E-Book FeatherWing (далее просто FeatherWing) это самая простая версия электронной книги, созданная в рамках проекта. С функциональной точки зрения это плата расширения, которая стыкуется с платформой Adafruit Feather M4 Express, дающей устройству микроконтроллер и систему для зарядки аккумуляторов. Почти все компоненты поверхностного монтажа FeatherWing достаточно велики, их несложно припаять к плате вручную. Благодаря этому FeatherWing можно рассматривать как отличный проект для тех, кто хочет научиться выполнять поверхностный монтаж электронных компонентов с использованием пайки.
Электронная книга, созданная в рамках проекта Open Book
В этом руководстве речь пойдёт о том, как собрать собственную читалку FeatherWing, обладающую e-paper-экраном с диагональю 4,2 дюйма и семью кнопками, расположенными на передней панели. В результате получится устройство, отлично подходящее для чтения электронных книг. Но возможности платформы, использованной в данном проекте, этим не ограничиваются. В частности, платформа позволяет воспроизводить звук через выход для наушников. Она даёт возможность работать с информацией, поступающей с датчиков, подключённых к STEMMA-портам. А если присоединить к устройству Adafruit AirLift FeatherWing его можно будет даже подключить к интернету по беспроводной сети.
1. Подготовка к работе
Вам понадобится печатная плата E-Book FeatherWing. Заказать такую можно на Tinder. Ещё можно заказать изготовление платы у производителя печатных плат, вроде OSH Park, отправив ему файлы, необходимые для изготовления платы.
Кроме того понадобится заказать компоненты, размещаемые на плате. Почти все их можно найти на Digi-Key; можно воспользоваться формой быстрого заказа материалов на Kitspace (проект eBook-Wing). Дисплей придёт прямо от производителя Good Display.
Вам понадобится Arduino IDE вместе с пакетом поддержки Adafruit SAM Board, который нужен для работы с Feather M4 Express. Кроме того, нужны будут следующие Arduino-библиотеки:
- Adafruit GFX
- Adafruit BusIO
- Adafruit MCP23008
- Adafruit EPD
- Adafruit SPIFlash
- SDFat Adafruit Fork
- arduino-menusystem
- The Open Book
- Babel
Когда вы всё организуете, настроите программы и подберёте аппаратные компоненты, нужно будет подготовиться к работе. А именно, распечатайте список компонентов, в котором можно будет отмечать те, которые вы уже припаяли к плате. Кроме того, полезно держать под рукой распечатку со схемой задней стороны платы. Она пригодится в том случае, если вы не сможете прочесть спецификации компонентов, нанесённые на саму плату. Держите под рукой средство для удаления припоя и флюс. Вам они пригодятся в том случае, если придётся что-то перепаивать. Ещё перед началом работы вам будет полезно посмотреть моё видео по сборке FeatherWing, которое можно найти в репозитории проекта.
2. Пайка пассивных компонентов
Если вы никогда не занимались пайкой миниатюрных электронных компонентов и не уверены в своих силах, предлагаю вам ни о чём не беспокоиться! Это гораздо проще, чем кажется на первый взгляд. Начнём с резисторов и конденсаторов. Тут используются детали типоразмера 0805. Они, конечно, маленькие, но не настолько, чтобы их нельзя было паять вручную, без использования специальных увеличительных приборов.
Рисунок A
Найдите первую деталь, которую хотите припаять к плате. Пусть это будет R1. Сначала поместите каплю припоя на одну из двух контактных площадок (Рисунок A).
Рисунок B
Далее, с помощью пинцета, нужно поместить деталь около капли припоя. Теперь нагреваем припой и перемещаем деталь в нужном направлении, туда, где находится разогретый припой. После этого деталь будет зафиксирована там, где она должна быть (Рисунок B).
Рисунок C
И наконец припаяйте другую сторону детали к другой контактной площадке (Рисунок C).
Рисунок D
Вот и всё! Деталь R1 заняла своё место на плате (Рисунок D).
Сделайте то же самое со всеми резисторами и конденсаторами из списка деталей. Таким же образом припаяйте и катушку L1.
Рисунок E
Очень похожую стратегию можно использовать и при работе с диодами D1-D5. Только учтите то, что диоды нужно монтировать, учитывая направление их расположения на плате. На пластиковом корпусе диода имеется небольшая серая черта. Диод надо расположить так, чтобы эта черта была бы с той же стороны, где и линия символа диода, нарисованная на плате (Рисунок E).
Тут, кроме того, применяются два вида диодов. Два диода Зенера должны быть размещены в блоке Extra Ports, а три диода Шоттки в блоке E-Paper Display.
Рисунок F
Сейчас, когда мы занимаемся пассивными компонентами, мы можем припаять к плате и кнопки. Паяют их так же, как резисторы и конденсаторы: на одну контактную площадку помещают каплю припоя, припаивают к этой площадке один из контактов кнопки, а потом припаивают второй контакт ко второй площадке (Рисунок F).
Тот же подход можно использовать и при монтаже MOSFET Q1. Эта деталь, правда, имеет три контакта, поэтому будьте внимательны и сделайте так, чтобы все они были надёжно скреплены с контактными площадками на плате.
3. Пайка интегральных микросхем
Рисунок G
В проекте используется три интегральных микросхемы: чип флэш-памяти, SRAM-чип и расширитель GPIO-портов. Припаивая их к плате нужно, как и в случае с диодами, обращать внимание на их ориентацию. На пластиковом корпусе каждой из микросхем есть небольшая точка. Её расположение должно соответствовать точке, нарисованной на плате (Рисунок G).
Рисунок H
Стратегия пайки тут такая же, как и при работе с диодами. А именно сначала надо поместить каплю припоя на одну из угловых контактных площадок (Рисунок H).
Рисунок I
Затем, расплавив этот припой, нужно поместить микросхему на предназначенное для неё место (Рисунок I).
Прежде чем припаивать остальные выводы микросхемы к плате, стоит проверить выравнивание чипа. А именно, все его выходы должны располагаться точно на контактных площадках. Если это не так нужно снова расплавить припой на уже припаянном контакте и подвигать чип до тех пор, пока он не будет правильно выровнен. Затем нужно припаять к плате выход чипа, находящийся в его противоположном углу. Это позволит зафиксировать чип в правильном положении.
Рисунок J
Если на данном этапе работы видно, что чип размещён правильно, можно припаять к контактным площадкам остальные его выходы (Рисунок J).
Рисунок K
Рисунок L
Рисунок M
Рисунок N
Если оказалось, что припой соединил два соседних пина не паникуйте! Это называется перемычка (bridging). Данный дефект легко исправить. Если перемычка сформировалась из небольшого количества припоя можно попробовать всё исправить, воспользовавшись флюсом и нагрев выводы (Рисунки K, L, M, N). Флюс помогает припою пристать к металлическим выводам.
Рисунок O
Рисунок P
Если простыми методами от перемычки избавиться не удаётся можно прибегнуть к средству для удаления припоя. Припой надо нагреть и собрать с помощью этого средства (Рисунки O и P).
4. Пайка слота microSD-карты
Рисунок Q
Пайка этой детали может показаться сложной задачей, но, на самом деле, всё не так уж и страшно. Для начала, так же, как мы делали в прошлый раз, поместим каплю припоя на одну из монтажных площадок и, поддерживая припой в расплавленном состоянии, правильно разместим слот для microSD-карты на плате (Рисунок Q).
Рисунок R
В верхней части этого слота имеются большие удобные отверстия. Через них можно проконтролировать правильность выравнивания контактов (Рисунок R). Если они выровнены неправильно нужно разогреть припой на площадке, используемой для фиксации слота, и подвигать деталь до тех пор, пока контакты не совпадут с площадками. Затем нужно припаять всё то, что ещё не припаяно.
Рисунок S
Главная хитрость тут заключается в следующем: тонкую проволоку припоя прижимают к контакту, пропуская её через отверстие в верхней части слота, а жало паяльника подводят сбоку. Тут может пригодиться держатель для печатных плат. Плату можно просто поместить на краю стола, благодаря чему будет удобно работать паяльником.
Рисунок T
Проконтролировать правильность пайки контактов можно с помощью увеличительной лупы (Рисунок T).
5. Пайка коннекторов с использованием технологии поверхностного монтажа компонентов
К нашей плате нужно припаять семь коннекторов. Это разъём для наушников, три порта STEMMA, два порта Feather и 24-пиновый коннектор для подключения дисплея.
Легче всего припаять разъём для наушников. У него имеется две пластиковых направляющих, под которые на плате имеется пара отверстий. Разъём нужно установить туда, где он должен быть. После этого нужно просто припаять четыре его вывода к плате.
Пайка портов STEMMA похожа на пайку интегральных микросхем. А именно, можно поместить немного припоя в опорной точке, выровнять порт, ориентируясь на линии, нанесённые на плату, а после этого припаять остальные выводы. Обратите внимание на то, что 4-пиновый порт должен быть в середине, а 3-пиновые порты по обеим сторонам платы.
То же самое касается и Feather-портов. Сначала фиксируют один из углов порта, потом другой, потом проверяют правильность расположения детали, а уже после этого пропаивают остальные контакты. Полезно немного придавить порт сверху чтобы в итоге он был бы надёжно зафиксирован на плате.
Рисунок U
И, наконец, приступаем к пайке 24-пинового коннектора. Это, пожалуй, самое сложное во всей нашей работе. Но, если под рукой есть приспособление для удаления припоя и флюс, вы без труда справитесь с пайкой этого коннектора. Сначала, как обычно, поместим каплю припоя на одну из двух крупных монтажных площадок, неважно на какую именно. Потом нагреем припой и выровняем коннектор (Рисунок U).
Рисунок V
Далее, используя увеличительную лупу, нужно проверить правильность выравнивания всех 24-х пинов. Понять, правильно ли они выровнены, довольно просто. Если между всеми контактами видна синяя поверхность платы значит всё сделано как надо. Затем надо протянуть паяльник и припой по этим пинам и их припаять! Тут не помешает использовать немного флюса чтобы припой пристал туда, куда он должен пристать (Рисунок V).
Рисунок W
Рисунок X
Некоторые пины, что почти неизбежно, окажутся соединёнными перемычками припоя. Но это совершенно нормально. Для того чтобы от них избавиться, надо почистить жало паяльника, поместить в проблемное место немного флюса (Рисунок W) и убрать перемычку с контактов (Рисунок X). Если перемычка достаточно велика, то убрать её поможет средство для удаления припоя.
Возможно, с первой попытки вы этот коннектор и не припаяете, но когда через некоторое время окажется, что между контактами нет перемычек, и что все они надёжно припаяны к плате, это будет означать, что наше дело близко к завершению.
6. Тестирование платы
Для того чтобы себя обезопасить, воспользуемся мультиметров для проверки линий 3V и GND на короткое замыкание. Переключим мультиметр в режим Continuity и коснёмся щупами контактов 3V и GND на порте Feather. Если раздастся звуковой сигнал проверьте плату на предмет наличия на ней перемычек припоя, которые могут соединять линии 3V и GND. Если звука нет это значит, что мы готовы к подключению к плате Feather M4!
Рисунок Y
Осторожно извлеките хрупкий e-paper-дисплей из защитной упаковки. Подключите гибкий кабель дисплея, пропустив его через отверстие в плате, к соответствующему коннектору (Рисунок Y).
Переверните плату, постаравшись не повредить дисплей. Так вы сможете его видеть при работе с устройством. Подайте питание на Feather.
Загрузите скетч
Open_Book_Screen_Test из примеров Open
Book. Проверьте, чтобы была выбрана плата Feather M4, а после этого
запустите скетч! Вы должны увидеть включение дисплея и вывод на нём
логотипа проекта Open Book.7. Пайка оставшихся частей
Отключите питание от платы, отсоедините шлейф дисплея от 24-пинового коннектора и уберите куда-нибудь дисплей.
Тут имеется одна перемычка, которую надо замкнуть с помощью припоя. Это позволяет включить Flash-чип. Найдите BCS-перемычку, которая находится около верхней части длинного Feather-порта, и замкните её каплей припоя.
Теперь займёмся кнопками! Вставьте их в соответствующие сквозные отверстия платы, поместив их в её передней части, а после этого припаяйте их контакты на задней части платы.
Теперь поместите переключатель в задней части платы, вставив его в соответствующее отверстие, после чего припаяйте его к передней части платы.
Рисунок Z
Теперь, в последний раз, пропустите шлейф дисплея через отверстие в плате и подключите его к 24-пиновому коннектору. Закрепите дисплей на передней части платы с использованием двустороннего скотча. Примите поздравления: сборка устройства завершена (Рисунок Z)!
8. Запись образа Babel на флэш-чип
Один из флэш-чипов E-Book FeatherWing предназначен для хранения языковой и шрифтовой информации. Сейчас он пуст. Когда вы загрузили библиотеку Babel, вы загрузили и двухмегабайтный BLOB-файл, содержащий сведения о том, как выводить тексты на всех существующих языках. Мы собираемся скопировать этот файл на microSD-карту, а затем запустить скетч, который запишет образ на Flash-чип.
Рисунок Aa
Рисунок Bb
Найдите файл
babel.bin. Он находится в папке
babelconvert, которая имеется среди материалов
загруженной вами библиотеки Babel (Рисунок Aa). Скопируйте этот
файл на microSD-карту, а после этого извлеките её из кард-ридера.
Теперь подключите карту к FeatherWing. Запустите скетч
BurnBabelBurn из примеров Babel, откройте Serial
Monitor и следуйте инструкциям по записи данных на чип (Рисунок
Bb).Если система подтвердила правильность записи данных значит всё готово! Сейчас можно удалить файл
babel.bin с
microSD-карты. Данные теперь находятся на постоянном хранении в
соответствующем чипе.9. Чтение книг
Наконец-то мы добрались до этого момента! Тут применяется очень простая программа для чтения электронных книг. Это MVBook, используемая для чтения текстовых файлов, преобразованных в формат MVBook (в будущем, хочется надеяться, устройство будет поддерживать простые .txt-файлы).
В папке MVBook есть файл
books.zip, в котором имеется
небольшой набор общедоступных книг. Скопируйте содержимое этого
файла на microSD-карту и подключите карту к FeatherWing.
Рисунок Cc
Перейдите по пути
File > Examples > Open Book и
запустите скетч Open_Book_MVBook. На экране должен
появиться список названий книг и авторов. В левой части должен быть
виден индикатор выбора книги (Рисунок Cc). Используйте кнопки со
стрелками вверх и вниз для выбора книги, подтвердите выбор
центральной кнопкой. В режиме чтения (Рисунок Dd ниже) используйте
кнопки, находящиеся в левом и правом нижних углах платы для
листания страниц. Для возврата в главное меню воспользуйтесь
центральной кнопкой.
Рисунок Dd
Расширение возможностей E-Book FeatherWing
Система E-Book FeatherWing позволяет читать электронные книги, но лишь этим её возможности не ограничиваются.
- Экран поддерживает вывод изображений в оттенках серого, что позволяет выводить на нём фотографии. Микроконтроллер SAMD51, установленный в Feather M4, обладает достаточной мощностью для быстрого декодирования JPEG-изображений.
- E-Book FeatherWing может стыковаться с несколькими другими платами FeatherWing. Это значит, что устройство для чтения электронных книг можно оснастить Wi-Fi-модулем (AirLift), часами (DS3231), или даже GPS (Adafruit Ultimate GPS).
- Порты STEMMA, расположенные на боковой части платы, открывают массу возможностей по подключению к E-Book FeatherWing самых разных устройств от датчиков, до колонок и компонентов NeoPixel.
- Для того чтобы сделать электронную книгу мобильной, её можно оснастить аккумулятором Adafruit #3898 на 400 мАч.
Что дальше?
В рамках проекта Open Book созданы два устройства. Мы только что говорили о сборке одного из них, того, что попроще. Если вы полагаете, что вам нужно нечто большее тогда, возможно, вам стоит взглянуть на более сложное устройство Open Book Feather. Среди его особенностей можно отметить размещение микроконтроллера SAMD51 на основной плате, наличие стереовыхода звукового сигнала и микрофонного входа, большее количество контактов для подключения дополнительных совместимых плат.
Обе платы поддерживают CircuitPython замечательное ответвление MicroPython, созданное Adafruit, отлично подходящее для обучения и для экспериментов.
Дополнительные подробности о проекте, в том числе сведения о том, как сделать корпус для электронной книги, вы можете найти в этом репозитории.
Планируете собрать E-Book FeatherWing?
