器。主处理器与飞行系统中使用的板相同,包含在飞行到地面期间检索和传送学生数据所需的所有功能。泵组件前面是快速原型板,学生可用来快速发现飞行软件和硬件问题。它可载有通孔组件,并用于直接驱动外部实验电路板。

完成后的 PCB 在后面具有蠕动泵

便宜 50%!

我们最初“免费”PCB 工具是 PCB 厂的前端。使用 DesignSpark PCB,我们现在已经脱离了晶圆厂,并且能够显著降低成本(超过 50%)。轻松使用和快速学习可额外节省成本,我们没有进行量化,但我们知道这是千真万确的。

总体而言,我对软件的低学习曲线和直观界面印象深刻。导出 3D 图像功能创造了电气和机械设计之间的连接,这在以前提及(主要是由于定制组件开销较大而未实施),现在很容易实现。从 3D CAD 工具(XDF 格式)导入复杂电路板形状的能力对于我们需要复杂的 PCB 形状来适应实验包装的小外壳来说也是一大福祉。

功能要求

  1. 我们使用 SDF 作为丝印层来塑造复杂的板形状,然后使用 PCB 轮廓工具来匹配其形状。之后,我们将设计导入一个可以通过转换成 PCB 向导进行访问的模板。如果我们可以将 XDF 直接导入到板层,那将会更加方便。
  2. 另一个极佳功能是能够为我们的学生预定义“PCB 模板”,具有预安装的连接器和其他所有有效载荷 PCB 板所需的机械部件。如果这些模板预路由或者以“取消所有网格布线”的方式定义不撤销模板路由,也是可取的。
  3. 生成 Gerber 文件对于学生来说是件苦差事且容易出错。我们过去使用 Robot Room 的“铜线连接”来自动生成 Gerbers 和钻文件,无需手动重命名或特殊的钻配置步骤。不幸的是,铜线连接由 ExpressPCB 买进(以改进其布局工具和模板生成)。对我来说幸运的是,我已经购买了可执行文件,所以我仍然可以生成低成本模板,但对于其他人来说,它已经从市场上消失。如果 DesignSpark 可以为不同供应商(如 OSH Park)生成 Gerber 文件,那将是极好的。
  4. 我们在生成内部电力层的工具方面存在一些问题,但这可能是操作错误。如果是一个漏洞,我建议对它进行高优先级修复。

VCHS 国际空间站计划

VCHS ISS 计划计划是所有学生(任何宗教信仰)的延伸计划。它已经成功地将“处于危险”中的学生从帮派中脱离出来,远离毒品,引导他们走向对工程和科学有益的道路上。其中一个最重要的好处是:学生将在一个团队中学习,在这个团队中,人人平等(也就是说,领导者只是一个有着不同任务的人,负责安排和协调活动,如果一个学生出现问题,那么整个项目将会失败)。这与课堂环境有所不同,课堂上学生们在教师的指导下互相竞争,做着同样的事情。在 ISS 课程中,学生学习到没有正确答案,要善于创新,随机应变,随时准备进入行业环境。我衷心地鼓励所有学校和学院能够参与这个学生延伸计划,可联系 VCHS 了解详情。

我们 DesignSpark 衷心感谢 James 花时间告诉我们他和他的学生参与的项目,这注定是国际空间站,非常感谢 James!从我们的角度来看,这是 DesignSpark,我们说话时,DesignSpark DNA 正在绕着地球运转,了解这个事实真的非常好!

访问 VCHS 网站

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