AVR-NET-IO-Shield

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Seit einiger Zeit bietet Pollin mit dem AVR-NET-IO ein schönes Einsteigerboard für Netzwerkanwendungen an. Da es fast vollständig kompatibel zu Ulrich Radigs Experimentier-Board ist, lädt es zum Basteln und erweitern ein.

Da das Board aufgrund des Preises und des einfachen Aufbaus recht beliebt ist, bietet Pollin mittlerweile auch ein Erweiterungsboard an. Leider hat das Original-Board und das Erweiterungsboard ein paar Schwachstellen:

  • Ineffiziente Stromversorgung (7805 und LM317)
  • Keine Absicherung gegen Kurzschlüsse/Überlast
  • Höherer Platzbedarf durch Erweiterungen (Grundfläche)
  • Lange Verbindungen zum Erweiterungsboard
  • Kein Platz für eigene Ideen

Vor allem der erste und letzte Punkt haben mich etwas gestört.

Das Sandwich

Das Shields

Inspiriert von den vielen Erweiterungen (Shields) des Arduino habe ich mich entschieden, eine Erweiterungsplatine im Sandwich-Stil zu entwerfen. Dieses soll direkt auf das Board des NET-IO gesteckt werden können und möglichst alle verfügbaren Pins für eigene Anwendungen zur Verfügung stellen.

Die größte Schwierigkeit war, die korrekten Positionen der Bauteile zu finden. Dummerweise habe ich nach dem Bestellen des Bausatzes nicht daran gedacht, die Platine zu scannen. Mit Hilfe der Bauanleitung (die das Board leider nur verzerrt enthält), war es jedoch möglich, die Positionen halbwegs genau herauszufinden.

Der optische Vergleich beider Boards und Aufdrücken der Platine auf einen Ausdruck war vielversprechend, absolute Klarheit kann aber nur eine produzierte Leiterkarte bringen.

Verbindung

Weitaus problematischer als das Layout zu zeichnen war das Finden passender Verbinder zwischen den Boards.

Mein erster Gedanke war, beim DSub-25 einen stehenden Printstecker auf dem NET-IO und eine stehende Buchse auf dem Shield zu verbauen. Dadurch entsteht zwischen den Platinen allerdings ein Abstand von 20mm. Dazu kommt noch die mechanische Belastung beim Auseinanderziehen. Freiwillig macht man das nicht oft. Irgendwann kam ich auf die eigentlich naheliegende Idee, einen "normalen" Print-Steckverbinder zu nehmen und zum Verbinden der Boards zwei Buchsen für Flachbandkabel zu verwenden. Dadurch wird das Ganze zwar etwas länger, die mechanische Belastung beim Stecken wird aber minimiert.

Als nächstes kommen die zwei Stiftleisten EXT und ISP. Normale Buchsenleisten sind zu kurz, um die Platinen zu verbinden. Meine Lösung war, kurze Kontaktbuchsen (SPL 64 bei Reichelt) auf die Buchsenleisten (8,5mm, BL 2x36G 2,54 bei Reichelt) zu stecken. Zusammen mit 15mm langen Abstandsbolzen zwischen den Platinen stehen die Stiftleisten noch einen knappen Millimeter beim Shield hinaus. Perfekt!

Da es bei den übrigen Kontakten (unterhalb des AVR, UART und Stromversorgung) keine Stiftleisten "vorinstalliert" sind, bietet sich ein wenig Bastelei an. Wer großzügig die Preisangabe im Katalog abdeckt, kann bei Reichelt AW 226/20 und AW 122/20 bestellen. Alle anderen sollten lange Buchsenleisten möglichst mit gedrehten Kontakten (hat Reichelt nicht!) und Kontaktbuchsen (SPL 64 von Reichelt) haben:

Zuerst muss man die Kontakte vom Plastik befreien. Wer nichts zum Auflösen des Kunststoffs zu Hause hat: Einfach an den Anrissen auseinanderzwicken, dadurch können die Kontakte besser herausgepult werden. Anschließend zwei kurze und einen langen Kontakt aufeinanderstecken, optional verlöten und in Schrumpfschlauch verpacken, fertig sind die Verbinder:

In die andere Platine muss dann nur noch ein Pin aus einer Stiftleiste. Am einfachsten geht es, wenn man alles zusammensteckt, zwischen die Platinen klemmt und mit wenig Zinn verlötet. Wenig Lötzinn deshalb, da sonst die Buchse gleich mit verlötet wird.

Wer die beiden Platinen nicht mehr voneinander lösen will, kann auch einfach Drähte einsetzen. In diesem Fall ist es jedoch sehr empfehlenswert, einen zuverlässigen Bootloader zu verwenden oder die ISP-Pins freizuhalten bzw. zur Programmierung verwendbar zu schalten.

Stromversorgung

Mit dem Sandwich-Board war das Problem der Stromversorgung allerdings noch nicht erledigt. Die Wahl fiel auf die einfach (und für 5 sowie 3,3V gleichermaßen) erhältlichen LM2574. Dieser braucht zwar aufgrund seiner vergleichsweise niedrigen Schaltfrequenz relativ große Induktivitäten, ist dafür aber ziemlich handzahm.

Bei einer Versorgungsspannung von 12-16V sind bei beiden Wandlern lt. Datenblatt Induktivitäten mit 330µH gut geeignet. Um bei den Schaltreglern etwas an Bauhöhe zu sparen, kommen SMD-Spulen zum Einsatz. Aufgrund der großen Flächen ist ein Lötkolben mit >=80W und großer Lötspitze mehr als ratsam!

Folgende Bauteile können auf dem NET-IO durch den Umbau weggelassen werden: D1, D2, D3, D4, D5, C1, C2, C3, C5, IC1, IC2, R1, R2

Zur Absicherung dient eine sich selbst rückstellende Polyfuse. Diese muss an die Eingangsspannung angepasst werden, da aufgrund der Schaltregler bei höheren Spannungen ein geringerer Strom fließt. Bei meinen groben Messungen kam die Schaltung auf etwa 1,6W. Bei einer Eingangsspannung von 12V (Spannungsabfall von ca. 1,4V am Gleichrichter beachten!) kann man daher mit einem Strombedarf von 150mA rechnen. Die Polyfuse kann man daher (ungeachtet der Verbraucher auf dem Shield) auf etwa 200mA dimensionieren.

Kollisionen

Beim Planen des eigenen Shields sollte man beim Platzieren von Bauteilen auf dem Bottom-Layer sehr vorsichtig sein, da es sehr schnell zu Kollisionen kommen kann. Insbesondere bei Kondensatoren und Buchsen muss man einen gewissen Abstand einplanen.

Über der Netzwerkbuchse sollte man zudem keine bedrahteten Bauteile einsetzen, da die Chance von Kurzschlüssen hier mehr als hoch ist. Auch der Einsatz von SMD-Bauteilen auf der Unterseite des Shields bei der Netzwerkbuchse sollte vermieden werden.

Passgenauigkeit

Nachdem ich nun einen Scan der Platine habe, konnte ich die Passgenauigkeit prüfen.

Lange Rede kurzer Sinn: die roten Punkte sind die Bohrungen im Shield:

Die Bohrungen sind also größtenteils erstaunlich genau. Lediglich beim Stromanschluss (Bohrungen für den Schraubendreher) und der SubD-25-Buchse hab ich mich ein wenig vertan. Korrektur folgt, sobald ich etwas Luft hab'.

Download

Datei:Netioshield.zip