カナダ最大のハッカソン向けに1,750個のプログラマブルPCBバッジを作成する

ほとんどのハッカソンでは、バッジはランヤードについたカードストックの切れ端です。今年のHack the North、カナダ最大のハッカソンでは、それはスクリーン、ボタン、ラジオを備えた回路基板であり、好きなようにプログラムすることができました。土曜日には、チームが4つ持って私のところにやってきました。彼らはそれをAmong Usの動作するゲームに変えていました。8ヶ月前、私たちのバッジもカードストック製になる予定でした。バッジを読んでから触ってみたい場合は、どうぞ！エミュレータを作成しました：エミュレータを開始するシェイクフルエミュレータを開くバッジの実際のファームウェア、WebAssemblyにコンパイル済み。すべてオープンソースです：ハードウェア（KiCad）、ファームウェア、エミュレータ。 なぜカードストックではないのか 1月中旬、私の友人Alex（Hack the NorthのPM）が、Hack the Northに参加しないかと尋ねてきました。そのメッセージを受け取った瞬間、私の頭の中にビジョンが浮かびました。もし、サイバーセキュリティイベントのバッジ文化をハッカソンの世界に持ち込んだらどうなるだろうか。もし、他のハッカソン主催者が無視できないほどの大きな波を起こしたらどうなるだろうか。もし、ハードウェアバッジをハッカソンの主流にしたらどうなるだろうか。これが私たちの目標でした。私はすぐにデッキをまとめ、そのアイデアを主催チームにピッチしました。以下がエグゼクティブサマリーです：LED（できるだけ多く）、スクリーン、バッテリー、ボタン、オーディオ、ワイヤレス機能、クールな形状、シルクスクリーンアート、ランヤード。ああ、そしてすべて1人あたり5ドル（私はなんてナイーブだったのだろう）。このプロジェクトの成功を保証し、リスクを軽減するためには、複数のハードウェアイテレーションが必要であることを明確にしました。当初はEVT（Engineering Validation Test）、DVT（Design Validation Test）、そして2〜3回のPVT（Production Validation Test）を計画していました。最終的に4回のイテレーションで出荷し、4回目が量産ランとなりました。元のピッチには、迅速にスコープを縮小してブランクバッジにするためのエスケープハッチが組み込まれていました。これは、コンポーネントを組み立てずにバッジを注文することを意味し、コストを大幅に削減できます。このセーフティネットなしでは、このプロジェクトは実現しなかったと思います。ディレクターたちは、理解できるように、このプロジェクトが（文字通り）私たちの顔に爆発することを望んでいませんでした。（これは実際に考慮したリスクでした。バッテリーの安全性は真剣に受け止める必要があります。）最初のキックオフミーティングはかなり遅くまで続きました。スレッドには、合理的な懸念から素晴らしいアイデアまで、かなりの数のメッセージがありました。 エンジニアリング検証テスト（EVT） 最初の回路図には、非常に多くのエネルギーを注ぎました。それはソフトウェアサイドプロジェクトの初期開発に似ています：スケーリングの問題、バグ、技術的負債なしの純粋な前方開発です。見た目が良くなくても、主な目標は部品が連携して機能することを証明することでした。ここに私たちの最初の回路図イテレーションがあります！すぐにすべての間違いについて掘り下げます。レイアウトについては、私が担当し、もちろん時代を超越したクラシックである六角形を選びました。なぜ？六角形は最高だからです。 EVTレイアウト EVT前面：六角形、すべてのブロックにラベルが付いています EVT背面：バッテリーホルダーと下層ルーティング 残念ながら、チームは六角形の良さを知りませんでした。六角形はエンジニアリングテストとして残りましたが、運命の形は次のイテレーションで廃止されました。私たちは3月15日に中国の製造パートナーであるJLCPCBを使用して注文しました。いくつかの問題が発生しました。 部品選定ミス USBではすべて正常に動作しました。バッテリー電源では何も動作しませんでした。原因は部品選択リストにありました：C10、C14、L1が同じ行にあります。😱コンデンサC10とC14を「10u」、つまり10マイクロファラッドとラベル付けしました。残念ながら、L1にも「10u」とラベル付けし、部品検索ツールを誤解させて、10uHインダクタの代わりに10uFコンデンサを配置させてしまいました。望んでいたことの反対です！これは迅速な修正でした。この間違いを繰り返さないように注意し、EVTではインダクタをショートさせるだけで動作しました。これはシステムに多くのノイズと効率損失をもたらした可能性がありますが、ある程度はうまく処理できました。少なくともEVTとしては十分でした。 教訓：曖昧な値（10uHではなく10u）を避ける。部品検索ツールを盲信しない。2回確認する。 はんだ付けするには密度が高すぎるピン ほとんどの小型スクリーンには、FPC（フレキシブルプリント回路）と呼ばれる細いリボンケーブルが付いています。通常の方法は、ボード上の小さなコネクタを使用することです：リボンをスライドさせ、ラッチを閉じます。私たちはコネクタを節約することにしました。計画は、スクリーンを接着剤で貼り付け、リボンの接点をボード上のパッドに直接はんだ付けすることでした。これにより、バッジあたり約5セント節約できます。これを読んでいる経験豊富なハードウェアエンジニアは顔をしかめているでしょう。はんだ付けされたリボンは信頼性の高い組み立てが難しく、一度取り付けたら、ひび割れたスクリーンを交換するにはホットエアガンと非常に安定した手が必要です。ハッカソンで1,750個のバッジがあると、スクリーンが割れるものも出てくるでしょう。私はこれが組み立てにおける最もリスクの高い部分であることを知っていました。ただ、それがうまくいくかどうか試したかったのです。結果：うまくいきませんでした！注文から約10日後、JLCPCBからピンがはんだ付けするには密度が高すぎるとのメールが届きました。彼らは私に2つの選択肢を提示しました：スクリーンを完全に外すか、別の部品を選ぶか。私は3つ目のアイデアを思いつきました。最初から使うべきだったFPCコネクタが、リボンのためにすでにレイアウトしていたパッドに偶然適合しました。JLCPCBはコネクタをそれらのパッドにはんだ付けし、スクリーンをそれに差し込み、テープで固定しました。これらすべてで合計4.25ドル追加されました。私たちは幸運でした、そしてそのコネクタソリューションは最後まで私たちと共にありました。 教訓：製造上の問題を製造業者に押し付けない。それらを所有し、理解し、製造業者と明確にコミュニケーションをとる。 そして数日後…バッジが現実になりました！私たちはすぐに電話で話し合い、それをチャットしました。周辺機器が機能することを確認するために、基本的な起動ファームウェアでテストを開始しました。この頃は、AIでこのようなことをゼロショットで行う時代ではなかったことを覚えておいてください。しかし、それは機能したでしょうか？ほとんど！L1インダクタの問題を修正した後、NFCを除くすべての機能が動作しました。NFCでさえ、技術的には機能しました。ただ、間違ったことをしていました。NFCチップには2つの役割があります。リーダー、つまりお使いの携帯電話やドアのカードスキャナーにあるようなものは、フィールドを起動してスキャンします。タグ、つまり交通系カードやNFCステッカーのチップのように、受動的にスキャンされます。私たちはバッジにタグをスキャンさせたいと思っていました。私が選んだチップはタグでした。携帯電話は私たちのバッジをスキャンできましたが、バッジ自体は何もスキャンできませんでした。私たちが本当に望んでいたのは、2つのバッジが互いにタップして連絡先情報を交換することでした。それには、両方の役割を切り替えられるチップ、いわゆるピアツーピアモードが必要ですが、それらのチップは予算を超えていました。今思えば、バッジ間NFCはそもそも悪いアイデアでした。NFCは、アンテナが適切に調整されていてもデリケートであり、私たちのアンテナはほとんど調整されていませんでした。ESP32にはすでにBluetoothがあり、2人の見知らぬ人がバッジを正確に位置合わせする必要なしに同じことができます。そのため、DVTでは、タグをスキャンするためのリーダーチップに切り替え、バッジ間の通信をBluetoothと加速度計に移行しました。 教訓：チップが実際に必要なことを行うかどうかを、統合方法を検討する前に確認する。タグチップは私たちのデザインに必要なすべてのピンを持っており、それが正しいチップだと確信させましたが、そうではありませんでした。 デザイン検証テスト（DVT） EVTは、部品が機能すること、そしてプロジェクト全体が狂気ではないことを証明しました。DVTの仕事は、デザインが機能することを証明することでした。これには、実際の形状、実際のレイアウト、そして実際に私たちが望むことを行うNFCチップの取得が含まれます。私たちのDVTは、EVTバージョン2と最もよく説明できます。それにもかかわらず、私たちは満足させるためのリニアトラッカーを持っていました！ NFCの修正 最初の優先事項は、NFCタグをリーダーチップに交換することでした。それは単なる部品交換以上のものになりました。新しいチップは異なるアンテナを必要とし、カスタムアンテナを調整するためのツールも時間もありませんでした。そのため、メーカーのリファレンスデザインをできるだけ忠実にコピーしました。これが最終的なDVT回路図です： 形状とレイアウト そして楽しい部分です。私は2人の非常に才能のあるデザイナーと協力する機会を得ましたが、それは幸運でした。なぜなら、私のPCBアートスキルは…ブルータリズム的だからです。