Hardwareentwicklung

Die Hardware-Entwicklung beginnt mit der Erstellung eines Blockschaltbildes, welches die groben Funktionsblöcke und deren Zusammenhang darstellt und dabei auch bereits Hinweise auf die benötigten Arten von Bauteile gibt.

Wird beispielsweise ein Mikrocontroller benötigt? Falls ja, reicht ein 8-Bit Mikrocontroller, oder sollte es doch besser ein 16-Bit µC oder vielleicht 32-Bit µC sein?

Ist man auf eine ARM Architektur angewiesen? Oder braucht man sogar einen Digitalen Signalprozessor (DSP), der durch seine spezielle Struktur serielle Datenströme, wie z.B. Audio-Stereo-Signale um ein Vielfaches schneller bearbeiten kann, als ein vergleichbar getakteter Controller?

Das Blockschaltbild legt sozusagen den Grundstein für die Hardwareentwicklung. Auf diesem baut sich der nächste Schritt auf – die Bauteilrecherche. Bei der Bauteilrecherche geht es darum die bereits getätigten Erkenntnisse bezüglich der Funktionen und Arten der Bauteile soweit zu verfeinern, daß man weiß, welches Bauteil genau zum Einsatz kommt – was es voraussichtlich kostet – wo es die Bauteilbeschaffung zu welchem Preis beziehen kann.

Hat man die Bauteile definiert, kann nun die Schaltplanentwicklung beginnen.

Ein Schaltplan ist eine Art Kabelplan der einerseits der Veranschaulichung dient, welches Bauteil mit welchem anderen an genau welchem Pin verbunden wird, um die Funktionalität zu erreichen.

Andererseits ist das Ergebnis der Schaltplanerstellung – die Netzliste auch der Übergang zum nächsten Hardware- Entwicklungsschritt – der Layoutentwicklung.

Die Entwicklung des Leiterplatten-Layoutes oder auch Leiterplattenentflechtung genannt ist der Arbeitsschritt, in dem im CAD-Programm das Aussehen der Leiterplatte designt wird.

Bei der Leiterplatten-Entflechtung ist das Wissen des Ingenieurs gefragt. Die Plazierung der Bauteile muß so gewählt werden, daß die benötigten Verbindungen eher kurz sind – für jede Leiterbahn entscheidet die Funktion und Eigenart über den Verlauf, die Dicke und das Ranking der entsprechenden Verbindung.

Zwar gibt es eine Reihe von Tools die das Routing durch sogenannte Autorouter automatisch durchführen sollen – praktisch ist allerdings nur ein brauchbares Ergebnis zu erwarten, wenn das Wissen über Funktion, Ranking, Breite, Wellenwiderstand einer Verbindung im System hinterlegt wurde.

Da dies meistens sehr viele Parameter sind, die für die Anwendung zu beachten sind – wie z.B. digitale und analoge Signale so geführt werden können, daß diese sich nicht beeinflussen, ist es einfach schneller und zielführender das Routing mit der Hand durchzuführen.

In das Leiterplattendesign fließen neben den technischen Anforderungen auch solche eventuell benötigter Zertifizierungen ein – das elektromagnetische Verhalten gegenüber anderen Systemen – der Aufbau im Gehäuse – mechanische Einflüsse, wie Befestigungspunkte usw.

Ebenso wie die Schaltplanentwicklung bedarf es bei der PCB-Layoutentwicklung daher in normalen Projekten einer Arbeitsleistung von mehreren Arbeitstagen.

Hat der Elektronik-Dienstleister die Konstruktion der Hardware so weit bearbeitet, daß die Leiterplatte mit der Posititionierung der Bauteile, der Führung der Leiterbahnen den Füllflächen, Vias, Befestigungspunkten usw. fest steht, können nun aus dem System die Produktionsdaten entnommen werden.

Die Produktionsdaten bestehen normalerweise aus der Bauteileliste – der Bill Of Material = BOM, die die Anzahl der verwendeten Bauteile, deren genaue Bezeichnung, deren Nummer im Schaltplan und normalerweise auch Daten für die Bauteilebeschaffung enthalten und den Leiterplatten-Produktionsdaten den sogenannten Gerber-Daten (GBR). Die Gerberdaten sind hierbei sozusagen Blitzdaten – d.h. die Breite und der Verlauf der Belichtung einer jeweiligen Fotoschicht – aus der sich nach deren Entwicklung (wie ein Foto) die Lackierung einer Leiterplatten-Ebene ergibt, die darüber entscheidet, was im Produktionsprozess weggeätzt wird und was als Kupfer-Fläche stehenbleibt.

Für ein Projekt mit 4-fach Kupfer-Layer erstellt man also 4 verschiedene Foto-Daten für das Kupfer, sowie weitere Daten für den Lötstoplack oben und unten – den Bohrdaten, den Daten für die Beschriftung usw.

Die Erstellung von Gerberdaten hat den entscheidenden Vorteil, daß diese Daten herstellerunabhängig bei eigentlich jedem Leiterplatten-Dienstleister lesbar sind und das eigentliche Projektwissen, wie z.B. die Schaltbilder zur Produktion nicht ausser Haus gegeben werden müssen.

Neben den Leiterplatten-Daten werden auch die Bestückungsdaten erstellt. Diese sagen aus, an welche Position mit welchem Drehwinkel später welches Bauteil positioniert werden muß.

Die Bestückungsdaten sind auch in einem herstellerunabhängigem Format gespeichert, so daß diese ohne besondere Kenntnis des Schaltplanes später in den Bestückungsroboter eingelesen werden können.

Mit der Erstellung der Produktionsdaten ist der Übergang zur Prototypen- oder Serienproduktion geschaffen.