Понимание системной инженерии

В предыдущих статьях мы обсуждали важность управления требованиями в инженерных проектах и необходимость проектирования изделий с учетом технологичности производства. Важно понимать, что разработка электронного изделия включает не только задачи электронной разработки, но и целый ряд работ, охватывающих несколько дисциплин, таких как механическое проектирование, разработка прошивки и программного обеспечения, проектирование программируемой логики, моделирование, а также другие направления, включая управление проектом, маркетинг и продажи.

В этой статье мы рассмотрим различные области, задействованные в инженерном проекте, а также разные этапы разработки электронного изделия с точки зрения выполнения проекта. Сюда входят этап инициации, а также планирование, контроль хода работ, проектирование и разработка, валидация, испытания, сертификация и другие стадии.

Разработка электронных изделий: что такое системная инженерия?

Системная инженерия — это структурированный междисциплинарный подход к разработке сложных изделий, требующих координации между множеством технических и нетехнических областей. В контексте разработки электронных изделий она обеспечивает согласованную совместную работу аппаратной части, программного обеспечения, механической конструкции, прошивки, соответствия нормативным требованиям и даже бизнес-процессов. Такой подход делает акцент на четких требованиях, определенных этапах разработки, надежных стратегиях интеграции и управлении жизненным циклом, чтобы создавать надежные, технологичные в производстве и готовые к выводу на рынок изделия. Применение системной инженерии помогает командам согласовывать технические усилия с бизнес-целями и снижать риск дорогостоящих проблем на поздних стадиях.

Ниже приведен список ключевых ролей в проекте разработки изделия и их основных функций.

Управление проектом

Отвечает за планирование проекта (дорожная карта, контрольные точки), координацию задач между подразделениями, управление ресурсами и конфигурацией, отслеживание проекта и информирование руководства о ходе работ или задержках.

Управление продуктом

Это направление определяет требования к продукту и его функциональность, взаимодействует с отделами продаж и маркетинга по вопросам бенчмаркинга продукта (цена, функции, дизайн) и согласует разработку с бизнес- и маркетинговыми стратегиями. Также оно обеспечивает соответствие конечного продукта стратегическим целям.

Маркетинг и продажи

Любой продукт, предназначенный для коммерциализации, требует исследования рынка и позиционирования. Это подразделение отвечает за ценовую стратегию, каналы продаж и кампании по запуску продукта.

Аппаратная разработка

Команда аппаратной разработки определяет архитектуру системы (CPU, память, датчики, средства связи и т. д.), выбирает электронные компоненты (совместно с отделами цепочки поставок и производственными инженерами), разрабатывает схемы и топологию PCB, выполняет моделирование целостности сигналов и питания, а также поддерживает работы по валидации и сертификационным испытаниям.

Разработка программного обеспечения

В проектах разработки электронных изделий обычно присутствуют как низкоуровневая разработка ПО (включая загрузчики, низкоуровневые драйверы и т. д.), так и высокоуровневая разработка ПО (например, операционная система, приложения и скрипты). Эта работа относится к подразделению разработки ПО, хотя области встроенного ПО и высокоуровневого ПО нередко достаточно четко разделены.

Механическое/промышленное проектирование

Инженеры по механическому или промышленному проектированию разрабатывают корпус изделия, выбирают материалы и варианты отделки, анализируют совместимость с электроникой (механические помехи, размещение разъемов, кнопок и т. д.), эргономику и тепловой режим (отвод тепла от процессоров, аккумуляторов).

Качество и соответствие требованиям

Чтобы продукт мог быть выведен на рынок, он должен соответствовать обязательным стандартам и нормативам, таким как маркировка CE, правила FCC, RoHS и т. д. Кроме того, необходимо проводить климатические испытания (температура, влажность, вибрации), ударные испытания, оценки степени защиты IPx и специальные сертификации (Wi‑Fi, Bluetooth). За все эти виды деятельности, а также за контроль качества материалов, процессов и конечного продукта отвечает отдел качества и сертификации.

Производство/производственная инженерия

После того как изделие прошло все этапы проектирования и валидации, наступает время производства. За это отвечает производственное подразделение, которое занимается не только самим изготовлением, но и разработкой всех необходимых процессов для производства, сборки, тестирования и многого другого.

Цепочка поставок

Не менее важной задачей является управление цепочкой поставок, которое включает управление поставщиками и их квалификацию, закупку всех необходимых компонентов для производства, анализ рисков поставок, контроль устаревания компонентов (управление жизненным циклом), управление запасами и планирование закупок. Все эти задачи выполняет отдел цепочки поставок.

Каковы этапы проекта разработки электронного изделия?

Как мы упоминали во введении, проект разработки электронного изделия — это процесс, в котором участвуют разные направления, каждое со своими конкретными задачами. Поэтому проект делится на отдельные этапы, чтобы разбить задачи высокого уровня на более мелкие и управляемые. Затем эти более мелкие задачи выполняются различными рабочими командами, что обеспечивает своевременное завершение работ и необходимое качество.

Инженерный проект должен как минимум быть разделен на следующие этапы:

1. Определение продукта и стартовое совещание (KOM)
2. Планирование
3. Проектирование
4. Прототипирование
5. Валидация
6. Подготовка к серийному производству
7. Вывод на рынок

1. Определение продукта

На этом начальном этапе ключевые вопросы таковы: для чего предназначен продукт и какую реальную потребность он закрывает? Если на эти вопросы нет убедительных ответов, начинать проект, возможно, не имеет смысла. В противном случае после углубленного анализа (включая выявление потребностей, анализ конкурентов, необходимых ресурсов, сроков разработки и стоимости создания продукта) проводится стартовое совещание — Kick-off Meeting (KOM). На нем официально представляются проект, команда проекта, объем работ, ключевые даты (начало, завершение и промежуточные контрольные точки), оценки затрат, целевой клиент или конкретная потребность, которую закрывает продукт. Эта встреча официально знаменует запуск проекта.

Следующий и, пожалуй, самый важный шаг — это определение требований проекта. Все сформулированные требования в совокупности образуют спецификацию продукта, которая будет служить базовым документом для его разработки.

2. Планирование проекта

Планирование проекта критически важно для его выполнения, поскольку оно гарантирует, что все участники понимают сроки разработки и ключевые контрольные точки. Что еще важнее, оно выявляет зависимости между дисциплинами, особенно при интеграции аппаратной части с прошивкой или механическими компонентами. Для планирования проектов часто используются гибкие методологии или каскадная модель. Altium Develop предлагает инструмент управления задачами (аналогичный доске Kanban), который можно напрямую связать со схемами и топологиями. Это упрощает рабочий процесс и устраняет необходимость во внешних инструментах.

3. Проектирование продукта

Когда мы говорим о проектировании, речь идет не только о самой аппаратной части, но и о проектировании всех интегрированных частей или дисциплин, которые объединяются для создания продукта. Сюда входят аппаратная часть, механическая конструкция, тепловое проектирование, прошивка и программное обеспечение.

Любой процесс проектирования начинается с первоначальной концепции — схемы, представляющей общую архитектуру создаваемого продукта. Такая схема не только помогает структурировать разработку, но и позволяет разделить ее на более специализированные задачи, например «проектирование PCB-антенны для BLE-устройства» или «разработка источника питания». Когда архитектура становится понятной, команда переходит к детальному проектированию. На этом этапе создаются схемы, выбираются компоненты, выполняется моделирование, пишется код, разрабатываются PCB, проводятся тепловые расчеты, а также моделирование целостности сигналов и питания.

Если в ходе этих моделирований выявляются недостатки, процесс проектирования повторяется до тех пор, пока результаты моделирования не станут положительными.

4. Прототипирование и интеграция

Следующий шаг — создание первого прототипа, в котором участвуют все технические направления:

• PCB / PCBA (печатная плата / печатная плата в сборе)
• 3D-печать корпуса
• Релиз прошивки / программного обеспечения

Когда готова версия каждого компонента, наступает время интегрировать все части и получить первый работоспособный прототип.

5. Испытания и валидация

Когда прототип начинает функционировать и проходит первоначальную базовую проверку, команда валидации выполняет комплексный набор испытаний и оценок для подтверждения его корректной работы. Правильное определение испытаний предполагает привязку каждого теста к конкретным требованиям, чтобы для каждого требования существовал один или несколько связанных тестов для верификации и валидации. Такая валидация выходит далеко за рамки простой проверки функциональности и охватывает другие аспекты, такие как электрические испытания, тепловые оценки, тесты целостности сигналов, испытания на электромагнитную совместимость (EMC), механические нагрузки и прочность корпуса.

6. Этап подготовки к серийному производству

Если валидация прошла успешно и переработка конструкции не требуется, наступает время подготовки продукта к серийному производству, то есть превращения его в изделие, пригодное для массового выпуска. Крайне важно, чтобы требования Design for Manufacturability (DFM) были учтены еще на этапе проектирования, чтобы избежать неприятных сюрпризов, которые могут потребовать переработки изделия из-за производственных проблем. 

Кроме того, необходимо валидировать производственные процессы, используемые при изготовлении продукта. Это включает проверку их надежности на большой производственной серии. Обычно изготавливается значительная выборка из 500–1000 изделий, которая проходит комплексную валидацию, при этом анализируются результаты по каждому произведенному экземпляру и валидируется каждый процесс.

На этом этапе также получают все необходимые сертификаты (учитывая, что нормативные требования различаются в зависимости от страны или региона) и завершают заключение соглашений о поставках с поставщиками компонентов.

7. Вывод продукта на рынок

Вывод продукта на рынок — это не просто его производство и отгрузка заказчику. Успешный запуск включает ряд критически важных шагов, которые могут определить его конечный успех или неудачу, даже если сам продукт хорошо спроектирован.

Крайне важно тщательно спланировать запуск, поддерживать строгий контроль качества произведенных изделий, выстроить эффективные каналы продаж, управлять гарантийными возвратами, обеспечивать высокий уровень клиентского сервиса и технической поддержки, корректно организовать будущие обновления и учитывать экологические аспекты логистики продукта (упаковка, транспортировка и переработка).

Выводы

• Разработка электронных изделий включает множество участников

При разработке электронных изделий инженеры по аппаратной части — это лишь одна часть общей картины. В команду обычно входят как минимум инженеры-электронщики, промышленные дизайнеры, разработчики прошивки/ПО, специалисты по моделированию, производственные команды, специалисты по обеспечению качества, а также отделы продаж, логистики и планирования.

• Разработка электронных изделий требует прохождения нескольких этапов

Создание электронного изделия требует последовательного выполнения ряда шагов: от определения требований через проектирование, создание прототипов, валидационные испытания и подготовку к серийному производству — к выводу продукта на рынок.

К счастью, вы не одиноки во всем этом процессе. Узнайте, как Altium Develop может поддержать вас на протяжении всего процесса разработки продукта.