EN

ㅤPrehistory

ㅤAbout ten years ago, I worked at a company producing industrial equipment. In control cabinets, I always tried to use purchased products. But there came a time when I couldn’t find a device on the automation market that solved the task for a reasonable price. The closest solution looked like using a microscope to hammer nails. This situation forced me to start DIY.

ㅤFor debugging the device, I assembled a prototype from several module boards mounted on plexiglass with TFF-M3x12 standoffs. It was inconvenient to assemble the prototype on the table because it needed to be mobile for transfer to the shop for debugging with the equipment. In the center was a module with STM32 and minimal circuitry, an RS485 module, and some other modules specific to industrial equipment control. ㅤDividing into modules simplified circuit debugging; in case of errors, not the whole device was fixed. Also, if during the process it was necessary to connect a module to other microcontroller pins, it was done instantly, since the modules were connected with dupont jumpers to PLS pins. Then the circuitry and software were refined. ㅤWhen there were no more questions about the circuitry, the final device was developed based on the prototype, PCB layout was done, and a DIN rail case was selected. Parts and PCB manufacturing were ordered. While the slow procurement department was working, software debugging continued on the prototype. By the time the components and PCBs for the final version arrived, the software debugging was complete. The device was assembled, installed on the equipment, the prototype was disassembled and put away until DIY was needed again. ㅤGiven the previous project, where the prototype survived frequent transfers from the office to the shop and back, development continued with the same approach. Some modules from the previous project were reused, missing ones were made. During assembly, it turned out that holes were made in certain places, and to change the relative position of modules, new holes had to be drilled. So, in the new plexiglass sheet, a grid of holes with a 5 mm pitch and 3 mm diameter was made. This allowed modules to be placed in any order, since the mounting holes on the modules also had a 5 mm pitch. ㅤSince then, several more projects have been developed with this approach over a fairly long period. Nothing new was added to the prototyping approach, since my main activity was not electronics development.

ㅤPortable Prototyping

ㅤFrom the above history, it can be concluded that it is enough to prepare a part with an array of holes, a stock of standoffs, screws, dupont jumpers, and to use a 5 mm pitch for mounting holes in new modules — over time, you will get a certain set with which you can assemble a mechanically solid prototype. ㅤBut in the approach described above, I saw some incompleteness. All this time, there was an obsessive idea to somehow develop this direction and share the developments, since I am sure there are those who have encountered a similar situation. Not in the need for DIY, but in assembling a portable prototype. Recently, I found time to devote to the topic of portable prototyping.

ㅤBase

ㅤBy “base” I mean a flat part with a grid of holes on which modules are mounted. The size of the base is indicated by the number of holes on the sides and the distance between the holes. The size is indicated by a pair of two-digit numbers with leading zeros. ㅤIn the first version, it was plexiglass with manually made holes. In a base sized 2040 (10x20 cm), you need to make 800 holes. By the end of this task, I was a bit nervous, I do not recommend repeating it. The accuracy is acceptable, but no, it’s not worth it. After some time, the opportunity arose to do laser cutting. Due to the density of the cut, the base warped from heating, had to be heated with a hair dryer and straightened. The result is much better than manual, but requires refinement and access to laser cutting and material. ㅤThen, recently, I finally tried 3D printing. The result is acceptable, I could recommend it, but again, accessibility and cost.

ㅤBase Made of PCB

ㅤRecently, while tidying up, I was moving printed circuit boards from the table and back, and realized that here is the solution that had been overlooked for so long. After all, those who develop electronics have experience ordering PCB manufacturing. That is, making a base out of PCB is probably easier than looking for cutting or 3D printing. This gives another plus — reducing the variety of screws for mounting, since the standoff is fastened with screws of the same length on both sides, and both sides are PCB.

ㅤReducing Mounting Hole Size

ㅤRecently, I made a servo controller module, size 32x42 mm with compatible mounting holes, attached it to the base and saw how much space the screw heads take up.

ㅤAnd the diameter on the board is 6.5 mm, which does not help placing two holes in adjacent cells. I decided that although M3 standoffs are more common, it’s better to switch to M2. The low prevalence is compensated by the fact that you can buy 200–500 pieces in bulk once.

ㅤButt Connections

ㅤReducing the size of the holes saves space, which is critical for small modules. It also makes it possible to mount modules butt-to-butt, even if the fastener is at the very edge of the module. This brings another possibility — connecting modules not with dupont jumpers, but with jumpers. ㅤSuch a variant is specific and somewhat proprietary, but backward compatible, since it allows connection with the same dupont jumpers. Illustrations of possible applications for clarity.

ㅤReconsidering the Base Grid Size

ㅤThe idea of butt-to-butt connection introduced complexity related to the mismatch between the base grid of 5 mm and the perfboard perforation of 2.54 mm.

ㅤIt means that to align the pins, you need to orient to some reference point, which brings difficulties and limitations. The base pitch of 5 mm was chosen without much justification, as a suitable round number in the metric system. There is no reason to stick to this value. I decided that the base grid should be made with a pitch of 5.08 mm, that is, 200 mil. As much as I would like to rely on the metric system, this solution has more advantages than disadvantages.

ㅤAdvantages of the New Base Grid Size

ㅤBesides simplifying the development of butt-to-butt modules, we get the opportunity to quickly make a compatible module from a regular perfboard. Drill the holes to 2 mm, and you get compatible mounting holes. Assemble the module on the perfboard itself.

ㅤYou can also make adapters for modules with downward soldered pins, when it was originally intended to use with a breadboard.

ㅤOn Budgeting

ㅤThere are PCB manufacturers who make boards sized 100x100 as prototypes. When I ordered the first versions of the base as boards, they were exactly 100x100. With a grid of 5.08, the size is already 101.6x101.6. This does not fit into the more budget-friendly way of getting the base, but where I ordered, this size passed as a prototype. ㅤIf the size 101.6x101.6 is not enough, you can join two bases butt-to-butt. I think a separate connecting fastener is unnecessary in terms of budgeting, it’s enough to solder two small ones together. And those who do not chase budget can order a larger base, maybe even not the standard thickness of 1.6 but 2 mm for increased rigidity.

ㅤMounting Screws

ㅤThere are many screws with different heads. For myself, I chose screws with a hex head. They seem most convenient for assembly. Such a screw is easier to control and does not get lost, since it can be put on a hex key without any magnets, as with screwdrivers. Yes, exactly a key. Again, in my opinion, it is better to keep a separate tool specifically for assembling prototypes. And a 1.5 mm hex key takes up almost no space compared to a screwdriver.

ㅤBoard Standoffs

ㅤRegarding board standoffs, there is not much to say, except that their length is determined by the distance between PCBs when connecting them with a PLS comb and a mating connector. This increases their scope of application, not only for the prototyping set. As a counterpart for mounting modules, theoretically, other elements can be used, maybe even soldered onto the module board. But using solutions that increase the variety of the starter set is not part of the concept.

ㅤTools

ㅤI think it is useful to keep a separate tool specifically for this task. Assemble only modules on the base with a screwdriver or hex key, and store together with other items of the set. A drill clamped in a collet chuck for enlarging mounting holes in perfboards, or another tool that can do this operation. Also, other small tools that you consider necessary and can afford to duplicate.

Minimal Starter Set

• base — PCB with an array of 2 mm holes with a pitch of 5.08 mm
• board standoffs TFF-M2x11 female-female
• double the number of M2x6 screws
• hex key or screwdriver
• dupont female-female jumpers
• perfboards of suitable sizes and parts for making modules and adapters
• PLS and PBS with a pitch of 2.54
• jumpers for PLS, if you plan to use butt-to-butt modules
• tool for enlarging holes to 2 mm in perfboards (a 2 mm centering drill is good, it will immediately form a chamfer plus a manual mini drill with a collet chuck)

ㅤBasic Principles for Further Development of the Prototyping Approach

• maximum budget-friendliness
• reducing the variety of components needed to work with the portable prototyping kit
• maximum DIY compatibility (if possible, avoiding solutions unsuitable for self-manufacturing)

ㅤFurther Plans

• work out the terminology in more detail
• create a document with rules and terminology — an instruction or guideline
• develop modules and publish developments
• work out visual examples of real devices to demonstrate the positive properties of the approach

ㅤПредыстория

ㅤИтак, лет десять назад я работал в фирме производящей промышленное оборудование. В шкафах управления всегда старался ставить покупные изделия. Но настал момент, когда на рынке автоматики не нашел устройства решающего задачу за адекватную стоимость. Ближайшие решение которым можно было решить задачу, выглядело как микроскоп в качестве инструмента забивания гвоздей. Эта ситуация вынудила заняться самодельщиной.

ㅤДля отладки устройства был собран прототип из нескольких плат модулей закрепленных на оргстекле стойками TFF-M3x12. Собрать прототип на столе мешал тот момент, что он должен быть мобильным для переноски в цех для отладки в комплексе с оборудованием. В центре был модуль с stm32 с минимальной обвязкой, модуль rs485 и еще какие то специфические для управления промышленным оборудованием. ㅤДеление на модули упрощало отладку схемотехники, в случае ошибок, исправлялось не все устройство. Кроме того, если в процессе появлялась необходимость подключить модуль на другие выводы микроконтроллера, это делалось мгновенно, так как, модули соединялись между собой перемычками dupont на пины PLS. Далее велась проработка схемотехники и ПО. ㅤВ момент когда к схемотехническим решениям не было вопросов, на основе наработок разработано окончательное устройство, выполнена трассировка ПП и подобран корпус на DIN рейку. Заказаны детали и изготовление печатных плат. И пока проворачивалась тяжелая машина отдела снабжения, отладка ПО продолжалась на прототипе. И к моменту поставки комплектующих и печатных плат на окончательный вариант, отладка ПО была завершена. Устройство собрано, установлено на оборудование, прототип был разобран и отложен в ящик. До того момента, когда снова появилась необходимость самодельщины. ㅤС учетом предыдущего проекта, когда прототип выдержал частые переноски с кабинета в цех и обратно, разработка пошла с тем же подходом. Часть модулей c предыдущего проекта были использованы повторно, недостающие были изготовлены. В процессе сборки выяснилось, что сделаны отверстия в определенных местах, и для изменения взаимного расположения модулей нужно сверлить новые отверстия. Поэтому в новом листе оргстекла был сделан массив отверстий с шагом 5 mm и диаметром 3mm. Это позволило размещать модули в произвольном порядке, так как крепежные отверстия на модулях также имели шаг в 5mm. ㅤС того момента с таким подходом было разработано еще несколько проектов с довольно большим временным интервалом. Ничего нового не было привнесено в подход к прототипированию, в связи с тем что основной деятельностью была не разработка электроники.

ㅤПортативное прототипирование

ㅤС выше изложенно истории можно сделать вывод, что достаточно заготовить деталь с массивом отверстий, запас стоек, винтов, перемычек dupont и закладывать шаг 5mm в крепежные отверстия новых модулей - со временем получится некий набор, с помощью которого можно будет собрать механически цельный прототип. ㅤНо в выше описанном походе я видел некоторую незавершенность. Все это время была навязчивая идея как то развить данное направление и поделиться наработками, так как уверен что есть те кто сталкивался с подобной ситуацией. Не в необходимости самодельщины, а сборки портативного прототипа. Недавно появилось время уделить время теме портативного протипирования.

ㅤОснова

ㅤОсновой я называю плоскую деталь с сеткой отверстий, на которую крепятся модули. Размерность основы указывается в количестве отверстий по сторонам, и расстоянием между отверстиями. Размерность указывается парой двузначных чисел с лидирующими нулями. ㅤВ первом варианте это было оргстекло с вручную сделанными отверстиями. В основе размерностью 2040 (10х20 см) нужно сделать 800 отверстий. К концу этого занятия я немного нервничал, повторять такое не советую. Точность приемлема, но нет, не стоит. Через некоторое время появилась возможность сделать резку на лазере. Из-за плотности реза основу повело от нагрева, пришлось нагревать феном и ровнять. Результат намного лучше чем вручную, но требует доработки и доступности лазерной резки и материала. ㅤЗатем недавно я все же додумался попробовать печать на 3d принтере. Результат приемлем, можно было бы рекомендовать, но опять же доступность и стоимость.

ㅤОснова из текстолита

ㅤНедавно наводя порядок, перекладывал печатные платы со стола и обратно, и понял, что вот оно решение на поверхности не замеченное столько времени. Ведь те кто занимается разработкой электроники, имеет опыт заказа производства печатных плат. То есть изготовить основу из текстолита вероятно будет проще, чем искать резку или 3d печать. Это дает еще один плюс - уменьшение номенклатуры винтов для крепления, так как стойка с двух сторон крепится винтами одинаковой длинны, и там, и там текстолит.

ㅤУменьшение крепежных отверстий

ㅤСделал я недавно модуль сервоконтроллер ДПТ, размером 32х42 мм с совместимыми крепежными отверстиями, закрепил на основе и увидел насколько много занимает места головки винтов.

ㅤДа еще и диаметр пада на плате 6,5мм, что совсем не способствует размещению двух отверстий в соседних клетках. Решил что стойки м3 хоть и более распространённые, но нужно переходить на м2. Малое распространение компенсируется тем фактом, что достаточно оптом один раз закупить штук 200-500.

ㅤСоеденения встык

ㅤУменьшение размера отверстий экономит место, критичное для модулей небольшого размера. Так же появляется возможность закреплять модули встык, даже если крепеж находится на самом краю модуля. Что тянет за собой очередную возможность соединять модули между собой не перемычками dupont, а джамперами. ㅤТакой вариант специфический и попахивает пропроитарщиной, но обратно совместим, так как позволяет подключать теме же dupont перемычками. Иллюстрации возможного применения для наглядности.

ㅤПересмотр размерности сетки основы

ㅤИдея соединения встык внесла сложность связанную с несовпадением кратности сетки основы 5mm и перфорации макетной платы 2.54mm.

ㅤОна заключается в том, что для совпадения пинов, нужно ориентироваться на какую то исходную точку, что сулит трудности и ограничения. Шаг основы в 5mm был выбран без существенного обоснования, как подходящее круглое число в метрической системе. Нет никаких причин держатся именно за это значение. И я принял решение что сетку основы нужно делать с шагом 5.08 мм, то есть 200mil. Как бы не хотелось опираться на имперскую систему измерения, но как по мне такое решение имеет больше преимуществ, чем недостатков.

ㅤПреимущества новой размерности сетки основы

ㅤКроме упрощения разработки модулей встык, мы получаем возможность быстро сделать совместимый модуль с обычной макетной платы. Рассверливаем до 2mm отверстия, и получаем совместимые крепежные отверстия. На самой макетной плате собираем модуль.

ㅤС тех же макетных плат можно делать переходники для модулей с запаянными вниз пинами, когда изначально предполагалось использовать с беспаечной макеткой.

ㅤК вопросу о бюджетности

ㅤЕсть производители печатных плат, которые изготавливают платы размером 100x100 как опытные образцы. Когда я заказывал первые варианты основы в виде плат, они были как раз 100х100. С сеткой 5,08 размер уже выходит 101,6х101,6. Что не вписывается в более бюджетный способ получения основы, но там где я заказывал, такой размер прошел как образец. ㅤЕсли размера 101,6х101,6 не хватит, то можно скрепить в стык две основы. Отдельный соединяющий крепеж думаю это лишнее в разрезе бюджетности, хватит соединить пайкой две мелкие. А кто не гонится за бюджетностью, сможет заказать основу большего размера, может даже не стандартной толщины 1,6 а 2 мм для увеличения жесткости.

ㅤКрепежные винты

ㅤЕсть много винтов с разными головками. Для себя я выбрал винты с головкой под шестигранник. Мне они кажутся наиболее удобными при сборке. Такой винт лучше поддается контролю и не теряется, так как его можно насадить на шестигранный ключ без всяких магнитов, как с отвертками. Да именно ключ. Опять же, как по мне, то лучше держать отдельный инструмент специально для сборки прототипов. А шестигранный ключик 1.5mm практически не занимает места по сравнению с отверткой.

ㅤМежплатные стойки

ㅤПо поводу межплатных стоек особо нечего сказать, кроме того что их длинна обусловлена расстоянием между печатными платами при соединении их гребенкой PLS и ответным разъёмом. Что увеличивает сферу их применения, а не только для набора прототипирования. В качестве ответного крепежа модулей теоретически можно использовать другие элементы, может даже запаянные на плату модуля. Но применение решений увеличивающих номенклатуру стартового набора не входит в концепцию.

ㅤИнструмент

ㅤСчитаю полезным держать отдельный инструмент конкретно под эту задачу. Отверткой или шестигранным ключом собирать только модули на основе, и хранить вместе с остальным предметами набора. Сверло зажатое в цанговый патрон для рассверливания крепежных отверстий в макетных платах, или другой инструмент, которым можно проделать эту операцию. Также другие мелкие инструменты которые посчитаете необходимыми и себе сможете позволить задублировать.

Минимальный стартовый набор

• основа - печатная плата с массивом отверстий 2mm с шагом 5,08mm
• межплатные стойки TFF-M2х11 мама-мама
• двойное количество винтов м2х6
• шестигранный ключ или отвертка
• перемычки dupont мама-мама
• макетные млаты подходящих размеров и детали для изготовления модулей и переходников
• PLS и PBS шагом 2,54
• джамперы на PLS, если планируется использовать модули встык
• инструмент для увеличения размеров отверстий до 2mm в макетных платах (хорошо подойдет центровочное сверло 2мм, сразу будет формироваться фаска плюс ручной мини дрель с цанговым патроном)

ㅤОсновыные принципы для дальнейшего развития подхода к прототипированию

• максимальная бюджетность
• уменьшение номенклатуры комплектующих необходимых для работы с конструктором портативного прототипа
• максимальная DIY совместимость (по возможности отказ от решений непригодных для самостоятельного изготовления)

ㅤДальнейшие планы

• детальней проработать терминологию.
• сформировать документ с правилами и терминологией - так сказать инструкцию или наставление.
• разрабатывать модули с последующей публикацией наработок.
• проработка наглядных примеров реальных устройств для демонстрации положительных свойств подхода.