f32

f32 は、USB-C レセプタクルの真後ろに直接取り付けるように設計された超小型 ESP32 開発ボードです。PCB のサイズはわずか 9.85 mm x 8.45 mm。ESP32-C3FH4 マイクロコントローラを搭載し、主に研究目的と、ESP32 へのちょっとしたストレステストとして作られました。というのも、標準的な設計ガイドラインの多くを意図的に無視しているからです。露出している GPIO は 1 つだけで、オンボード LED に接続されているため、ここでの開発の多くは WiFi/Web 向けになります。

f32 をテストするために、ユーザーが操作できるサンプルアプリケーションが作成されました。このアプリケーションは f32 をキャプティブポータルに変えるため、電源を入れるとオープンなアクセスポイントとして表示され、利用可能な WiFi ネットワークの一覧から選択できるようになります。ユーザーは自動的に f32 のコントロールページへ転送され、LED の点灯や周辺の WiFi ネットワークのスキャンといった基本的な機能を操作できます。デバイスの概要を示す「About」ページもあります。以下は、デバイスを操作しているときのスクリーンショットと GIF です。

キャプティブポータルのメインページ。

WiFi 検索と LED オン状態。

About ページ。

動作中の f32 の GIF。

最初、f32 はうまく動作しないように見えました。どのネットワークにも接続できず、独自のネットワークをブロードキャストすることもできませんでした。これはアンテナ回路が貧弱であるか、そもそも欠如しているためだと 100% 確信していますが、下の写真のようにチップアンテナの上に追加の小さなアンテナを取り付けることで、なんとか動作させることができました。これは、端のリードに半田付けした曲げたワイヤの切れ端で、最初のリードの上に浮かせたものです。

高性能な信号テスト機器を持っていないため、デバイスに接続して LED を制御できるかどうかを確認するといった手動テストに頼りました。f32 を地面から約 3ft の高さに置いたクリアな見通しテストでは、約 120ft 離れた場所から接続し、スキャンや LED の制御ができました。これは、私がどうしても必要だった下の図で確認できます。

f32 の組み立て

PCB は DipTrace で設計され、PCBWay によって基板厚 0.6mm、最小穴径 0.2mm、最小配線幅/間隔 4/4mil で製造されました。製作当時、5 枚の基板を送料込みでたったの $10.75 で発注できました。今でも信じられません。PCBWay は組み立てサービスも提供していますが、私は自宅で組み立てて少し苦労することにしました。こんな小さな部品では試行錯誤が必要でしたが、私にとって最善の方法はステンシルを捨てて、フラックスを親友にすることでした。

使用した工具と部品:

• SRA Solder 135 Rosin Paste Soldering Flux
• Thin Kester Solder 63/37
• Pinecil Soldering Iron
• Fine Soldering Iron Tip
• Rework Station
• Soldering Hotplate
• デジタル顕微鏡またはジュエラールーペ
• 先細ピンセット（ピンセットはケチるな！良いピンセットは状況を一変させる）
  

組み立て手順:

• hardware フォルダにあるガーバーファイル f32_gerber.zip を、上記の仕様で PCBWay に送ります。
• f32_bom.pdf に記載されている部品を注文します。これらの部品はアンテナを除いて DigiKey と Mouser の両方で入手できます。どこで注文したかは覚えていませんが、CrossAir CA-C03 だったと思います。
  • ** ヒント: 特にこれほど小さな部品は、必要な数より多めに注文しましょう。

01005 抵抗

• PCB を 99% アルコールでよく洗浄します。
• まず上面（アンテナ側）から始め、つまようじを使って基板全体にフラックスを薄く塗ります。
• 先細チップの半田ごてを使い、コテ先に半田を少し取ってから、露出している全てのパッドに半田を載せていきます。
• 基板をもう一度 99% アルコールで洗浄し、この面の全てのパッドに半田が付いていることを確認します。
• 同じ面にフラックスをもう一度薄く塗ります。
• ピンセットと顕微鏡/ルーペを使い、リファレンスガイド f32_reference.pdf に従って上面の部品を配置していきます。
  • ** ヒント: 大きめの部品を最後に配置するとうまくいきました。
• 基板をゆっくりと半田ホットプレートに移すか、リワークステーションを使って半田を再加熱し、部品が落ち着くように動くのを観察します。
• 底面でも同じことを繰り返します。
  • 底面はホットプレートではできないため、リワーク用の熱風ガンを使って行う必要があります。
  • USB-C レセプタクルは最後に取り付けます。この部品はずっと大きいので、半田ごてで半田付けできます。
    • 注: USB-C コネクタには小さな簡単な改造が必要です。コネクタの背面にある 2 本の小さなプラスチックの突起を折り取る必要があります。これは x-acto カッターナイフや平らなドライバーで行えます。下の画像のタブを参照してください。

折り取る必要がある USB-C の突起。

• アルコールと細い歯ブラシを使って基板全体を洗浄します。

f32 への書き込み

組み立て後は、ESP-IDF VSCode 拡張機能または Arduino を使って、お好みのものをボードに書き込めます。または、以下の手順で私のサンプルアプリケーションを書き込むこともできます。

• このリポジトリのベースディレクトリにいて、esptool.py にアクセスできることを確認してください。
• esptool のバージョンが v4 以降であることを確認してください。
• 次のコマンドを実行します。<PORT> はデバイスが接続されているポートに置き換えてください。例: Windows では通常 COM5 のようなポート、Linux では /dev/ttyACM0 です。

esptool.py -p <PORT> -b 460800 --before default_reset --after hard_reset --chip esp32c3 write_flash --flash_mode dio --flash_freq 80m --flash_size 2MB 0x0 firmware/bootloader.bin 0x10000 firmware/f32_internal.bin 0x8000 firmware/partition-table.bin 

何のためにあるのか？

それはあなた次第です。このプロジェクトは、個人的な研究と楽しい学習体験のために始めました。何年か前にうっかり 01005 部品を注文して以来、01005 部品を使うプロジェクトが欲しいと思っていました。 どのような用途に使うにしても、この設計は適切なデカップリングコンデンサ、アンテナマッチング回路、USB 終端抵抗など、いくつかの基本的な部品を意図的に省略していることに注意してください。動作はしますが、意図的に最低限の構成になっています。

今後のアイデア

• PCB の側面にさらに多くの GPIO を出して、マウント可能な PCB にする。
• アンテナ回路を改善する。

最後に、面白い偶然ですが、ESP32 チップ、アンテナ、LDO はすべて「C3」モデルです！