Tecniche di raccomandazione automatica per la sottomissione di articoli scien...
Workshop: Arduino for makers - Cenni di progettazione elettronica ed utilizzo di software eCAD
1. Workshop: Arduino for Makers
DAY #1 – SESSION #3
PROGETTAZIONE ELETTRONICA ED
UTILIZZO DI SOFTWARE ECAD
2. 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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3. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 3
4. 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.
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7. 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.
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Muhammad Rashid. Fondamenti di elettronica. Apogeo Editore, 2002
8. 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.
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9. Prototipi e Falsi Positivi
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10. Prototipi e Falsi Negativi
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11. 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.
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12. E’ necessario un PREtotipo
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13. Pretotype
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14. Metodo KISS
Keep It Simple, Stupid!
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15. Iterazioni nel flusso progettuale
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16. Quando fermarsi?
Your prototype doesn’t
have to be perfect!
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17. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 17
18. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 18
20. Flusso di lavoro per la realizzazione del
pretotipo
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Studio teorico
• Simulazione
tramite
LTSpice
Test su
breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione
tramite
KiCAD
21. Flusso di lavoro per la realizzazione del
pretotipo
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 21
Studio teorico
• Simulazione
tramite
LTSpice
Test su
breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione
tramite
KiCAD
22. Resistori
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23. Resistori: codice colori
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29. Electret microphone: data sheet
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30. Lo studio teorico l’abbiamo già fatto!
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31. TOI Shield - Microphone
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32. TOI Shield - Microphone
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Amplificatore 200xBuffer Electrec MicDecoupling Capacitors
Vout/Vin = (R7+R5)/R7 = 1 + R5/R7 = 1 + 100k/470
33. TOI Shield - Layout
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34. TOI Shield - Layout
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35. Simulazione di un circuito elettronico
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SPICE = Simulation Program with
Integrated Circuit Emphasis
36. 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
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37. 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
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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.
38. Identificatori componenti in SPICE.
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Identificatori componenti in SPICE.
Notazione
39. Descrizione elementi attivi
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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
41. 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.
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42. 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)
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43. Linear Technology - Design Support
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http://www.linear.com/
44. LTSpice - Download
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45. 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
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46. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 46
47. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 47
48. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 48
49. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 49
50. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 50
51. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 51
52. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 52
53. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 53
54. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 54
55. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 55
56. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 56
57. 21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 57
58. Summary of Schematic Editor Toolbar
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59. TOI Shield Microphone - Schematic
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60. TOI Shield Microphone - Transient
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61. Flusso di lavoro per la realizzazione del
pretotipo
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Studio teorico
• Simulazione
tramite
LTSpice
Test su
breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione
tramite
KiCAD
62. Tutorial Fritzing
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http://www.openmakersitaly.org/disegnamo-i-circuiti-fritzing/
63. Dall’idea al prototipo
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64. Breadboard ?!?
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 64
65. 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).
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66. 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.
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 66
67. Breadboards... wonderful and tragic
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74. Realizziamo i collegamenti
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75. Esportiamo il circuito (BOM)
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76. MODALITÀ SCHEMA (STOP!)
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77. Flusso di lavoro per la realizzazione del
pretotipo
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Studio teorico
• Simulazione
tramite
LTSpice
Test su
breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione
tramite
KiCAD
78. Printed Circuit Board (PCB)
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Scheda, di solito rigida, sul quale vengono montati i componenti elettronici e
collegati attraverso piste di materiale conduttivo
79. Legge di Moore per i PCB
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 79
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
80. 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.
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81. 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.
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http://www.carminenoviello.com/2013/08/02/con-quale-cad-elettronico-incominciare
82. 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.
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83. 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
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84. 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.
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https://olimex.wordpress.com/2013/12/09/why-is-important-open-source-hardware-community-to-use-
open-source-cad-tools/
85. 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
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86. KiCAD - Introduzione
Homepage: http://kicad-pcb.org/
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87. KiCAD – Schematic Capture
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88. KiCAD – PCB Layout
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 88
89. KiCAD – 3D viewer
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90. KiCAD – Download
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91. Struttura KiCAD
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 91
92. 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.
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93. KiCAD workflow
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94. Librerie
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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
95. Eeschema: creazione nuovo progetto
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96. Eeschema: creazione nuova cartella
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113. CvPCB: Associazione Moduli
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 113
114. Through-Hole vs Sourface Mounting
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115. Caso particolare: BESOS NEED
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http://www.besos.cc/adattatori-smt-per-prototipazione-rapida/
117. CvPCB: Associazione Modulo LM358
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118. PCBnew: (rigenerazione e )
importazione netlist
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119. PCBnew: disposizione componenti (default)
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120. PCBnew: disposizione ordinata componenti
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121. PCBnew: disposizione ordinata componenti
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122. PCBnew: placing componenti
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123. 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.
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124. PCBnew: contorno scheda
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125. PCBnew: setting layers
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134. Abbiamo finito?
ERC è OK, DRC è OK.
Tutto OK?
NO!
Trovate l’errore!
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135. Test
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https://www.youtube.com/watch?v=xP04tg_6rsU