METODYKA PRACY KONSTRUKTORA. ETAP PIERWSZY

Zafascynowanie samym aktem tworzenia może w wielu przypadkach przysłonić skupianie uwagi na szczegółach oraz jakości wykonywanej pracy. Warto pamiętać stare porzekadło, mówiące że sukces jest złożony z małych, z pozoru nic nie znaczących elementów.

W poprzednich odcinkach cyklu został nakreślony ogólny zarys pracy konstruktora. Nadszedł czas, by poddać dokładnej analizie każdy z etapów procesu twórczego. Pamiętajmy: każdy etap jest ważny. Decyzje podjęte podczas realizacji etapu A maja wpływ na etap B. Brak właściwej chronologii postępowania prowadzi najczęściej do chaosu, a w konsekwencji do zablokowania projektu.

U czytelnika, zwłaszcza młodego stażem, może pojawić się myśl: "tak, to wszystko prawda, jednak przecież jestem amatorem, gdzie mi do zespołów projektowych i tych wszystkich wypasionych pracowni. Pewnie ze bym chciał, ale mam tylko bardzo tani miernik i oscyloskop "made in ZSRR".

Większość konstruktorów rozpoczynała swoją przygodę życia od ubogiego zaplecza technicznego. Jednak upór, determinacja, zapał do pracy zmieszany z dociekliwością, po pewnym czasie przynosiły efekty. Jeżeli czytelnik patrzy na urządzenie elektroniczne i myśli zaczynają krążyć mu nad wewnętrzna budową, jeżeli zadaje sobie pytania o zastosowane rozwiązania układowe. Jeżeli nieustannie w umyśle pojawiają się nowe pomysły, to znak ze posiada dusze wynalazcy. Odpowiednio pielęgnowany talent, wyda dorodne owoce.

Wyposażenie, tak jak doświadczenie, pojawi się z czasem. Nawet dysonując „tanim miernikiem oraz oscyloskopem made in ZSRR" można sporo osiągnąć. To co możemy zrobić już dziś by przybliżyć się do celu, to uaktywnić w sobie zamysł konstruktorski. Jeżeli na samym początku drogi aktywujemy w sobie pewien tok myślenia, wówczas znacznie łatwiej i szybciej wkroczymy na określone tory. Odpowiadając na poszczególne pytania, tworzymy mapę projektu.

ETAP PIERWSZY - KONCEPCYJNY

Analiza wykonalności

Czy projekt jest możliwy do realizacji posiadanymi środkami w wyznaczonym czasie? Czy podołamy zadaniu? Jeżeli nasza dotychczasowa działalność ograniczała się do projektów czujników czadu a zbiegiem okoliczności, otrzymamy zlecenie na sterownik dźwigu osobowego, to czy powinniśmy takie zlecenie przyjąć? Może kusić gratyfikacja finansowa, jednak bez odpowiedniej wiedzy, praktyki, wyposażenia, jesteśmy skazani na porażkę. Sama ułańska fantazja, pewność siebie oraz brawura nie wystarczą. Czy konieczne jest doposażenie pracowni w celu realizacji zadania?

Docelowa grupa użytkowników

Kim będą użytkownicy naszych rozwiązań? To dosyć istotna kwestia, ponieważ w inny sposób zaprojektujemy układ którego główną grupą odbiorców będą osoby z niepełnosprawnością wzrokową, a w inny dla użytkowników z dolnych grup wiekowych. Inaczej zaprojektujemy urządzenie dla dwudziestolatków a inaczej dla osiemdziesięciolatków. Dla pierwszej grupy zapewne ważna będzie mnogość funkcji dla drugiej prosty, przejrzysty sposób obsługi, wyraźne elementy interface.

Odrębną kwestią jest kultura techniczna docelowego użytkownika. Dobre praktyki zalecają aby urządzenie było zaprojektowane w taki sposób, by nie uległo awarii na skutek działań użytkownika. Respirator który zawiesza się gdy operator przez przypadek naciśnie na raz dwa przyciski, nie jest dobrym rozwiązaniem.

Budżet

Jakimi środkami finansowymi dysponujemy w celu realizacji projektu? O jaką kwotę możemy przekroczyć limit? Czy środki wyasygnowane na realizacje projektu maja uzasadnienie?

Kosztorys

Całościowe koszty realizacji projektu. Jaką kwotę należny wyasygnować na każdy z etapów realizacji?

Analiza biznesowa

Jakimi środkami finansowymi dysponujemy w celu realizacji projektu? O jaką kwotę możemy przekroczyć limit? Czy środki wyasygnowane na realizacje projektu maja uzasadnienie?

W projektach komercyjnych będziemy zobowiązani do uwzględnienia życzeń zleceniodawcy. Dział marketingu możne sugerować nam implementacje pewnych rozwiązań w celu podniesienia atrakcyjności wyrobu. Natomiast management nakreśli przedział kosztowy wytworzenia pojedynczego egzemplarza. Wraz z przeznaczeniem docelowym czynniki te określają zarówno technologie wykonania urządzenia, jak tez zastosowane materiały.

Rozwiązania jakie możemy zastosować podczas projektowania specjalistycznego osprzętu do celów naukowych, mogą być z powodów finansowych zupełnie nie do przyjęcia w projektach komercyjnych. Niezależnie od nacisków na redukcje kosztów, nie wolno tego robić kosztem pogorszenia bezpieczeństwa użytkownika.

Docelowe środowisko użytkowania

W jakich warunkach klimatycznych będzie pracował układ? Czy niezbędna jest izolacja od warunków środowiskowych? A jak tak to jaka? Lakier? Zalewanie? Hermetyzacja? Co z odprowadzaniem mocy strat (ciepła)? Obudowa- o jakiej klasie szczelności? W niektórych przypadkach może być wymagana podwójna obudowa zewnętrzna oraz wewnętrzna.

Należy także pamiętać ze zdecydowanym wrogiem układów elektronicznych jest wilgoć. Jeżeli układ ma pracować w nie sprzyjających warunkach środowiskowych, powinniśmy pomyśleć nie tylko o obudowie odpowiedniej klasy szczelności, ale także rozwiązać problem hermetyzacji złącz. Pamiętajmy również że nie wszystkie przewody akceptują środowisko o wysokim stopniu wilgotności. W aplikacjach zewnętrznych dobre praktyki zalecają zastosowanie kabli wodoszczelnych. Kable tego typu nie wchłaniają wilgoci, dodatkowo wiele z nich cechuje bardzo dobra tolerancja także na substancje takie jak oleje czy smary. kabel taki warto też zabezpieczyć odpowiednią osłoną.

Studium przypadku: W pewnym mieście postanowiono zmienić parkometry. Parkometry miały sprawiać wrażenie bardzo nowoczesnych. Posiadały duży dotykowy ekran. Po dosyć krótkim czasie parkometry zaczęły nagminnie ulegać awarii. Jak się okazało, układów elektronicznych, prócz obudowy z uszczelką, nie chroniły żadne inne zabezpieczenia redukujące wpływ czynników środowiskowych. W rezultacie, kilkadziesiąt maszyn musiało zostać wymienionych na prostsze lecz bardziej niezawodne modele.

Co w przypadku gdy nasz układ znajdzie zastosowanie w warunkach niskich temperatur? W jaki sposób, prócz doboru odpowiednich elementów, zapewnimy poprawną prace układu? Grzałka rezystancyjna? A może inne rozwiązanie?

W inny sposób także podejdziemy do sprawy, w przypadku urządzenia którego docelowym środowiskiem pracy będzie strefa zagrożenia wybuchem. Takim miejscem może być kopalnia. W tym przypadku koniecznością staje się lektura odpowiednich norm oraz przepisów. Z tego też względu autor nie zamierza sugerować jakichkolwiek rozwiązań. Normy tworzone są na podstawie wieloletnich obserwacji, badań oraz doświadczeń. Kierując się wytycznymi zawartymi w normach , oszczędzamy czas, środki, redukujemy także w znaczącym stopniu możliwość odpowiedzialności karnej a także utratę reputacji.

Należy pamiętać że materiał z którego wykonana zostanie płytka drukowana możne być podatny na oddziaływanie warunków środowiskowych. Nie każdy laminat nadaję się do każdej aplikacji.

Jednym z kluczowych czynników podczas doboru laminatu pod konkretną aplikacje jest absorpcja wilgoci przez dany materiał.

Kolejnym z czynników na który warto zwrócić uwagę jest temperatura. Pod wpływem temperatury laminat może utracić swoją pierwotna sztywność, a wówczas mogą wystąpić naprężenia co często skutkuję przerwaniem połączeń pomiędzy płytką a elementem. W wielu przypadkach może oznaczać to straty materialne a nawet zagrożenie życia ludzkiego. Dobre praktyki sugerują by w aplikacjach w których przewiduję się silne nagrzewanie obwodu drukowanego, stosować raczej laminaty IMS niż FR4. Warto brać pod uwagę laminaty spełniające wymogi normy UL94-V0

Ważnym parametrem przy wyborze laminatu, jest jego stała dielektryczna. W niektórych zastosowaniach takich jak układy mikrofalowe, wysoka stała dielektryczna dyskwalifikuje dany laminat. Na rysunku 1 przedstawiono zestawienie najczęściej wykorzystywanych laminatów.

Rys 1 Zestawienie najczęściej stosowanych laminatów. Klikni aby powiększyć

Funkcje realizowane przez układ

W jaki sposób mają być realizowane poszczególne zadania? Co w przypadku wystąpienia problemów z realizacji zadań? Na przykładzie projektu standardowego systemu dostępu, prześledzimy tok myślenia jakim może kierować się konstruktor.

System powinien spełniać zadania:

-odczytu kart dostępu
-weryfikacji uprawnień
-sterowania elementem wykonawczym
-interfejsu użytkownika
-komunikacji z układem nadrzędnym

-Odczyt kart - Czytnik kart stykowych czy bezprzewodowych? Jakie karty? Jaki standard? Jakie protokoły? Co ma zostać i w jak sposób zapisane na karcie? Co ma się wydarzyć w przypadku błędnego odczytu lub braku możliwości odczytu?

-Weryfikacja uprawnień - porównywanie danych zawartych na karcie, w tym kodu dostępu, z listami ACL w lokalnej bazie danych czy też weryfikacja z zewnętrzną baza ACL? Jeżeli z zewnętrzną to jakiego protokołu użyjemy do komunikacji? Co w przypadku braku możliwości walidacji danych? Jakie kroki mają zostać podjęte w przypadku stwierdzenia braku uprawnień? Sygnalizacja alarmowa, poinformowanie osób decyzyjnych, inna?

-Sterowanie elementem wykonawczym - Jakiego rodzaju elementu użyjemy? Elektromagnes, elektrorygiel, elektrozaczep? Drzwi otwierane automatycznie, inne? Jaki będzie koszt każdego z rozwiązań? Czy akceptowalny dla potencjalnego klienta?

-Interfejs użytkownika - Klawiatura numeryczna czy alfanumeryczna? Fizycznie obecna czy wyświetlana? A może brak klawiatury? Pamiętajmy, ze w wielu zastosowaniach kluczową kwestią staje się pewność zadziałania.

Studium przypadku: w pewnym mieście wprowadzono nowy typ tramwaju. Tramwaje miały sprawiać, według założeń, wrażenie supernowoczesnych. Dlatego też, pulpity sterownicze oparto nie na fizycznych elementach lecz na ekranach dotykowych. Ekrany zaczęły dosyć szybko ulegać awarii, skutecznie unieruchamiając pojazdy. Pulpity zostały w końcu wymienione na zawierające elementy fizyczne. Jednak koszty wymiany okazały się bardzo wysokie.

Należy zaznaczyć ze w pojazdach transportu zbiorowego bezpieczeństwo pasażerów jest rzeczą priorytetową. Normy dotyczące projektowania pokładowych układów elektronicznych są bardzo wymagające. Wystarczy wspomnieć o normie ISO262621. Norma ta dotyczy pojazdów pasażerskich do masy 3500 Kg. Część tej normy oznaczona jako ASIL A-D, określa newralgiczność urządzeń pokładowych, w funkcji realizowanego zadania. Rysunek 5 przedstawia taką właśnie klasyfikacje.

Czy zastosujemy wyświetlacz? Jaki? Alfanumeryczny, graficzny? A może wystarczy sygnalizacja oparta na diodach LED? To oczywiście zmniejsza koszty, lecz zarazem ogranicza funkcjonalność. Pamiętajmy że nie każdy typ wyświetlacza nadaję się do każdej aplikacji.

-Komunikacja z układem nadrzędnym - Czy niezbędna? Brak takiej komunikacji redukuje koszty, jednak stwarza szereg problemów choćby z weryfikacją czy rejestracją użytkowników. W jaki sposób realizowana? Kusić mogą rozwiązania bezprzewodowe, lecz stwarza to problemy z bezpieczeństwem dostępu. Sieci LAN stanowią dobrą alternatywę, ponadto implementacja PoE umożliwia zasilanie układu.

- Rozbudowa - Czy należy brać pod uwagę łatwą w realizacji rozbudowę układu w przyszłości? W jaki sposób będzie dokonywana? Przez samego użytkownika czy serwis?

Przy opracowywaniu układu, szczególnie układu do zastosowań komercyjnych, należy wziąć pod uwagę czynnik awaryjności. Być może jeżeli zastosujemy nieco tańsze elementy, to w produkcji masowej uzyskamy oszczędności. Jednak okres życia produktu może ulec skróceniu. W okresie gwarancyjnym mogą wystąpić liczne zgłoszenia usterek.

Pamiętajmy także, że wraz z komplikacją układu, wzrasta możliwość wystąpienia usterki. Częściowym lekarstwem może być ograniczenie liczby podzespołów. Możemy tego dokonać poprzez zastosowanie jednego specjalizowanego układu scalonego integrującego w swoim wnętrzu kilka bloków funkcjonalnych projektowanego przez nas urządzenia. W ten sposób nie tylko ograniczamy różnorodne problemy konstrukcyjne, ale również redukujemy rozmiar PCB co ma bezpośrednie przełożenie na koszt układu.

Zasilanie

Własne czy z pozostałych komponentów systemu? Jeżeli własne to bateryjno - akumulatorowe, solarne czy z sieci energetycznej? Jeżeli akumulatorowe to jakiego typu ogniw użyjemy? W jaki sposób będą ładowane? Jeżeli sieciowe, to zasilacz liniowy czy impulsowy? Wewnętrzny czy zewnętrzny? W formie odrębnego modułu czy umieszczony na płycie głównej? Nasze własne rozwiązanie czy zakup gotowego modułu? Wartości napięć? Czy konieczna jest redundancja źródeł zasilania? Jeżeli tak to w jaki sposób rozwiążemy ta kwestie? Akumulator? Druga linia zasilająca? Diesel? A co z układem przełączającym? Jakie zabezpieczenia antyprzepięciowe zastosujemy? Kwestia ochrony przed zakłóceniami w liniach zasilających jest często kwestią niedocenianą. Szczególnie niedocenianą przez młodych stażem adeptów sztuki. Niemniej zaniedbanie tej sfery często skutkuję nieprzewidzianymi zjawiskami oraz uszkodzeniami. A co ochroną użytkownika? Co przemawia na korzyść tego a nie innego rozwiązania?

Obudowa

Wykonana z jakiego materiału? Tworzywo sztuczne, metal, guma? A może rozwiązanie mieszane? Wykonana na zamówienie czy wybrana z oferty producentów? A co z dostosowaniem? Orientacyjne wymiary. Dobre praktyki sugerują wybór obudowy z uwzględnieniem zarówno docelowego środowiska pracy gotowego urządzenia, kultury technicznej użytkownika jak też ergonomii użytkowania. Logiczno-ergonomiczne rozmieszenie elementów interfejsu użytkownika ma bardzo duże znaczenie dla wygody obsługi. Błędy w wyborze obudowy mogą mieć bezpośrednie przełożenie na bezpieczeństwo użytkownika.

Czas życia

Jaki będzie przewidywalny czas życia urządzenia? Od odpowiedzi zależy nie tylko dobór odpowiednich technologi czy tez materiałów, ale również wybór producentów podzespołów.

Jeżeli projektowany układ nie musi spełniać warunków długowieczności, wówczas możemy wybrać mniej wyszukane, a co za tym idzie tańsze technologie. Każda zaoszczędzona złotówka pomnożona przez liczbę wyprodukowanych egzemplarzy, to konkretne pieniądze. Tego typu podejście doskonale sprawdza się na rynku tanich wyrobów konsumenckich. Jeżeli z badań rynku wynika ze użytkownik wymienia średnio co dwa lata urządzenie na nowe, to nie istnieje ekonomiczne uzasadnienie by okres życia urządzenia planować na dziesięć lat.

Istnieją jednak rozwiązania, w których czas życia produktu wynosi nie więcej niż kilka lat, jednak układ musi być wykonany z wykorzystaniem najwyższej jakości komponentów z dodatkową nadmiarowością.

Zapamiętajmy że to co jest dopuszczalne na rynku produktów konsumenckich, może nie być tolerowane w obszarach takich jak medycyna, obronność, zdrowie czy życie ludzkie.

Zespół projektowy

Czy projekt zrealizujemy sami czy w zespole? Jeżeli w zespole to jakie funkcje zostaną przypisane do poszczególnych członków zespołu? Czy konieczna jest konsultacja ze specjalistami z innych dziedzin? Lekarzami, mechanikami, innymi? Czy oprogramowanie dla mikrokontrolera napiszemy sami czy skorzystamy z pomocy innych? Nawet jeżeli jesteśmy na początku drogi, nauczmy się korzystać z wiedzy innych. Zaoszczędzi nam to wielu rozczarowań i problemów. Jednak niech to będą osoby z autentyczną wiedzą i umiejętnościami.

Popularne fora, a tym bardziej serwisy społecznościowe, nie są dobrym miejscem do poszukiwania odpowiedzi na nurtujące nas pytania. Miejsca te przypominają raczej piaskownice, w której każde z dzieci usiłuje przekonać pozostałych (czasami za pomocą pięści) ze to ono ma racje.

Normy, certyfikacja

Czy nasz projekt powinien spełniać określone normy? Jakie? Czy w celu stwierdzenia zgodności z normami wystarczy sama deklaracja zgodności, czy też należy odpowiednie testy przeprowadzić w certyfikowanym laboratorium?

PrzylutowaneIT

METODYKA PRACY KONSTRUKTORA. ETAP PIERWSZY - KONCEPCYJNY