Wat is elektronica ontwikkeling

1. Requirements

Als eerste is het nodig om goed te weten wat de verwachtingen / vereisten van de klant zijn. Elektronica ontwikkeling wordt kostbaar als het een zoek-proces wordt naar de juiste oplossing. Als de vereisten nog niet op papier staan, is dat de eerste stap. Zowel de klant, als de elektronica ontwikkelaar, moeten goed nadenken over de consequenties van het toevoegen, of weglaten van een eis. Beide kunnen tot meerwerk leiden.

1.1 Functionele eisen

De functionele eisen beschrijven op een abstract niveau hetgeen de oplossing moet doen.

Bijvoorbeeld voor een 1 fase power analyser:

• Meten van de AC spanning en stroom van 1 Fase (bereik 85 - 270Vac)
• Bepaling van

1. het vermogen
2. de power-factor (cos-Phi)
3. de energie (kWh)

• Logging van Vrms, Irms, Pre, Pim per line-cycle (20ms / 16.67ms)
• Uitlezing via Ethernet

De Ethernet poort zal DHCP accepteren en de logging stuurt data als UDP via Ethernet.

1.2 Elektronica eisen

Hierbij wordt beschreven welke functies vereist, zoals aansluitingen, eventueel met detail informatie over het bereik en nauwkeurigheid, de connector of veiligheidszaken.

In ons voorbeeld:

• 1 Enkel-fase ingang
• 1 Enkel-fase uitgang
• 1 RJ45 Ethernet aansluiting

1.3 Benodigde keuringen

Elk apparaat dat in de EU of andere landen op de markt gebracht wordt, zal aan een aantal standaarden moeten voldoen. Voor Europa geldt de CE richtlijn 2014/30/EU. Voor elektronica betekent dit eigenlijk altijd dat aan EMC normen moet worden voldaan. Afhankelijk van de toepassing gelden ook andere normen, b.v. ten aanzien van veiligheid.
Wanneer alleen naar de elektronica gekeken wordt wil dat nog niet zeggen dat het gehele product voldoet. Uiteindelijk moet het eindproduct voldoen, en geeft de fabrikant (meestal u) daarop een certificaat van conformiteit af.

Voor de elektronica moet bepaald welke normen van toepassing zijn, en invloed kunnen hebben op het ontwerp. Daar kan de ontwerper dan tijdens de ontwikkeling op letten.

2. Ontwikkelfase

Dit is de fase van de elektronica ontwikkeling waarin het schema. printplaat en eventuele speciale onderdelen gemaakt worden. Dit is onder te verdelen in een nadere analyse, het globaal ontwerp, de detaillering en de implementatie.
Deze fase van de elektronica ontwikkeling resulteert in een prototype.

2.1 Analyse

Op basis van de product vereisten en normen worden de product risico’s in kaart gebracht en wordt een FMEA¹ (Failure Mode Effect Analysis) gemaakt.
Dat hoeft niet altijd erg formeel, maar het is goed om van tevoren nagedacht te hebben over wat er moet gebeuren wanneer er iets fout gaat.

In ons voorbeeld:

Failure	Effect	Severity [0-9]	Action
Ethernet disconnect	UDP Data not sent	0	store results
Phase wire open	No load current	1	Alarm

Het ontwerp kan nu geoptimaliseerd worden zodat de ‘Severity’ voldoende laag is.

Veiligheid

Ook veiligheidsaspecten kunnen via een FMEA inzichtelijk gemaakt worden. Vaak zijn er ook normen waaraan het apparaat moet voldoen die speciale veiligheidseisen stellen.

2.2 Globaal ontwerp

Zijn de analyses op orde, dan volgt het globaal ontwerp. Er wordt een indeling van de benodigde blokken gemaakt en bekeken of de functionele blokverdeling logisch is en geen nadelige zijeffecten heeft. Tevens kan hier al rekening gehouden worden met de veiligheden en mogelijke ‘failures’.

2.3 Sensoren

Sensoren hebben vaak een speciale bewerking nodig. Bij industriële sensoren zit die bewerking al ingebouwd, en dat kan in de prijs tot uitdrukking komen. Door de sensor direct op eigen elektronica aan te sluiten, worden kosten bespaard.

2.4 Actuatoren

Hetgeen voor sensoren geldt, is ook van toepassing op actuatoren. Soms is het gebruik van stuur-elektronica gunstig, in plaats van bv. een relais. Vaak geeft het meer mogelijkheden tot optimalisatie van de actuator.
Neem bijvoorbeeld een apparaat met een aantal DC motoren. De aansturing kan met een relais, zelfs bidirectioneel.
Maar met een transistor aansturing met achterliggende software kan een soft-start en soft-stop gerealiseerd. Met een relais kan dat niet.

3. Elektronica implementatie

Nu worden de ideeën uit het globaal ontwerp omgezet in de realiteit. Schema’s worden getekend en printplaten ontworpen. De printplaten worden opgebouwd zodat de embedded software (firmware) kan worden getest.
Afhankelijk van de toepassing moet een voorziening geregeld worden voor het updaten van de firmware. Bij toepassingen met ingebouwde communicatie (bedraad, of draadloos), spaart dat in gebruik veel tijd uit, omdat de update dan op afstand kan plaatsvinden.

4. Elektronica Kwalificatiefase

Kwalificatie is het controleren of alle requirements daadwerkelijk in het prototype aanwezig zijn, én correct werken.
Daarbij moet veel aandacht besteed worden aan out-of-range en/of error situaties.
Alle metingen worden gedocumenteerd, zodat later te zien is dat iets getest is, en wat het resultaat was.

4.1 Mechanische passing

Uiteindelijk moet de besturingselektronica ook ergens ingebouwd worden. Voor de aansluiting van de connectoren en de hoogte van onderdelen is een controle op de mechanische passing nodig. Hieruit kunnen nog kleine aanpassingen volgen. Wanneer het ontwerp al via 3D tekeningen op de computer ‘gepast’ is, is de kans op aanpassingen alweer kleiner.

5. Acceptatie tests

Vervolgens wordt de klant weer in het proces betrokken. Deze moet zich er nu zelf van vergewissen dat het product aan de gestelde eisen voldoet.
Veel klanten zijn op dit punt niet zo scherp als gewenst. Zij vinden dat de ontwikkelaar zijn werk goed had moeten doen, maar vergeten daarbij dat zíj de expert zijn op hun werkterrein, en de ontwikkelaar zich vooral aan de requirements vast moet houden. Daar kan toch een verschil in zitten.

Vaak wordt op dit moment het fysieke apparaat voor het eerst met de elektronica tot leven gebracht, en ontstaan er allerlei kleine punten waar nadere afstemming gewenst is. Dat kan timing zijn of het compenseren van mechanische effecten.

Een duurtest onder variërende omstandigheden is ook zeer wenselijk.

5.1 Fout situaties

Bij de acceptatie tests is het introduceren van foutsituaties een belangrijke fase. Door zoveel mogelijk foutsituaties te simuleren kan gecontroleerd of de besturing er correct mee omgaat. Een ontwikkelaar zal in de praktijk, tijdens de elektronica ontwikkeling vooral de ’normaal’ situaties testen, en in mindere de foutsituaties.

6. Productie voorbereiding

Wanneer het prototype geen wijzigingen nodig had, kan vaak direct tot productie worden overgegaan. Anders is het verstandig nog een pre-productie te doen, of een 0-serie. Zo’n 0-serie is dan een beperkt aantal b.v. 10 tot 25. Wanneer er toch nog iets ernstig fout is gegaan, is de schade tenminste te overzien. Wanneer er dan al 1000 of 5000 printplaten liggen, zijn de kosten voor herstel, of erger, vervanging erg hoog.

6.1 Productie test

Bij elke productie, moet het resultaat getest worden. Er kunnen immers fouten zijn gemaakt, zoals een verkeerd component gemonteerd. Maar vaker betreft het soldeerfouten. Dan is een component niet goed gesoldeerd, of is er een kortsluiting van soldeertin ontstaan. Er bestaan 2 niveaus van tests:

• Functionele test
• Specificatie test

In veel gevallen is een Functionele test voldoende, maar voor apparaten die naar verre landen gaan, en waarbij service en reparatie duur zijn kan een testsysteem, dat ook de specificaties test, goedkoper zijn.
Op specificatie testen betekent bv. dat de frequentiekarakteristiek van analoge ingangen nagemeten wordt. Bij alleen een functionele test zal een fout component in dit pad mogelijk niet zichtbaar worden. Dat verhoogt de schade.

Voor productie met grotere aantallen zal vaak een pennenbed tester gemaakt worden. Daarmee wordt een automatische test uitgevoerd.
Vaak is de test elektronica uitgebreider en ingewikkelder dan het geproduceerde product.