Emriver-Leiterplattendesign

Da unser Unternehmen gewachsen ist, haben wir die Art und Weise, wie unsere Instrumente hergestellt werden, verbessert. In der Vergangenheit haben wir alle THT-Bauteile (durchgesteckte Komponenten) einschließlich eines Arduino von Hand auf unsere kundenspezifischen Platinen gelötet. Während dies für kleinere Produktionsmengen oder für Produktprototypen in Ordnung ist, ist es für die Großserienproduktion nicht ideal, insbesondere wenn man bedenkt, dass wir Hunderte von Einheiten pro Jahr produzieren. Das Handlöten ist anfällig für Bedienfehler und zudem kostspielig und zeitaufwendig.

Ich habe mich darauf konzentriert, unsere Elektronik auf reine SMD-Bauteile (Surface-Mount Device) umzustellen und unsere Schaltungsentwürfe für die schlüsselfertige Bestückung zu optimieren. Das bedeutet, dass derselbe externe Auftragsfertiger, der unsere Leiterplatten druckt, auch alle Teile darauf mittels Maschinenautomatisierung bestückt. Weitere Informationen zur Oberflächenmontagetechnologie und -bestückung finden Sie unter: https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-mount_technology. Während dieser Änderungen am Leiterplattenprozess ist es auch ein günstiger Zeitpunkt, Änderungen zur Verbesserung der Produktmerkmale und -funktionen in Betracht zu ziehen.

Anstatt einen vollständigen Arduino an die Platine anzuschließen, habe ich mich dafür entschieden, denselben Mikrocontroller, den er verwendet, auf der neuen Platine anzubringen. Dies ermöglicht es mir und unseren Nutzern, die Instrumentensoftware in der Arduino-IDE zu schreiben und zu bearbeiten, eine Funktion, die unsere wissenschaftlichen Instrumente seit vielen Jahren unterstützen.

Eine weitere große Änderung betraf das Energiemanagement. Alle unsere Produkte werden über DC-Desktop-Netzteile betrieben, einige mit 12V, einige mit 24V und einige mit 48V. Dies ermöglicht es auch, unsere Produkte im Feldeinsatz mit einer Universalbatterie zu betreiben. Bei den 12V-Geräten übernahm früher der Arduino die Leistungsreduzierung auf Mikrocontroller-Ebene. Bei 24V-Geräten fügten wir dafür einen zusätzlichen Stromregler hinzu. Bei den 48V-Geräten schlossen wir eine externe DC-DC-Spannungswandlerplatine an und kalibrierten sie. Das neue Design verwendet ein integriertes Schaltnetzteil (Switching-Mode Power Supply), das für einen DC-Eingang von 5-60V ausgelegt ist. Das bedeutet, dass alle unsere Geräte auf derselben Platine laufen können und wir keine zusätzlichen Chips oder Platinen hinzufügen müssen. Eine einzige Energiemanagement-Lösung, die für alle unsere Geräte passt, ist wichtig, da wir beim Einkauf der Platinen von Skaleneffekten profitieren können.

Unsere neueste Leiterplatte in unseren Produktionsinstrumenten ist die Big Muddy Control Board (BMCB). Der Name ist eine Hommage an unseren lokalen Fluss, den Big Muddy, sowie an eine lokale Legende, das Big Muddy Monster (https://www.nytimes.com/1973/11/01/archives/yetilike-monster-gives-staid-town-in-illinois-a-fright-halloween.html).

Funktional weist das BMCB eine wesentliche Änderung gegenüber dem vorherigen K500-Board auf: Das BMCB verfügt über zwei Mikrocontroller. In unserem Wave-Maker-Gerät steuert die Platine die Bewegung des Schrittmotors präzise, indem sie Hunderte von Mikroschritten pro Sekunde an ihn sendet. Sie muss außerdem die Benutzereingaben am optischen Encoder erfassen, um Parameter zu ändern und die Wellenbewegung zu starten/zu stoppen. Das alte Design verfügte über einen einzigen Mikrocontroller, und das Ändern von Parameter führte zu leichten Aussetzern während des Betriebs, da der Mikrocontroller immer nur eine Aktion gleichzeitig ausführen konnte. Das neue Design mit zwei Mikrocontrollern ermöglicht es uns, zwei Aktionen gleichzeitig auszuführen, und eliminiert jedes Ruckeln im Wave Maker. Darüber hinaus bietet es uns zusätzliche Erweiterbarkeit und Vielseitigkeit für alle neuen Produkte, die wir entwickeln und die dieses Board nutzen.

Ein Faktor, den es bei der Herstellung einer einzigen Leiterplatte für mehrere verschiedene Produkte zu berücksichtigen gilt, sind die Kosten für Komponenten, die nicht verwendet werden, oder die Überbezahlung für Komponenten, die in einigen Produkten unterausgelastet sind. Warum für einen zusätzlichen Mikrocontroller bezahlen, wenn die meisten Produkte ihn nicht nutzen? Es ist eine schwierige Entscheidung bei der Entwicklung einer solchen Platine. Zwei Versionen derselben Leiterplatte zu haben, würde zwei Leiterplattenbestellungen erfordern. Jegliche Kosteneinsparungen durch den Verzicht auf die 2^und Mikrocontroller werden durch den Wegfall eines Mengenrabatts aufgehoben.

Andererseits habe ich mich dazu entschlossen, unsere Hersteller nicht standardmäßig alle Schraubklemmen auf der BMCB bestücken zu lassen. Bestimmte Instrumente verwenden unterschiedliche Schraubklemmen auf der Platine. Diese werden für Draht-Platine-Verbindungen im Inneren des Elektronikgehäuses genutzt. Ich hätte alle Schraubklemmen einbauen können, die für ein beliebiges Produkt eventuell benötigt werden, aber die Kosten dafür wären zu hoch gewesen. Stattdessen sind dies die einzigen THT-Komponenten (Through-Hole) auf der Platine, die von Hand gelötet werden. Es werden nur die notwendigen bestückt und dann mit einer speziellen Vorrichtung fixiert, um sie zu halten und das Handlöten zu erleichtern.

Eine weitere Kosteneinsparungstechnik besteht darin, wo immer möglich Standardteile der Leiterplattenhersteller zu nutzen. In unserem Fall bietet der Hersteller diese Teile zu einem günstigeren Preis an und sie sind stets auf Lager. Für unseren K28-Controller und den BMCB verwenden wir Standardteile wie: Dickschichtwiderstände, Elektrolytkondensatoren, Dioden und LEDs. Wie Sie sehen können, zielen unsere neuen Leiterplatten darauf ab, die Produktfunktionalität zu verbessern, die Produktion zu vereinfachen, die Qualität und Zuverlässigkeit zu steigern und die Kosten zu senken.