KiCadで本気出してCAmiDionの基板設計してみた

実は3月半ばくらいから CAmiDion 2号機を分解して作り直しかけていたりします。現在は5号機メインで使っていて、一週間後に行われるニコニコ超会議3には5号機+ポケミクを持っていろいろ遊べたらなーって思ってます。

2号機のほうですが、ケースの上ぶたは可変抵抗とスピーカの分だけ穴を開けたところまで完了しています。さて、今度はユニバーサル基板の切り出し→穴あけへ。ここで基板に3.2mm穴をあけようとしたら…

ドリル径を間違えて4mmぐらいの大きめの穴をあけてしまうという事態に。このまま使おうと思ったが、また間違えるとあれだし、やっぱりKiCadで設計してみようかな。なんか Fusion PCB っていう安いプリント基板製造サービスがあるって聞いたので…

というわけでこの前よりも本気出してみたw

以前の回路図は*.sch同士を往来できる形にしていましたが、これだと1枚の基板だと思って自動配線しようとしてしまうので、まずはプロジェクトを分離することにしました。
本体に内蔵する2枚の基板として、メイン基板、コードボタン基板(ユーザーインターフェース基板)だけを別のフォルダへ。プロジェクトファイル*.proと同じ名前で拡張子の違うものとか、独自に修正したモジュール(*.cache、*.modなど)を中心に残し、明らかに使ってない過去のファイルは削除候補としてごみ箱に捨てるなど、思い切って整理し、フットプリント割付から基板設計に再挑戦。

まずはコードボタン基板から着手。
手配線で細かいビニール線を何本も使っていたのをプリント基板化するとなるとかなり混雑し、自動配線が難航。こういう条件はやはりちょっと厳しかった:

  • ボタンとチップLEDの配置はCAmiDionユーザーインターフェースの最低限の仕様としておおむね固定
  • ボタンもLEDもマトリクス接続しまくりの複雑な配線(根本的な要因はおそらくこれ)
  • 5号機の反省を生かしてスペーサーのネジ穴は中央付近にもしっかり確保したい
  • 5号機で改良したように I2C 8桁x2行 超小型LCDも一緒に搭載したい
  • さらにLCDの裏は密着しても問題ないように keepout area にしておきたい
  • スピーカーとボリュームが来るところも切り取れるよう keepout area としておきたい

その一方、次のような裏方となる部品は配置がもうちょっと自由になります:

  • デコーダIC 74HC138
  • ボタン1個につき1本つける逆流防止用ダイオード
  • LCDに必須のチップコンデンサ
  • I2Cプルアップ抵抗

この条件でKiCadのPcbnewの中で部品を配置し、いざ自動配線…ところがこれがなかなかうまくいかない。制約が厳しすぎて配線を通す場所がなくなり fail する配線が出てきてしまう。

色々試行錯誤の末、こんな工夫でなんとか解決。

  • グリッドのこまめな切り替え。普段は1.27mm(50mil)ピッチにしておくが、チップLEDがあるのでこのピッチでは自動配線しても確実にfailが発生する。かといって細かすぎると自動配線に時間がかかる。結局、自動配線時に最適なのは0.254mm(10mil)だということが判明した。
  • 配線の混雑しそうなところは部品穴の密度を低めに。
  • タクトスイッチのこっちの端子のほうが距離が近いとわかったら、回路図上で使う端子を変更してでも、近い側にラッツネストがつながるようネットリストを作り直す。
  • I2Cのプルアップ抵抗は自動配線の邪魔なのでメイン基板へ。この邪魔な抵抗があるために、行き場を失った自動配線がLCD直下の keepout area を守れないという現象を引き起こしていた。
  • ダイオードの配置、LEDやICの位置の微調整は、込み合う部分のラッツネストがなるべく一直線の近距離になるようにすると遠回り配線が減ってfailしにくくなる。

結果としてコードボタン基板はこんな形になりました。

CAmiDionコードボタン基板

CAmiDionコードボタン基板


CAmiDionコードボタン基板 表面3D表示

CAmiDionコードボタン基板 表面3D表示


CAmiDionコードボタン基板 裏面3D表示

CAmiDionコードボタン基板 裏面3D表示


一応ノイズ軽減を図ろうと裏面に塗りつぶしゾーン入れてみましたが、裏面につける部品が多いのでショートの恐れは?塗りつぶさないほうがいいのかな…?
ピンヘッダがはみ出ていますが、これは単に3Dイメージが12×2のまま修正できていないためです。10×2がモジュールライブラリになかったので12×2のフットプリントを修正して使っています。

う~ん、それにしても、こうして3Dで見てみるとなかなかいい感じですね!

この調子で、メイン基板のほうも設計してみました。

CAmiDionメイン基板

CAmiDionメイン基板


CAmiDionメイン基板 表面3D表示

CAmiDionメイン基板 表面3D表示


12×2ピンヘッダになっているところは実際は10×2ピンソケットです。これも先ほど同様3Dイメージを修正できていないためです。
CAmiDionメイン基板 裏面3D表示

CAmiDionメイン基板 裏面3D表示

とりあえず、今のところはこれで問題なさそうかなぁ…と思いつつもうちょっと様子を見ることにして、

さてこの大きさの基板を seeedstudio の Fusion PCB に注文したらどれくらいのコストになりそうか? 実はトップページにプルダウンメニューがあって、基板の基本スペックを選ぶと+$xxみたいに追加料金が書いてあるので、5枚(最低枚数)/2層/1.0mm厚として調べてみたら、

  • UI基板 10cm Max x 20cm Max = +$50
  • メイン基板 5cm Max x 10cm Max +$9

この2つ注文したとして基本がそれぞれ$9.9ってことだと、合計$80近くかかる計算です。なんか10cm超えると5cmごとに$15近く上がっていく感じですね…。10cmぐらいまでだとかなり安いからと個人で利用している人も多くいるようですが…。

まぁこれでも(国際宅配便業者にもよりますが)送料込みで1万円でおつりがくるかどうかぐらいの感じで、他の基板屋さんに比べて安いことに変わりはないのでしょうけど…。ちなみに検索してブログを色々見てみた結果、届くまでに2週間前後かかったという人が多いようです。

ただ、CAmiDion1個作るだけを考えると、安いユニバーサル基板で手作りするときに比べてやはりまだ割高なので、これは基板売るとかクラウドファンディングで資金募るなどを考えないときついかなぁ…

とりあえず、他に何かいい方法ないか、この設計で問題なさそうか、もうちょっと様子を見ることにします。
ニコニコ超会議3も近いことですし…。

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