Tällä hetkellä markkinoilla on tarjolla hyvin suuri määrä valmiita laitteistoratkaisuja ja ohjelmistoalustoja. Kun valmiina saatavat ratkaisut eivät ole suoraan sopivia aiottuun sovellukseen, tulee usein tarvetta suunnitella asiakaskohtaisia laitteistoja ja ohjelmistoja. Tämä artikkeli kertoo mitä asioita tulee huomioida tietotekniikkaa sisältävän tuotteen teknisen ratkaisun valinnassa sekä suunnittelussa.
Juuri omaa sovellustasi varten tehty suunnittelu mahdollistaa, että voit hallita täysin tuotesuunnittelua ja immateriaalioikeuksia. Kun suunnittelet tuotteesi elektroniikan ja ohjelmiston itse tai yhdessä suunnitteluyrityksen kanssa, voit hallita tuotteesi ominaisuuksia melko vapaasti.
Jos haluat suunnitella täsmälleen tietyn kokoisen tuotteen ja kun sen pitää näyttää juuri sellaiselta kuin haluat, täytyy tätä varten suunnitella juuri kyseitä tarkoitusta varten räätälöity tuote. Esimerkiksi useasta osasta koostuvan laajan tuotteen modernisoinnissa tarvitaan usein uuteen teknologiaan perustuvia laitteiston osia, jotka sopivat vanhan osan paikalle niin mekaanisesti kuin toiminnallisesti. Usein sovelluskohtaisia liittimiä ja rajapintoja voidaan helposti tukea vain asiakaskohtaisesti suunnitellulla laitteistoilla.
Kun tuotteen pitää toimia luotettavasti vaativissa käyttöolosuhteissa, tarkoittaa se, että elektroniikkalaitteen kotelointi ja elektroniikkaa pitää suunnitella juuri tämän sovelluksen vaatimusten mukaisesti. Vaativat käyttöympäristön olosuhteet voivat tarkoittaa esimerkiksi laajaa käyttölämpötila-aluetta, kovia ympäristöolosuhteita tai vankkaa fyysistä turvallisuutta.
Energiatehokkuus ja valmistushinta ovat hyviä syitä harkita asiakaskohtaisen laitteiston suunnittelua. Valitsemalla juuri oikeat komponentit, on mahdollista optimoida energiankulutusta ja laskea tuotteen valmistuksen hintaa. Kun valitset sovellukseen parhaiten sopivan prosessorin, sen sijaan että käyttäisit tehokkaampaa yleiskäyttöistä prosessoria, voit säästää energiankulutuksessa ja valmistuskustannuksissa.
Asiakaskohtaisesti suunniteltu tuote kannattaa usein suunnitella tuotteen pitkää elinkaarta ajatellen. Tuotteen pitkällä elinkaarella tarkoitetaan, että itse laite toimii luotettavasti pitkään sekä mahdollisuutta valmistaa tuotetta pitkän aikaa.
Räätälöidyn laitteiston suunnittelu
Asiakasta varten alusta asti suunnitellun tai räätälöidyn sulautetun laitteiston valitseminen Commercial Off-The-Shelf (COTS) -laitteiston sijaan riippuu useista tekijöistä. Mitä sinun tulisi ottaa huomioon ennen päätöksentekoa?
Suunnittelijalla on paljon valintoja tehtävänään suunnitellessaan asiakaskohtaista laitteistoa. Tällaiseen laitteistosuunnitteluun liittyy monia näkökohtia, jotka on huomioitava kehitysprosessin varhaisessa vaiheessa. Käytettävän prosessorin ja käyttöjärjestelmän valinta ovat merkittäviä päätöksiä, jotka liittyvät usein toisiinsa.
Usein ensimmäinen merkittävä valinta on, tuleeko laite pohjautumaan mikro-ohjaimeen (MCU) vai sovellusprosessoriin (CPU). On myös sovelluksia, joissa laitteessa käytetään kumpaakin siten, että MCU hoitaa reaaliaikaisia tehtäviä ja CPU huolehtii korkeamman tason toiminnallisuuksista, kuten verkkoviestinnästä ja käyttöliittymästä.
Laitteessa käytettävään käyttöjärjestelmän valinta on tehtävä heti seuraavaksi. Tyypillisiä valintoja käyttöjärjestelmäksi ovat Linux ja useat eri reaaliaikaiset käyttöjärjestelmät (RTOS). Linux käyttöjärjestelmä vaati toimiakseen tyypillisesti sovellusprosessorin, joka tarjoaa muistisuojauksen ja vähintään useita megatavuja RAM-muistia. Pientä reaalikaista käyttöjärjestelmää voidaan usein ajaa edullisella mikro-ohjaimella, jossa on vain muutama sata kilotavua muistia.
Liiketoiminnan näkökulmasta on tärkeää määrittää heti alussa valmistuksen kustannustavoite, arvioitu tuotantomäärä ja kuinka pitkään tuotetta halutaan valmistaa. Tuotteen suunniteltu elinkaari, tuotantomäärät, toimitusketjun vaatimukset sekä sääntelyvaatimukset tulee ottaa huomioon tuotteen suunnitteluvaiheessa. Räätälöidyt laitteistot ovat usein parhaimmillaan sovelluksissa, joissa alhaiset tuotantokustannukset massatuotannossa ovat tärkeämpiä kuin mahdollisimman alhaiset alkukehityskustannukset.
Räätälöity laitteistosuunnittelu, erityisesti täysin uusille tuotteille, alkaa usein nopealla prototyyppien valmistuksella. Nopea prototyyppien valmistus on avaintekijä sulautettujen järjestelmien nykyaikaisessa täysin uusien tuotteiden innovoinnissa. Jos suunniteltava uusi tuote on olemassa olevan tuotteen seuraaja tai korvaaja, kannattaa miettiä miltä osin suunnittelun uudelleenkäyttö aiemmasta tuotteesta on järkevää.
Nykyään uuden elektroniikkatuotteen prototyypin rakentaminen on helpompaa ja nopeampaa kuin koskaan. On olemassa monia "maker"-tuotteita ja arviointikortteja, joiden avulla on mahdollista rakentaa laitteistoprototyyppejä helposti. Laitteistoprototyyppi on usein monilta osin toimiva laite, mutta se ei ole markkinavalmis tuote. Nopeasti kokoonpannut toimivat prototyypit ovat hyvä pohja varmistaa, että tuoteidea on teknisesti toimiva, mutta toimivasta prototyypistä on vielä pitkä matka markkinakelpoiseen tuotteeseen.
Erilaisia räätälöintitasoja
Valinta täysin valmiin laitteistoalustan tai täysin tiettyä sovellusta varten suunnitellun laitteiston välillä ei ole mustavalkoinen elektroniikkatuotetta suunniteltaessa. Myytävän tuotteen toteuttamisessa on mahdollista käyttää tarpeen mukaan erilaisia räätälöintitasoja.
Laitteistopuolella vähiten räätälöity vaihtoehto on käyttää pöytätietokonetta, kannettavaa tietokonetta tai teollisuustietokonetta ohjelmistosovelluksen ajamiseen.
Kun valmiina saatavaa laitteistoa ei voida saada toimimaan suoraan tuotteen muiden osien kanssa, vaaditaan jonkin verran räätälöityä laitteistosuunnittelua. Tilanteita, jotka vaativat mukautettua laitteistoa, ovat ne, joissa mekaanisia tai elektronisia vaatimuksia ei voida täyttää erillisillä valmiina saatavilla laitteistoilla.
Korttitietokoneet (SBC) sopivat hyvin sulautettuihin järjestelmiin, joissa tila, virrankulutus ja luotettavuus ovat kriittisiä näkökohtia. Sovelluskohtaisesti suunnitellun kotelon sisään asennetut korttitietokoneet sopivat useisiin sovelluksiin, kuten teollisuusautomaatioon, autojen ohjausjärjestelmiin, lääketieteellisiin laitteisiin ja IoT -laitteisiin.
Seuraava enemmän suunnitteluvapauksia tarjoava ratkaisu korttitietokoneen jälkeen on Computer-on-Modules (CoM) -käyttö. COM:t ovat pieniä piirilevyjä, jotka kytketään asiakaskohtaisesti suunnitellun piirilevyn standardoituihin liittimiin. COM-lähestymistavan avulla on mahdollista suunnitella markkinoille kustannustehokkaasti innovatiivisia ratkaisuja lyhyessä ajassa. COM-moduulien kanssa kehitys ja testaus alkaa tyypillisesti moduulitoimittajalta saatavalla testausalustalla, jonka jälkeen suunnitellaan asiakaskohtainen alustakortti sovelluskohtaisilla piiriosilla.
Kun halutaan eroon tietokonemoduulin ja pohjalevyn välisistä liittimistä, voidaan käyttää tietokonemoduuleita, jotka voidaan juottaa suoraan piirilevyyn.
Täysin räätälöidyssä suunnittelussa laite on suunniteltu alusta alkaen tiettyä erityistä sovellusta varten. Räätälöidyn laitteiston avulla elektroniikka voidaan mitoittaa ja muotoilla vastaamaan täysin asiakkaan erikoissovelluksen mekaanisia vaatimuksia. Kun suuret myyntimäärät tasapainottavat suunnittelukustannuksia (NRE), räätälöidyn laitteistotuotteen kokonaiskustannukset voivat olla paljon pienemmät kuin valmismoduuleiden avulla suunnitellussa tuotteessa.
Räätälöidyn ratkaisun tekemiseen tarvittava suunnittelutyö riippuu räätälöinnin tasosta ja kokemuksesta niiden suunnittelussa. Räätälöidyn alustalevyn suunnittelu on vähemmän monimutkaista kuin täysin mukautetun tuotteen suunnittelu.
Tuotekehitys ideasta tuotteeksi perinteistä täysin räätälöityä suunnittelureittiä käyttäen kestää yleensä 8–12 kuukautta ideasta käyttöönottoon. Nopeutettu kehitys, jossa tuote käyttää laskentamoduuleja, kestää tyypillisesti 4–8 kuukautta räätälöintitasosta riippuen.
Ennalta sertifioitujen RF-moduulien käyttö helpottaa radiotaajuuteen liittyvien sertifikaattien hankkimista laitteelle. Testattujen ja tunnetusti hyvien laitteistosuunnitelmien käyttö nopeuttaa suunnittelua ja lisää lopputuotteiden luotettavuutta.
Testatut ja tiedossa olevat hyvät laitteistosuunnitelmat voivat tulla Convergensin suunnittelutiedoista, komponenttivalmistajan sovellushuomautuksista tai aiemmista tuote- tai komponenttivalmistajan sovellusesimerkeistä. Tunnettujen ohjelmistomoduulien (käyttöjärjestelmä, ajurit, kirjastot) uudelleenkäyttö tekee ohjelmistokehityksestä helpompaa ja nopeampaa.
CVG Convergens
CVG Convergens tarjoaa palveluita sulautettujen järjestelmien kehittämiseen liiketoimintatason analyysistä toteutettuun ja markkinoille saatettuun tuotteeseen ja toteutuneeseen lisäarvoon asti. Meillä on vankka kokemus sekä ohjelmistosuunnittelusta- että fyysisten laitteistoratkaisujen suunnittelusta. CVG Convergens tarjoaa laajan valikoiman palveluita tuotteen elinkaaren aikana, mukaan lukien konseptointi, suunnittelu, vaatimustenmukaisuus ja sertifioinnit, NPI, valmistus ja ylläpito.
CVG Convergensilla on lähes 30 vuoden kokemus sulautettujen järjestelmiä sisältävien elektroniikkatuotteiden suunnitteluista. Olemme kehittäneet yli 500 erilaista tuotetta. Tyypillisiä kehittämiämme tuotteita ovat yksilevyiset tietokoneet, laskenta-/ohjausmoduulit, IoT-anturit ja toimilaitteet, viestintäyhdyskäytävät, käyttöliittymälaitteet, kannettavat kämmenlaitteet ja niihin liittyvät ohjelmistot.
Tämä artikkeli perustuu Tomi Engdahlin esitykseen “Custom vs off-the-shelf – perspectives for 2025” Embedded Conference Finland 2024 -tapahtumassa.