基于nRF52840的章鱼形状柔性PCB项目

[导读]乍一看，你可能会以为我们造了一个复杂的纸笔筒，但实际上它可能连这么重都不够。这是我们和朋友们第一次尝试设计MCU电路板，当然我们不得不过度设计，让它变得尽可能复杂。但做简单的事，又有什么乐趣呢?

这个晃动的装置是什么?

乍一看，你可能会以为我们造了一个复杂的纸笔筒，但实际上它可能连这么重都不够。这是我们和朋友们第一次尝试设计MCU 电路板，当然我们不得不过度设计，让它变得尽可能复杂。但做简单的事，又有什么乐趣呢?

这个装置并非为了某个特定用途而设计，而是用来教我们PCB设计和项目实践的。它最终变成了一款炫酷的桌面玩具，只要轻微晃动就会摇晃，同时还能通过让人困惑的方式吸引周围人的注意。

故事

故事始于我躺在沙发上望着天花板时，萌生了制作一个可弯曲的PCB并使其具有三维立体感的想法。这个形状很简单，因为我当时在一家名为Qalmari的公司工作，他们的吉祥物是一只章鱼，正好适合这个项目(也正合适让公司为这个昂贵的项目买单 :D)。

第一步是制作一张纸剪影，并通知我的朋友是否愿意参与这个项目。我拿了一些便宜的威士忌，准备了威士忌酸酒的材料(第一次做)，然后开始设计这个项目。

我们原本想加蓝牙功能，但用nRF芯片做的学校项目出了大问题，我们开始讨厌它和Zephyr。不过，最终还是决定再试一次，选择使用nRF52840作为MCU。

我喜欢做各种奇怪又没用的项目，这个项目让我特别自豪。它教会了我们很多东西，为我们制作了出色的项目作品集/简历，还让我们在办公桌上有了一个实际的设备作为提醒。

原型1

第一个原型是在学习制作威士忌酸时设计的，结果并不理想(谁能想到呢)。由于我们没有设定任何设计规则，且公差过小，导致出现了大量DRC错误，其中就有一个关键问题：3V3直接连接到GND，意外形成了一条走线。

收到原型机时，我们并不知道这一点，也没有工具可以找到它，于是我们只是通入了一些电流，发现其中一条腿的整个轨道都变黑了。但这个原型机证明了机械概念是成立的。

原型2

在第二个版本中，我们把颜色从黄色改为黑色/蓝色，以与公司配色形成对比，整体看起来比第一个原型好得多。这一次，我们追踪并解决了所有DRC错误，使设备成功运行。这也是我们测试最小蓝牙天线的版本，而且它确实有效(别问效率如何了!)

但这个过程并非没有问题。结果发现，将调试引脚固定在柔性PCB上最终导致这些引脚损坏，我们失去了对许多设备进行调试的权限。此外，我们还进行了大量应力测试，通过将设备压扁来检查其承受能力，结果是：它能承受……一段时间。经过一段时间的应力测试后，我们发现MCU的一些引脚从PCB上脱落，若不按压芯片，设备便无法正常工作。

原型3

在拆解完所有第二阶段的原型后，我们决定将最终批次制作成“已准备就绪”的设备。我们固定了调试引脚，并在MCU另一侧加装了加强筋以保护引脚。此外，我们还发现振动电机无法按预期工作，因此未将其装配到最终设备上。

硬件

如果你足够疯狂，想要自己制作一个昂贵且无用的设备，那么硬件文件(包括Gerber图和电路图)可免费在我的git上获取。这个设计是使用EasyEDA完成的，目的是方便我们不必自行构建组件库，但这也使得发布CAD项目变得困难……

* CPU：nRF52840-QIAA 微控制器(位于柔性PCB上)。

* 传感器：ICM-20602 IMU 和 XYC-ALS21C-K1 I2C 环境光传感器，蓝牙 PCB 天线。

* 有趣的小配件：2个WS2812B RGB LED灯(眼睛)、8个蓝色指示LED、蜂鸣器/振动电机支架、2个用户按钮。

电源：TP4054电池充电器，两个独立的LDO(3V3和3.6V)。

结构：两个定制柔性PCB(头部和腿部)连接在主FR4基板上。

组装：尽管PCB由JLCPCB制造和组装，但由于JLC目前尚未提供八爪鱼式组装(?)，因此仍需人工进行焊接。我们最初设计时，将磁铁安装在PCB和支架上，但纸质版本中这种设计无法实现，因为支架总是相互缠绕。在第二和第三个原型中，我们决定采用带针孔的焊盘来实现对准和组装，这一方案在大部分情况下效果良好。不过，部分组装好的器件仍然略显歪斜，即使轻微的错位也会在直立时被放大明显。

底座：我们设计了一个3D打印的支架，可固定在底座上，留有空间放置小型电池，虽然功能简单，但使用效果良好，最终组装后外观也很好看。

一个统管万物的框架——ZephyrRTOS

如前所述，我们在一个学校项目中接触到了nRF和Zephyr，当时只需熟悉并用`nrf52840-dk`完成一个小项目。Zephyr的开发进展非常快，导致我们不得不寻找正确的文档，因为所有找到的内容都已被弃用。此外，Zephyr还使用devicetree和kconfig来配置硬件，而这些对我们来说都是新知识，因此在这一方面也遇到了困难。

自从第二个原型以来，zephyr版本几乎翻了一番，这说明了开发的活跃程度，也反映出我们进展得有多慢。

如今，我尽量在所有项目中都使用 Zephyr。它无需为每个微控制器(MCU)学习新的框架，这使得 Zephyr 成为测试和开发的强大工具。此外，Zephyr 对各种硬件都有广泛的支持(甚至可以在 Cortex-A 核心上运行)，只需在设备树中配置硬件，并在内核中使用驱动程序即可轻松实现。Zephyr 还支持“开箱即用”的 MCUboot，只需通过少量的 kconfig 配置即可完成启动加载。

现在，Zephyr 并不完美，仍然存在不断变更事物的问题，这给开发者带来了困难。但为了整体利益，让 Zephyr 变得更好并快速改进，这是更好的选择。

结论

这是我最喜欢的项目之一。尽管它是个无用却酷炫的科技小玩意，但我还是抽空找到了它的用途。过去几个月里，我一直在努力开发(在透支精力后)可能唯一能派上用场的应用程序。这是一款类似“番茄钟”的应用，会先加载X分钟，然后通过LED灯亮起，并闪烁Y秒的“眼睛”指示灯，提示你该停下来休息了，因为长时间盯着屏幕。这个应用在我的放松项目仓库中可以找到。