Warum es am besten ist, Ihren Mehrzweck-Controller auf zwei PCBs zu verteilen

Ich dachte immer, wenn man erfolgreich sein möchte, muss man dem Erfolg anderer nacheifern und Fehler vermeiden. Als ich meine Karriere begann, gab es keine Einplatinencomputer wie Raspberry Pi und niemand zog Arduino ernsthaft für industrielle Anwendungen in Betracht. Sie können sich vorstellen, wie schwierig es war, als ich das erste Mal die Wartung für einen von mir entworfenen Mehrzweck-Controller vornahm. Es war ein Brandmelde-Controller, an den über 50 Leitungen manuell angeschraubt waren. Ichmussteeinfehlerhaftes 8-Pin-EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) austauschen.Der Kunde war unzufrieden, und so stand ich unter dem Druck, den Job schnell und ohne Fehler erledigen zu müssen. Ab diesem Zeitpunkt begann ich damit, Designs für Mehrzweck-Controller in physisch separate Module aufzuteilen. Ebenso erleben Sie heute, wie der Raspberry Pi in industriellen Anwendungen Einzug hält. Das liegt nicht allein an seinen Kosten, sondern auch an seiner modularen Bauweise.

Was ist ein Mehrzweck-Controller?

Da die Kosten für Bauteile und Arbeitszeit in der Elektronikbranche weiter steigen, scheint es eine logische Schlussfolgerung zu sein, einen minimalen Design-Footprint zu verwenden. Wenn es allerdings um die Entwicklung von Mehrzweck-Controllern geht, ist dies vielleicht langfristig gesehen nicht unbedingt die beste Wahl.

Im Gegensatz zur Unterhaltungselektronik, wie Smartphones und Fernseher, wird ein Mehrzweck-Controller mit allgemeinen Spezifikationen entwickelt und häufig in geringerem Umfang verwendet. Derselbe Controller kann mit anderer Firmware unterschiedliche Funktionen besitzen. Zum Beispiel können sie als Controller für Bezahlautomaten, Controller im Sicherheitsmanagement oder als einfache Datenüberwachungsstation verwendet werden.

Ein typischer Mehrzweck-Controller besteht aus:

• einem Mikrocontroller (MCU)
• Speicherchips, wie z. B. SRAM, FRAM, Flash, EEPROM
• Peripherieschnittstellen (Ethernet, USB, RS-485)
• Eingängen (Analog, Digital, Optokoppler)
• Ausgängen (Relais, Digital)
• Power-Management-Schaltungen
• Wire-to-Board-Steckverbindern

In der Praxis enden Kabel von externen Sensoren, Schaltern und Anlagen auf dem PCB des Mehrzweck-Controllers bzw. an dessen Steckverbindern. Der Mehrweck-Controller wird dann in ein Industriegehäuse eingebaut oder an einem Terminal-Rack angebracht, wo er in regelmäßigen Abständen gewartet wird.

^{In bestimmten Branchen sind Ausfallzeiten gleichbedeutend mit Einnahmeverlusten und verärgerten Kunden.}
 

Warum Sie für Ihren Mehrzweck-Controller ein modulares Design wählen sollten

Aus der Design-to-Cost-Perspektive betrachtet, ist es sinnvoll, einen Mehrzweck-Controller auf einem einzigen PCB zu entwickeln. Wenn man jedoch die Anwendungen bedenkt, in denen die Mehrzweck-Controller eingesetzt werden, könnte ein kostensparendes Design im Endeffekt den Support und etwaige Upgrademaßnahmen verteuern. Besser ist ein modulares Design mit mehreren PCBs, da Mehrzweck-Controller in Anwendungen eingesetzt werden, die rauen elektrischen Umgebungen ausgesetzt sind. Ihre Anforderungen entwickeln sich im Laufe der Zeit weiter, sodass sie aufgerüstet werden müssen. Somit ist es in einigen dieser Anwendungen entscheidend, die Ausfallzeiten so gering wie möglich zu halten.

Ein gut entwickelter, modularer Mehrzweck-Controller ermöglicht seinen Anwendern das Entfernen kritischer Bauteile, ohne dass die gesamte Einheit aus dem Gehäuse ausgebaut werden muss oder alle angeschlossenen Kabel zeitaufwändig entfernt werden müssen. Der Austausch kann erfolgen, indem nur das fehlerhafte Modul entfernt und ein neues eingesetzt wird.

^{Ein typisches MCU-Modul in einem Mehrzweck-Controller}

Optimale Vorgehensweisen für das Design modularer Mehrzweck-Controller

Durch das Aufteilen Ihres Mehrzweck-Controllers in zwei oder mehrere Module lassen sich Reparaturen oder Aufrüstungen komfortabler ausführen. Falls Sie es jedoch versäumen, die Bauteile korrekt auf die entsprechenden Module zu verteilen, wird Ihre Mühe vergeblich sein. Es gibt keine Standardmethode für das Design modularer Mehrzweck-Controller. Die folgende Aufstellung enthält jedoch einige Prinzipien, die mir bis heute geholfen haben.

In meinen Designs teile ich meinen Mehrzweck-Controller auf zwei Module auf, nämlich das I/O-Modul und das Mikrocontroller-Modul. Das I/O-Modul wird schlussendlich mit einem Gehäuse verschraubt, während das Mikrocontroller-Modul problemlos an das I/O-Modul angesteckt werden kann. 

Passive Bauteile, die robust sind und einen langen Lebenszyklus besitzen, werden auf dem I/O-Modul montiert. Dies umfasst Power-Management-Schaltungen, Wire-to-Board-Steckverbinder, Kommunikations-ICs, Optokoppler und Relais. Das Mikrocontroller-Modul dagegen beinhaltet die intelligenteren Bauteile wie den Mikrocontroller, Speicherchips, Ethernet-Schaltungen sowie Bluetooth- oder WLAN-Module.

Aus meiner Erfahrung als Design-Ingenieur kann ich sagen, dass aktive Bauteile wie der Mikrocontroller und Speicherchips, generell eine höhere Ausfallrate aufweisen als beispielsweise Spannungsregler oder Relais. Aus diesem Grund war das Trennen von aktiven und passiven Bauteilen sinnvoll. Wenn ein Bauteil eine hohe Ausfallrate aufweist, wird es auf dem leicht abnehmbaren Mikrocontroller-Modul platziert.

Neben dem Aufteilen der Bauteile auf verschiedene Module werden Sie mit richtig positionierten Board-to-Board-Steckverbindern auch die Verbindung zwischen den Modulen gewährleisten wollen. Da das Mikrocontroller-Modul im Hinblick auf die Stromversorgung auf das I/O-Modul angewiesen ist, müssen die Inter-Board-Steckverbinder über ausreichend Versorgungsspannungs‑ und Massepins verfügen.

Unter dem Strich ist es bei der Entwicklung von Mehrzweck-Controllern nicht damit getan, die kurzfristigen Herstellungskosten am höchsten zu bewerten. Um wirklich effektiv zu sein, müssen Sie das langfristige Markenimage und einen einfachen Support bedenken. Bei der Entwicklung modularer Mehrzweck-Controller können Sie sich ausschließlich auf das Erstellen hervorragender Designs und ausgezeichneter Firmware-Erweiterungen konzentrieren. Das Support-Team wird dann in der Lage sein, defekte Module mit einem Minimum an Unannehmlichkeiten und Ausfallzeiten zu ersetzen.

Wenn Sie damit beginnen möchten, Ihre Mehrzweck-Controller in Module aufzuteilen, brauchen Sie die beste PCB-Software. Die Fähigkeit von Altium Designer, verschiedene Schaltplanblöcke zu verwalten und die Netze auf Ihrem PCB zu synchronisieren, wird für Sie von großem Nutzen sein.

Haben Sie eine Frage zu Mehrzweck-Controllern? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.