Entwicklung elektronischer Baugruppen und Geräte
Das Unternehmensziel der Metec electronic GmbH ist die Entwicklung und Fertigung von Elektronikbaugruppen und Geräten.
Neben reinen Auftragsentwicklungen bieten wir Entwicklungen aufbauend auf unsere Produkte an, wodurch teilweise erhebliche Entwicklungskosten und -zeit eingespart werden können.
In den Bereichen mobile und stationäre Betriebsdatenerfassung, Chipkartentechnik, Videoechtzeitbearbeitung, digitale Bilderfassung und -bearbeitung und Messtechnik sind eigene Geräte sowie Baugruppen vorhanden.
Auftragsentwicklung
In der folgenden Beschreibung wollen wir einen kurzen Einblick in die einzelnen Stationen und den Ablauf einer Auftragsentwicklung geben.
Lastenheft
Der Anfang jeder Auftragsentwicklung ist das Lastenenheft. Das Lastenheft wird vom Auftraggeber erstellt und beschreibt alle wichtigen Eigenschaften des Produktes.
Eingangssignale / Ereignisse, Ausgangssignale / Aktionen und Datenformate werden unter Einhaltung eventueller Normen, Zeitverhalten etc. spezifiziert. Weiterhin müssen Bedienungsabläufe, Anzeigen, mechanische Eigenschaften und so weiter möglichst genau beschrieben sein.
Natürlich unterstützen wir unsere Kunden bei der Erstellung des Lastenheftes. Ein gutes und präzises Lastenheft ist die Voraussetzung für eine möglichst schnelle und preisgünstige Entwicklung.
Projektierung
Nach der Fertigstellung des Lastenheftes beginnt die Projektierungsphase. Unser Entwickler zerlegt das gesamte Projekt in einzelne Funktionsgruppen. Für die einzelnen Funktionsgruppen werden die Anforderungen ermittelt und geeignete Bauelemente und Schaltungsvarianten bestimmt. Sind für alle Funktionsgruppen Lösungen gefunden, kann die Entwicklungszeit und der zu erwartende Baugruppen/ Gerätepreis ermittelt und ein entsprechendes Angebot erstellt werden.
Leiterplatten (PCB) Design
Schaltung entwerfen
Nach der Auftragserteilung und Projektierung folgt der Schaltungsentwurf. Für die einzelnen
Funktionsgruppen werden die Schaltpläne gezeichnet und wieder zum Gesamtprojekt verknüpft.
Der Schaltplan ist die Ausgangsbasis für alle weiteren Entwicklungsschritte.
Zum Schaltungs- und Leiterplatten- entwurf setzen wir das PCB-Design-System Altium Designer
ein.
Layout erstellen
Mit den Daten aus dem Schaltplan werden die Gehäusemodelle der Bauteile gewählt und Verbindungslisten (Netze) für die einzelnen Anschlüsse (Pins) erstellt. Nachdem die Umrisse für die zukünftige Leiterplatte erstellt sind, plaziert der Boarddesigner (Layouter) die Bauelemente bestmöglich auf dem Layout.
Das Verlegen der Leiterbahnen zwischen den Bauelementen erfolgt soweit möglich automatisch (Autorouter). Vom Boarddesigner wird das Ergebnis des Autorouters geprüft und optimiert, um ein optimales Timing und Strahlungsverhalten der Leiterplatte (wichtig für eine spätere “CE”-Messung) zur erhalten.
Prototyp aufbauen
Zur Herstellung der Leiterplatte werden aus dem Layout Fertigungsdaten (Gerberfiles) erstellt und als Vorlage an den Leiterplattenhersteller versandt.
Mit den jetzt zur Verfügung stehenden Leiterplatten werden Prototypen aufgebaut. Der Entwickler nimmt den Prototyp Stück für Stück in Betrieb, und prüft ob sich die Schaltung der Vorgabe entsprechend verhält. Für eventuell folgende Firmwaretests und Entwicklungen sind Prüfsteckverbinder auf den Prototypen vorgesehen.
Oben: Baugruppe mit Sockel für Emulator und Ersatzschaltung für nicht rechtzeitig lieferbare Halbleiter. Unten: Serienbaugruppe.
FPGA / PLD Design
Elektronische Baugruppen werden immer leistungsfähiger und kleiner. Immer mehr Funktionen werden in hochintegrierten Bausteinen zusammengefasst und benötigen immer weniger Leiterplattenfläche. Um die vielen Pins auf kleinstem Raum anschliessen zu können, müssen auch die Strukturen auf den Leiterplatten entsprechend kleiner werden.
Nur für individuelle Funktionen einer Baugruppe stehen keine hochintegrierten Bausteine zur Verfügung. Diese Lücke wird von der Gruppe der PLD/EPLD und FPGA Bausteine geschlossen. Ähnlich wie beim Mikroprozessor wird die Funktion erst in den Baustein programmiert.
Neben Standart PAL- und GAL- Bausteinen für kleine Aufgaben, setzen wir für komplexe Aufgabenstellungen FPGA-Bausteine von Xilinx ein.
FPGA Design
Ähnlich wie bei der Leiterplatte muss auch für den FPGA-Baustein eine Schaltung entwickelt werden. Die gewünschten Funktionen werden aus Grundelementen der Digitaltechnik im Schaltplan oder per VHDL (Digitale Programmiersprache) zusammengefasst.
In neueren FPGA’s können einige tausend bis zu einigen hunderttausend solcher Grundfunktionen (Gatterfunktionen) realisiert werden.
Firmware Entwicklung
Das auf einer Baugruppe fest installierte Programm wird als Firmware bezeichnet. Die Firmware befindet sich im Flashspeicher des Mikrocontrollers.
Der Einsatz von Mikrocontrollern mit Flash-Programmspeicher ermöglicht Firmwareupdates ohne Eingriff in die Baugruppe per Download.
Die Firmware-Entwicklung erfolgt in den meisten Fällen mit der Programmiersprache C, wobei zeitkritische Programmteile in Assembler geschrieben werden.
Neue Projekte werden vorzugsweise Mikrocontroller mit ARM Cortex® -M Kern umgesetzt.
Als Entwicklungsumgebung werden die Keil PK51 und Keil MDK der Firma ARM eingesetzt.
Prototyp – Entwicklungsaufbau
Versuchsaufbau
Nachdem die elektrischen Tests der Entwicklungsbaugruppe abgeschlossen sind und FPGA/PLD und Firmware in einer ersten Version vorliegen, können diese Versionen getestet werden.
Um schnell und effektiv testen zu können, werden während der Entwicklungsphase Emulatoren oder Debug-Adapter eingesetzt
Der In-Circit-Emulator wird anstelle des Mikrocontrollers eingesetzt und ermöglicht dem Entwickler einen Einblick in das Innenleben (Register) des Mikrocontrollers per PC.
Aktuelle Mikrocontroller besitzen hierfür eine spezielle Schnittstelle und ermöglichen den direkten Einblick ins Innenleben mit Hilfe eines Debug-Adapters.
