Hochintegriertes TQ-Embedded-Modul mit NXP Layerscape QorIQ LS102xA-Prozessor mit vollem Zugriff auf alle Prozessorfunktionen.

Hochintegriertes TQ-Embedded-Modul mit NXP Layerscape QorIQ LS102xA-Prozessor mit vollem Zugriff auf alle Prozessorfunktionen. (Bild: TQ-Group)

Eckdaten

Die einmal getätigten Investitionen beim Einstieg in ein modulares Embedded-Design sollen sich langfristig tragen und sich später nicht als Bumerang erweisen oder auf dem Entwicklungsweg nicht in eine Sackgasse führen. Der Artikel behandelt die Fragen: Was spielt also neben dem „nackten“ Modul noch eine Rolle? Und was kann der Anbieter über das reine Modul hinaus alles anbieten? Wie kann er den Anwender auf seinem Weg bis zum fertigen Produkt optimal unterstützen?

Embedded-Module spielen heute in vielen Bereichen der Elektronikindustrie eine entscheidende Rolle. Ein wesentlicher Grund ist der hohe Kosten- und Zeitdruck bei neuen Entwicklungen und damit die notwendige Fokussierung auf die Kernkompetenz, die Applikation. Der Prozessor-Kern ist in aller Regel eine „Common“-Technologie, die einfacher und günstiger zugekauft werden kann. Diesem Trend folgend gibt es dementsprechend auch eine Unzahl von Anbietern und Lösungen am Markt.

TQ-Starterkit / Applikationsboard für NXP i.MX6UL Prozessor / TQ-Modul TQMa6UL.

TQ-Starterkit / Applikationsboard für NXP i.MX6UL Prozessor / TQ-Modul TQMa6UL. TQ-Group

TQ-Mainboard mit Intel-Atom-E3900-Prozessor und thermischer Lösung.

TQ-Mainboard mit Intel-Atom-E3900-Prozessor und thermischer Lösung. TQ-Group

TQ-integrierte Lösung Box-PC MBox mit Intel-Atom-E3900-Prozessor.

TQ-integrierte Lösung Box-PC MBox mit Intel-Atom-E3900-Prozessor. TQ-Group

Den ersten Kontakt mit einem Modul erhält der Anwender und Entwickler in aller Regel mit einem Starterkit, Evaluation-Board oder Development-Kit, was letztendlich dasselbe ist. Das Starterkit kommt in einer Box mit mehr oder weniger Zubehör. Die spannende erste Frage ist, welche Hürden eingebaut sind, um das Starterkit in Betrieb zu nehmen. „Auspacken – Einschalten – Geht nicht“ („AEG“-Prinzip) sollte nicht vorkommen. Oft sind jedoch erst einmal Einstellungen vorzunehmen, bevor die ersten Schritte möglich sind. DIP Switches oder Jumpers bieten zwar eine hohe Flexibilität, verleiten aber oft zum Fehlstart. In diesem Fall ist eine ausführliche Beschreibung oder eine gute Hotline sehr hilfreich.

Mit dem Modul vertraut werden

Auf dem Starterkit unternimmt der Entwickler die ersten Gehversuche mit dem Embedded-Modul. Eine gute Beschreibung hilft, die ersten Tests erfolgreich durchzuführen und mit dem Modul vertraut zu werden. Dabei ist ganz entscheidend, welche Software vorhanden oder eventuell schon auf das Modul aufgespielt ist. Gibt es Beispielprogramme? Welche Betriebssysteme werden unterstützt und welche Treiber sind vorhanden? Auch hier gilt: Wie ausführlich ist die Beschreibung und welchen Zugriff gibt es auf ein Support-Team oder auf eine Hotline? Für den Entwickler ist es letztendlich entscheidend, dass er ohne Unterbrechung durch langes Warten auf seine offenen Fragen in seinem Projekt Fortschritte erzielt. Ganz entscheidend ist natürlich die Frage, welche Funktionen des Prozessors auf dem Starterkit realisiert sind und getestet werden können. Ein Vergleich zwischen dem Referenzdesign des Chip-Herstellers und dem Starterkit gibt eine erste Information, wie umfangreich und komplett der Zugriff auf den Prozessor möglich ist, was also alles getestet werden kann oder wo Versuchsaufbauten gemacht werden müssen.

Wenn dann alle benötigten Komponenten auf dem Starterkit getestet sind, die Software ausprobiert und eventuell schon angepasst wurde, beginnt die eigentliche Entwicklung des kundenspezifischen Applikationsboards. Die erste Frage ist natürlich, was von dem Starterkit alles übernommen werden kann. Gibt es dazu die entsprechenden Unterlagen und freien Zugang zu den Schaltplänen des Starterkits? Gibt es Tipps und Hinweise zur Schaltungsrealisierung in den Unterlagen? Wie viele Hardware-Funktionen müssen noch zusätzlich entwickelt werden? Kann der Modulanbieter Unterstützung bei der Entwicklung zusätzlicher Funktionen anbieten, sowohl auf der Hardware, als auch auf der Treiberseite? Was sind die Erfahrungen bei der Thematik Stromversorgung des Applikationsboards, von AC-Versorgung, DC in allen gängigen Spannungsbereichen oder sogar Batteriebetrieben?

Im Zeichen von IoT ist heute fast überall Wireless-Technologie gefordert. Welche Standards können unterstützt werden? Wie sieht es mit dem Wissen in Analogtechnik aus, es könnte ja mal ein Sensor angeschlossen werden müssen? Und was ist, wenn eine Motorsteuerung integriert werden soll? Hat der Modulanbieter hier Erfahrung und bietet Unterstützung, um den Entwicklungsweg zu ebnen und sorgenfrei zu machen? Wenn er in der Lage ist, ein komplettes und komplexes Applikationsboard-Design nach Kundenanforderungen anzubieten, sollte er über diese Fähigkeiten verfügen. Auch hier gilt: wie ist der Support und die Kundenunterstützung auf der Anbieterseite aufgestellt? Es ist in jedem Fall besser, den Schaltplan vor dem Einstieg in das Layout gemeinsam zu prüfen, um zu sehen, ob das Modul richtig eingebunden ist. Dieser Schaltplan-Review verhindert den einen oder anderen Fehlversuch bei der Umsetzung ins Layout.

Langfristige Verfügbarkeit

Eine entscheidende Forderung ist in aller Regel die langfristige Verfügbarkeit des Applikationsboards. Für das Modul sollte eine sichere, langfristige Verfügbarkeit eigentlich selbstverständlich sein. Für beide Bereiche gilt jedoch zu klären, wie die langfristige Verfügbarkeit sichergestellt wird und welche Verfahren beim Anbieter implementiert sind. Gibt es nachweisliche Records aus der Vergangenheit und ist beispielsweise Obsolescence-Management integriert.

Der nächste Schritt ist die Umsetzung der Schaltung des Applikationsboards in das Layout. Durch die Realisierung des meist komplexen Teils der Prozessorumgebung in dem Modul wird in aller Regel das Applikationsboard einfacher und mit weniger Lagen umzusetzen sein. Das ist unter anderem einer der entscheidenden Vorteile eines modularen Designs. Welche Erfahrungen hat der Anbieter in Sachen Layout und wie weit geht die Unterstützung für den Kunden? Kann der Modul-Anbieter digitale Daten für die direkte Integration in das Layout-System des Anwenders anbieten? Eine direkte digitale Übernahme von Layout-Daten beschleunigt das Layout des Applikationsboards und verhindert Übertragungsfehler von den Moduldaten in das Layout-System des Anwenders.

Eine sichere Fertigung

Oft steht der Anwender im Layout vor neuen Herausforderungen, speziell bei den heute immer schneller werdenden Schnittstellen, wie unter anderem Gigabit Ethernet, SATA 3.0, PCIe Gen 3 und so weiter. Hier sind manchmal Layout-Design-Regeln und Unterstützung hilfreich. Auch die Frage nach EMV-Sicherheit und unter Umständen die Fähigkeit, im finalen Gerät zulassungsfähig zu sein, wird immer wichtiger. Hier werden neben dem Schaltplan die wesentlichen Weichen im Layout gestellt. Hat der Modulanbieter auf diesem Gebiet Erfahrung und schon diverse Entwicklungen und Zulassungen durchgeführt? Welche Zertifizierungen hat der Anbieter und hat damit die Erfahrung, wie eine entsprechende Zertifizierung erlangt werden kann? Ein Zielmarkt für die meisten Embedded-Anbieter ist der Medizinmarkt. Kennt der Anbieter Themen wie ISO 13485, MDD oder DIN EN / IEC 60601-x und kann hier Unterstützung anbieten? Im Idealfall kann der Modul-Anbieter dem Kunden die Übernahme des Layouts des Applikationsboards anbieten, am besten natürlich optimiert für die Fertigung und den finalen Test. Im Layout werden schließlich die Weichen für eine optimierte und damit kostengünstigere und sichere Fertigung gestellt.

Es wird oft der Fall sein, dass der Anwender sein Applikationsboard entwickelt, erste Prototypen fertigt und dann Modul und kundenspezifisches Applikationsboard zusammenbringt – er schaltet ein – es rührt sich nichts. Ein gegenseitiger Vorwurf, dass natürlich jeweils das eigene Board funktioniert, ist im Allgemeinen nicht zielführend. Hier bringt nur ein gemeinsames Testen und Fehlersuche einen schnellen Erfolg. Hat der Modulanbieter die Messmittel und das Know-how, auf einem kundenspezifischen Schaltplan auf Fehlersuche zu gehen, am besten gemeinsam mit dem Anwender/Kunden? Auch hier gilt, wie auf dem ganzen Entwicklungsweg: wie sieht der Support aus und was kann der Support des Anbieters leisten? Eine enge Zusammenarbeit verlangt natürlich auf beiden Seiten Offenheit und die Bereitschaft, eng zusammen zu arbeiten.

Integration in das Endgerät

Der finale Schritt ist die Integration in das Endgerät. Bei leistungsstarken Modulen wird sich in aller Regel die Frage nach der mechanischen Integration und der optimalen thermische Einbindung stellen. Gibt es hierzu STEP Files, um eine mechanische Integration zu prüfen und gegebenenfalls zu simulieren? Kann der Modulanbieter eine thermische Simulation des Moduls liefern, um so eine sichere und schnellere thermische Integration zu unterstützen? Welche Möglichkeiten und welche Erfahrungen kann der Anbieter nachweisen, auch kundenspezifische Heat Sinks oder Heatspreader zu realisieren? Wird das Modul für besondere Umgebungsbedingungen gefordert, kann der Modul-Anbieter beispielsweise „Conformal Coating“ und den erweiterten Temperaturbereich anbieten, damit das Modul auch unter diesen Umgebungsbedingungen sicher funktioniert?

Nach der Entwicklungsphase

Nach der Entwicklungsphase sind natürlich andere Fragen relevant. Hat der Modul-Anbieter eine eigene Fertigung und kann damit unterschiedliche Mengenanforderungen des Anwenders kurzfristig umsetzen und hat damit die Produktionsqualität in eigenen Händen? Gibt es im Falle von eventuellen Problemen in der Serie eine Traceability, also die Möglichkeit den Fehler zurückzuverfolgen und abzustellen? Ganz entscheidend werden natürlich betriebswirtschaftliche Daten des Herstellers sein, schließlich möchte der Anwender lange und zuverlässig unterstützt und beliefert werden.

Ein modulares Design wirft also viele Fragen auf, bringt aber viele Vorteile, da wesentliche Hardware- und Software-Komponenten bereits vorhanden sind. Ganz entscheidend und vielleicht sogar viel wichtiger sind jedoch die Unterstützung und der Support des Modul-Anbieters, der über das reine Modul hinausgeht. Dies garantiert eine reibungslose und risikofreie Entwicklung und Integration des Moduls in das Gesamtsystem. Es lohnt sich in jedem Fall, einen genaueren Blick auf den Modulanbieter zu werfen und nicht nur den Preis des Moduls als Entscheidungskriterium für einen Anbieter zu nehmen. Support und Entwicklungsunterstützung hat meist einen deutlich höheren Gegenwert, als der Modulpreisunterschied.

TQ mit umfangreichem Design- und Fertigungsservice aus mehr als 20 Jahren Erfahrung in meist komplexen Anwendungen, bietet einen umfassenden Support bei dem Einsatz eines Moduls, vom reinen Applikationsboard bis zum fertigen Produkt, inklusive eventuell benötigter Zulassungen. „Von der Idee bis zum kompletten Produkt“ ist die TQ-Devise, also Unterstützung des Kunden auf dem gesamten Lebensweg eines Produkts, bis zur Übernahme des Life-Cycle-Managements. Sozusagen das „Rundum-Sorglos-Paket“ aus einer Hand.

Wolfgang Heinz-Fischer

International Business Development, TQ-Group

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