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    Erfahrungen mit Reference Designs: Zeitgewinn hoch 3

    Andrija Stojkovic
    |  May 17, 2019

    Vor einiger Zeit arbeitete ich an meiner Masterarbeit. Ich durfte an einem neuartigen Fahrzeugsteuergerät (ECU) für einen namhaften deutschen Elektrofahrzeug-Hersteller tüfteln. In erster Linie galt es mit einem Proof of Concept die Umsetzbarkeit verschiedener Anforderungen aufzuzeigen. Neben Aspekten der funktionalen Sicherheit, die zu beachten waren, musste man Automotive Ethernet 100Base-T1 als neue Schnittstelle einführen. Der Videostream einer Kamera wurde auf dieser damals neu definierten physikalischen Schicht übertragen. Auf Basis der System Engineering Standards wurden Konzepte entwickelt und bewertet.

    Die Zeit schritt, wie immer, zu schnell voran, so dass letztlich die technische Lösung unter grossem Zeitdruck realisiert werden musste. Sehr schnell wurde allen Stakeholdern klar, dass ein vollständiges Design mit dem dazu nötigen ARM System on Chip (SoC) in dieser Zeitspanne nicht möglich war. Also entschied ich mich für eine SoC Lösung mit einem System on Module (SoM). Auf dem Modul sind alle wesentlichen Elemente wie Speicher und Power Supply für den ARM-Prozessor integriert. Der Vorteil ist, dass man sich nicht um den komplexen SoC kümmern muss. Man kann sich ganz seiner Anwendung widmen. In meinem Fall, um hier nur einen Aspekt in den Vordergrund zu stellen, hiess das, Automotive Ethernet zur Verfügung zu stellen. Da die Module auf ein Carrier Board gesteckt und davon mechanisch getragen werden, musste also ein solches entwickelt werden. Die Komplexität wird damit sehr stark reduziert, von einer möglichen 12- bis 16-lagigen Leiterplatte mit Microvia-Technologie auf einfacheres 6-lagiges Carrier Board. Und mit der Reduktion der Komplexität geht auch eine grosse Zeitersparnis einher, was entscheidend ist.

    Also machte ich mich an die Entwicklung des Carrier Boards. Ich studierte die Datenblätter des Moduls und versuchte, einen Zeitplan zu erstellen, der das Schema, das PCB Layout und die Inbetriebnahme des Carrier Boards umfasste. Der Zeitplan machte mir schnell klar, dass die Entwicklung bis zur Abgabe der Masterarbeit schwer zu realisieren sein würde. Trotzdem ging ich voller Zuversicht ans Werk und erstellte erstmal ein neues Altium-Projekt. Und dann stand ich vor einer leeren weissen Wand und mir wurde sehr, sehr unwohl. Es galt immerhin, ein Schema und dazu eine vollständige Bauteilbibliothek, ein komplettes Layout, selbständig und in kürzester Zeit zu entwickeln. Ich sah nur noch schwarz.

    «Fortes fortuna adiuvat»

    «Den Mutigen hilft das Glück» bedeutet dieses alte lateinische Sprichwort, an das ich mich einige Zeit später erinnerte. Als ich nämlich die Toradex Reference Designs entdeckte! Hier konnte ich das komplette Referenzdesign eines Carrier Boards einfach als fertiges Altium-Projekt herunterladen. Damit war im Nu meine Bauteilbibliothek gefüllt, sogar mit 3D-Daten, so dass ich direkt mit dem Schema beginnen konnte. Eine sehr positive Überraschung - und ein enormer Zeitgewinn.

    Abbildung 1 Preview Apalis Evaluation Carrier Board auf Produkt-Homepage

    Was heisst, «mit dem Schema beginnen»? Ich hatte ein komplettes Schema eines fertigen Produkts vor mir, das in hohen Stückzahlen produziert wird. Das heisst, ich musste nur die Änderungen für das aktuelle Design vornehmen. In meinem konkreten Fall nur den neuen Automotive Ethernet PHY und den dazugehörigen Stecker hinzufügen. Alle anderen Komponenten, die nicht gebraucht wurden, konnte ich einfach löschen. Die Footprints der neuen Bauteile und die Fertigstellung des Schemas waren in wenigen Tagen erledigt! Ein weiterer sehr grosser Zeitgewinn.

    Das Design der Leiterplatte konnte ich als nächsten Schritt nicht in Angriff nehmen. Der Fokus lag auf dem Proof of Concept und dafür ist das Design einer eigenen PCB nicht notwendig. Ich bestellte mir das ursprüngliche Carrier Board direkt bei Toradex. Mit dem kompletten Altium-Projekt in Händen hätte ich es auch irgendwo anders produzieren lassen können. Mit der Erarbeitung des Proof of Concepts verlagerte sich der Fokus der Arbeit auf die Software, wo es in der Embedded Linux Umgebung unter anderem galt, den Video Stream mit Gstreamer anzuzeigen - was viel einfacher klingt als es tatsächlich ist. Die Funktionalität konnte mit dem Aufbau gezeigt werden. So dass am Ende noch genügend Zeit blieb, um eine sehr gute Dokumentation zu schreiben.

     

    Abbildung 2 Beispiel eines Six Layer PCB Stack-Up Carrier Boards aus dem Layout Design Guide Dokument

    Heute, ein paar Jahre älter und um einige Erfahrung als Hardware-Entwicklungsingenieur bei Toradax reicher, schätze ich die Referenzdesigns umso mehr. Hier in Luzern am wunderschönen Vierwaldstättersee versuchen wir als Hardware-Team, diese Referenzdesigns in der besten und für alle Entwickler nützlichsten Weise zur Verfügung zu stellen. Was für Studenten und Maker gilt, gilt umso mehr für Ingenieure in kleinen und mittleren Unternehmen, die täglich mit unrealistischen Zeitvorgaben von Ihren Managern konfrontiert werden. Das kennen bestimmt alle Entwickler aus eigener Erfahrung. Es kommt auch vor, dass Entwicklungsingenieure unsere Referenzdesigns herunterladen, die gar nichts mit Toradex zu tun haben, aber sie als einen sehr günstigen Startpunkt für ihre Entwicklung betrachten. Umso mehr freut es mich und mein Team, einen Beitrag zur Open-Source Hardware zu leisten.

    Wenn die gewünschten Bauteile bereits in der richtigen Bibliothek vorhanden sind, spart dies einfach sehr viel Zeit. Der mühsame Schritt, von IC-Herstellern die Daten von anderen ECAD Tools zu bekommen und alles von Anfang in Altium zu implementieren, erübrigt sich. Bei vielen Produkten ist die Time to Market entscheidend. Ein Delta Design bietet enorme zeitliche Vorteile. Vor allem wenn man auf einem verifizierten Design aufbauen kann. Diese Designs werden auf der Ebene der Netzliste gegenüber Herstellerreferenzen geprüft. Das Schema kann man direkt übernehmen. Das PCB muss man an die eigenen Platzverhältnisse anpassen, aber man kann sich am Referenzdesign orientieren. Durch den Zeitgewinn in der Designphase können sehr schnell Prototypen generiert werden, und dies wiederum erlaubt schnellere HW-Iterationen. Die Bill of Material (BoM) der Referenz Carrier Boards wird von uns gewartet und ist damit aktuell, das heisst die Bauteile sind bei gängigen Distributoren verfügbar, so dass keine Schwierigkeiten bei der Produktion entstehen sollten.

    Abbildung 3 Beispiel der Platzierung von Stitching Capacitors bei Wechsel der Signal Referenz aus Design Guide-Dokument

    Aber es ist uns auch wichtig, dass man das Referenzdesign versteht. Jedes einzelne Bauteil hat hier seine Berechtigung und ist genau dort, wo es sein soll. Daher stehen ausführliche Design Guide-Dokumente zur Verfügung, wo jedes einzelne Interface erklärt wird. Ebenso werden in einem PCB Layout Design Guide die wichtigsten Tipps und Tricks aufgezeigt und mit Bildern erläutert. Die Design Guides werden von unseren erfahrenen HW Ingenieuren erarbeitet und ebenfalls kostenlos auf unserer Developer Homepage bereitgestellt. Durch diese hohe Transparenz wird die Entwicklung eines eigenen Boards wesentlich einfacher. Gleichzeitig ist auch nachvollziehbar, welche Design-Entscheidungen die Toradex-Ingenieure getroffen haben, wo Kompromisse gemacht wurden und ähnliches. Fragen und Verbesserung werden intensiv auf der Community Plattform diskutiert. Komplette Altium-Projekte bieten noch zusätzliche Vorteile. Das PCB Stackup ist vollständig einsehbar, die definierten Layout Rules können direkt übernommen werden. Was wiederum das Leben eines Ingenieures erleichtert und die eigene Anwendung in den Fokus rückt.

    Die Referenzdesigns sind reale high-volume-Produkte und das ist der grosse Unterschied zu anderen Referenzdesigns, die sich nur auf die Funktionalität eines Bauteils konzentrieren. Das PCB ist voll bepackt mit Steckern und ist nicht ein nur eine kleine Schaltung auf einer riesigen Leiterplatte. Das grösste Risiko bei einem Referenzdesign stellt meiner Meinung eine ungenügende Dokumentation dar. Eine Übernahme ist schnell erfolgt, aber die Nachvollziehbarkeit der Vorlagen nach einiger Zeit oder für andere Ingenieure ist ebenso wichtig, auch im Hinblick auf eine eventuelle Fehlerrecherche. Alles in allem bedeuten Referenzdesigns einen enormen Zeitgewinn in der Entwicklung. Das ist ein wesentlicher Punkt in der gemeinsamen Erfolgsgeschichte unserer Kunden und von Toradex. In unserer Planung sind wir bemüht, weitere branchenspezifische Carrier Board zu entwickeln und als komplettes Open Source Altium-Projekt mit der Elektronikwelt zu teilen.

    Wichtigste Punkte für ein gutes Referenzdesign, das von der Produktentwicklung bis zur Markeinführung wertvolle Zeit spart:

    • Validiertes Referenzdesign mit realer HW in hohen Stückzahlen

    • Referenzdesign auf dem neuesten technischen Stand

    • BoM auf dem neuesten Stand

    • Spezifische Design Guides für schnelle und einfache Entwicklung

    • Verständliches und einfaches Schema

    About Author

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    Andrija Stojkovic arbeitet als Entwicklungsingenieur bei der Toradex AG, einem globalem Unternehmen gegründet in der Schweiz. Toradex bietet Arm® System on Modules (SoMs) an und ist fokussiert auf die sehr leichte Handhabung von hoch zuverlässigen eingebetteten Systemen.
    Andrija Stojkovic hat einen Bachelor of Science in Elektro- und Informationstechnik mit Vertiefung Mikroelektronik der Hochschule für Technik FHNW und einen Master of Science Abschluss ebenso in Elektro- und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie. Neben internen R&D Projekten im Bereich Hardware Embedded Systems, betreut er zur Zeit eine studentische Arbeit an der Hochschule Luzern zu Industrial Internet of Things. Er schreibt gerne technische Blogs und vermittelt mit Freude Wissen weiter.

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