Prüf- und Bestückungsrahmen

Projekt Prüf- und Bestückungsrahmen

Status: Abgeschlossen

Bestückungsrahmen zum Bestücken und Testen von selbstgebauten Platinen.

Da die Entwicklung und das Debugging von Hard und Software nicht nur auf der Tastatur viele Finger erfordert stößt man immer wieder an seine motorischen Grenzen. Jeder kennt das Problem, wenn man Tastköpfe, Messleitungen oder Prüfstifte auf Kontakte oder Pads an die Platine halten muss, aber gleichzeitig noch einen Taster drücken muss, oder auf der Tastatur noch den Befehl zum flashen des Mikrocontrollers á la „make program“ eintippen muss.
Dieses Problem scheint ein alter Hut zu sein, sicher gibt es da schon einige Lösungsansätze, doch diese erweisen sich meist in der Praxis doch als etwas halbgar.
Das einzige Konzept, welches durchdacht und konsequent umgesetzt erscheint, ist ein Rahmen aus Aluprofilen mit diversem Zubehör zum Aufsetzen von Tastköpfen und Probes. Mit einem Blick auf die Preisliste dieser Kauflösungen war es relativ schnell entschieden: Selbermachen!, denn Alu-Profil in dieser Stärke ist nicht teuer. Auch Winkel und Schrauben gibt’s im Baumarkt für kleines Geld.

Mit den vorhandenen Möglichkeiten, wie 3D Drucker und Fertigung von Leiterplatten in China, lässt sich das gesamte Zubehör relativ einfach und kostengünstig selber herstellen. Außerdem kann man diverse Halter und Vorrichtungen genau an seine Bedürfnisse anpassen. Und so ist mittlerweile schon ein ganz beträchtlicher Satz an optionalen Teilen, die man je nach Bedarf an den Rahmen anbringen kann, entstanden.

Ein weiterer Vorteil des Konzepts ist, dass man seinen gesamten Entwicklungsaufbau nach „Feierabend“ mit einem Griff in die Ecke stellen kann. Es müssen am nächsten Tag nicht wieder aufwendig alle Messleitungen verbunden oder diverse Kabel entworren werden. Das Ganze kann man soweit auf die Spitze treiben, indem man den Rahmen so baut, dass er in einen Alu-Koffer mitsamt allem Zubehör passt. Nimmt man dann noch sein Notebook unter den Arm, dann hat man schon ein recht umfangreiches mobiles Dev-Kit.

Der Grundrahmen ist aus 20x20mm Item-kompatiblen Profil gebaut und so konstruiert, dass man ihn auch wenden kann bzw. Prüfstifte auf der Ober- und Unterseite der Platine anbringen kann. Die 2 inneren horizontalen Streben sind über Rändelschrauben verschiebbar gehalten, sodass der Abstand an die entsprechende Platinenbreite angepasst werden kann. Dadurch, dass beide Streben verschiebbar sind, können sogar 2 Platinen gleichzeitig eingespannt werden. Die Winkel, die in dem hier vorgestellten Aufbau verbaut wurden, stammen von einem Ebay-Restpostenhändler, hier muss beim Nachbau geschaut werden, was man für Verbinder bekommt und ob dementsprechend Anpassungen notwendig sind oder man verwendet die unten aufgeführten gedruckten Winkel.

Die Montage erfolgt so, wie es bei Item Profilen üblich ist. Die 160mm Profile erhalten jeweils in der Mitte 2 5mm Bohrung (X- und Y-Richtung) in der Nut. Die 300m, sowie die 200mm Profile werden jeweils beidseitig an den Strinseiten mit einer M5 Gewindebohrung versehen. Hier wird eine M5-Linsenkopfschraube mit dem gedruckten Profilverbinder, der das aufgeschraubte Profil gegen Verdrehen sichert, eingedreht. Bei den Profilherstellern gibt es hierfür auch fertige Verbindungssätze, bestehende aus der Schraube und einem kleinen Belchteil.

Beim Zusammenbau sollte schon darauf geachtet werden, an welche Stellen überall Nutmuttern für die Streben oder das unten aufgeführte Zubehör eingefädelt werden müssen. Bei den meisten Nutmuttern ist es zwar möglich, diese auch hinterher einzuclipsen, aber manchmal ist dies etwas fummelig. Insgesamt sollte man mindestens 50 Nutmuttern kaufen, optimaler sind ca. 60-70 Stk. Hier sollte man nicht am falschen Ende sparen, denn es ist ärgerlich wenn man ständig auch die Position der Nutmuttern ändern muss, wenn man einen Halter aus Platz- oder ergonomischen Gründen an einer anderen Stelle befestigen möchte.

Der Platinenhalter ist für den Bestückungsrahmen ein „must have“. Mit ihm können Platinen in unterschiedlichsten Formaten (auch rund) in den Bestückungrahmen in drei verschiedenen Höhen eingehängt werden. Minimal werden von diesem Halter 4 Stück benötigt um eine Platine zu fixieren. Der Bestückungsrahmen ermöglicht aber sogar die gleichzeitige Aufnahme von 2 Platinen, sofern diese nicht zu groß sind. In diesem Fall werden allerdings 8 der Platinenhalter benötigt. Der Halter wird aufgrund der einfacheren Handhabung nur mit einer Rändelschraube fixiert. Damit er nicht verdrehen kann ist er auf der Unterseite mit einer am Kopf abgedrehten M3 Schraube gesichert, die in die Profilnut ragt. Sollte man keine Drehmaschine zur Hand haben , tut es hier aber auch ein kleiner Gewindestift, Schrauben mit extra kleinem Kopf (vgl. DIN920) oder Ähnliches.

Der Tastkopfhalter besteht aus ein paar Druckteilen und 2 Aluminumprofilen (60mm und 160mm) die auch für den Rahmen verwendet wurden. Bei beiden Profilen müssen jeweils in die eine der beiden Stirnseiten Gewinde geschnitten werden. Der Tastkopfhalter ist durch mehrfaches verdrehen des langen Profils zum kurzen Profil über die eingeschraubte Senkschraube höhenverstellbar. Gekontert wird diese mit einer der Feststellmuttern. Die andere Feststellmutter dient dazu, das horinzontale lange Aluprofil, welches in der Länge verschiebbar und im Winkel einstellbar ist, zu arretieren.

Die Aufnahme für den Tastkopf wird stirnseitig auf das lange Profil geschraubt und mit dem gedruckten Winkel vor verdrehen gesichert. Wird ein Tastkopf in die Aufnahme gesetzt, wird dieser mit den seitlichen M3 schrauben arretiert. Es reicht hierbei, wenn die Schrauben nur mit der Hand ganz leicht festgezogen werden.

Damit das Kabel vom Tastopf im Mess- oder Testaufbau nicht störend in der Gegend herumhängt, kann dies in die Nut des langen Aluprofils gelegt werden und mit einem Schieber gesichert werden

Häufig tritt der Fall ein, dass man an mehreren Stellen auf der Platine gleichzeitig messen muss, und man hat nicht immer eine helfende Person an der Seite, die einem die Messspitzen hält, während man auf der Tastatur noch ein paar Eingaben machen muss. Hierzu sind diese kleinen verstellbaren „Ärmchen“ mit federnden Prüfstifen gedacht. Über Pinheader kann dort die entsprechende Messleitung vom Multimeter oder Logic-Analyzer angeschlossen werden.

Haupsächlich bestehen die Ärmchen aus gefertigten FR4 Material. Die entsprechenden Layoutfiles stehen unten zum Download bereit. Insgesamt gibt es 3 Segmente, ein Spitzenteil, indem der Prüfstift und Pinheader eingelötet sind. Zusätzlich muss dort am Gelenk zum Mittelteil eine Mutter aufgelötet werden. Ebenfalls bedarf es noch einer aufgelöteten Mutter am Fußteil. Zuletzt wird das Ärmchen dann wie auf den Fotos mit Rändelschrauben, Unterlegscheiben und Distanzhülsen montiert.

Schon seit längerer Zeit gibt es bei chinesischen Händlern einen kleinen Logicanalyzer für weniger als 10€. Dieses kleine 8-Kanal Gerät ist erstaunlich gut für den geringen Preis und ist für einfachere debugging-Zwecke mehr als ausreichend. Gerade hier ist der Bestückungrahmen auch sehr hilfreich, da die mitgelieferten Probes sehr leicht vom Pinheader oder IC's abspringen können, wenn man am Kabel nur minimal wackelt. Wenn man einen stabilen Aufbau haben möchte, empfielt sich dieser Halter. Auch dieser Halter ist nur mit einer Rändelschraube fixiert und wurde nur gegen Verdrehen gesichert.

Wo eine Platine ist, ist oft ein Mikrocontroller auch nicht weit. Für diese benötigt man natürlich immer einen Programmer. Am gängigsten sind die AVR-Microcontroller von Atmel. Deshalb gibt es für den dazu passenden Programmer (avr isp mkii) ebenfalls einen Halter. Der Programmer kann hier einfach eingeclipst werden. Ebenfalls gibt es hier nur eine Rändelschraube und kann gegen Verdrehen (wie oben beschrieben) gesichert werden.

Da sich häufig mehrere USB-Komponenten (LA, Programmer, etc.) am Rahmen befinden können, liegt es nahe, auch gleich noch einen USB Hub dort mit unterbringen zu können. Dafür dient dieser kleine Halter. Es gibt sicher 1000x verschiedene Typen von Hubs, zu denen hier leider nicht alle Halter bereitgestellt werden können. Deshalb soll dieser hier auch nur als Anregung dienen, und jeder „Nachbauer“ kann sich diesen vielleicht an seine Bedürfnisse anpassen. Sollte der HUB locker sitzen, kann er mit zwei kleinen M3x6mm Zylinderschrauben, die mit der Hand angezogen werden, gegen herausfallen gesichert werden. Die Befestigung am Rahmen ist wie bei bei vielen anderen Teilen mit nur einer Rändelschraube und Verdrehsicherung ausgeführt.

Auch ein USB-Seriell-Wandler ist bei der Entwicklung von Software auf einem Mikrocontroller schwer verzichtbar. Auch hier gibt es natürlich sämtliche Varianten und Wandler-IC's. Deshalb kann hier auch nicht DER Halter vorgestellt werden. Dieser hier ist für einen aus chinesische Produktion stammenden CH340 Wandler und dient nur als Beispiel. Wer natürlich so ein Platinchen besitzt hat Glück, ansonsten ist es ja auch nicht schwer, schnell einen eigenen Halter im CAD zu bauen.

Eine Schaltung muss zum Testen immer irgendwie mit Strom aus einem Labornetzteil versorgt werden. Hierzu ist es sinnvoll, wenn man die Laborstrippen einfach am Rahmen anstecken kann. Dieser Halter erlaubt die Aufnahme von 2 Laborbuchsen mit einem kleinen Kabelende, was man beliebig, passend zu der zu prüfenden Platine, konfektionieren (Aderendhülse, direkt verlötet, Kabelschuh etc) kann.

Wir wünschen euch viel Spaß beim Bau eures eigenen Bestückungsrahmens. Solltet Ihr fragen haben, so könnt Ihr uns gerne Kontaktieren oder in der ags vorbei kommen. Wer sich den Rahmen nachbauen möchte, ist natürlich frei in den Anpassungen an seine Bedürfnisse. Natürlich würden wir uns auch freuen, wenn wir eure Anpassungen auch hier in diesem Artikel veröffentlichen könnten.
Als Vorlage gibt es hier ein CAD zum Download:

Download STEP File