Der Workflow eines Level-5-System-Designs deckt den Entwicklungszyklus eines kompletten Systems ab – von Systemkonzept und Produktidee über Elektronik, Software und Mechanik und deren Funktionsüberprüfung in den verschiedenen Phasen unter Beachtung aller relevanten Standards bis zum Erreichen der nötigen Zertifizierungen. Dafür bildet Heitec ein Projektteam, bestehend aus dem Kunden und aus Projektmanagement, Entwicklung, Gehäusekonstruktion, Fertigung sowie Mess- und Prüftechnik, das in enger Verzahnung kooperiert. Dem «Requirement Engineering» kommt dabei eine entscheidende Rolle zu.
Requirement Engineering ist Basis für erfolgreiche Umsetzung
Zunächst hält man in einer Bedarfsanalyse im Hinblick auf die Zielapplikation alle Anforderungen des Gesamtsystems bezüglich Funk-tion, Leistung sowie elektrische, mechanische und z.B. auch thermische Vorgaben fest. Wie steht es mit System-Performance, Echtzeitfähigkeit, Datendurchsatz, Ausfallsicherheit oder thermischen Eigenschaften? Dann integrieren die Experten die Anforderungen in die Strukturkonzeption und teilen sie entsprechend der jeweiligen Funktionalität (Hard-/Software, Baugruppen, FPGA, ASIC usw.) auf. Ein erfahrener Systemarchitekt übernimmt die Federführung.
In einer Entscheidungsmatrix führt man die unterschiedlichen Lösungsansätze zusammen. Die Auswahl der Komponenten, wie CPU, SoC, I/O-Interfaces oder Speichermodule, wird analog dazu vorgenommen. Einfluss auf die Hardwared-Design-Spezifikation haben u.a. die Komponentenselektion, Power Envelope, detaillierte Modulbeschreibungen, Interfaces von Hard-/Firmware oder die Testumgebung. Die Einzelmodule müssen zusammenpassen, Fertigungsaspekte sind von Anfang an einzubeziehen – Design for Manufacturing – und die Lösung muss nicht nur technologisch, sondern auch kommerziell sinnvoll sein.
Die Daten zur Anforderungs-, Funktions-, Design- und Testspezifikation werden in ein Work Chart zusammengeführt. Dabei entsteht eine Requirement-Matrix, die das Team durch sämtliche Projektphasen begleitet. Mittels MS-Visio bricht man das Lösungskonzept in allen Teilbereichen in Blockdiagramme herunter. Sind die Entscheidungen gemäss Bedarfsanalyse gefallen, können Designabläufe parallel stattfinden. Der Gesamtprozess besteht im komplexesten Fall aus Systemkonzept, Board- sowie Chipdesign, Soft- und Firmware-Design, Mechanik-design, Design for Manufacturing, Proto- typing, Modultests, Systemtest, Typtests und Zertifizierungen sowie Serienfertigung und Life-Cycle-Management.
Perfektes Projektmanagement ist Voraussetzung
Im Beispiel des Kontrollsystems für eine komplexe Anlagensteuerung mit mehreren Subsystemen wurde das komplette Projekt innerhalb von etwa acht Monaten abgewickelt, inkl. Handbucherstellung. Der Designprozess von verschiedenen Moduleinheiten, Mechanik, SW-Codierung und FPGA-Entwicklung lief nahezu parallel ab. Die Schaltplanfreigabe von Modul 2 fand eine Woche nach der von Modul 1 statt. Layoutfreigaben, PowerOn und Modultests liefen auch nebeneinander und konnten für Modul 2 sogar früher beendet werden.
Die Prototypenfreigabe der Mechanik erfolgte bereits drei Wochen nach Schaltplan-freigabe des ersten Moduls. Wiederum zwei Wochen später wurde die Softwarecodierung bereitgestellt. Das FPGA-Design setzte bereits vor der Schaltplanfreigabe ein, und der erste Prototyp wurde weniger als fünf Monate nach Prozessbeginn vorgestellt. Ein derart stringenter Zeitplan lässt sich nur durchführen, wenn alle komplexen Prozesse transparent, koordiniert, kontrolliert und mit den nötigen Ressourcen ablaufen.
Mechanikentwicklung erfolgt via CAD-Tool ProEngineer
Der Board-Design-Prozess mit Altium umfasst Schaltplaneingabe und Layout. Schaltkreis- und Bibliothekendesign, CPLD/FPGA- und mechanisches Design laufen korreliert ab. Produktdaten wie BOM-Listen, Schaltpläne und Layoutdaten werden in einer versionskontrollierten, SAP-konformen Pro- duktionsdatenbank erfasst. Nach der Prototypenfertigung stellen Produktionstests (AOI, Flying-Probe) eine korrekte Fertigung sicher.
Das Chipdesign (FPGAs und ASICs) besteht aus Konzeption, Codierung, Verifizierung, Simulation sowie Synthese und Implementierung mit den entsprechenden Place-&-Route-Tools des jeweiligen Herstellers in die Gesamtumgebung. Für das Design und die Implementierung in VHDL oder Verilog stehen High-level-Entry-Tools zur Verfügung. Die Entscheidung pro VHDL fiel im Hinblick auf Wiederverwendbarkeit der Module, IP-Kompatibilität, Verbreitung in Europa, passende Schnittstellen sowie Unterstützung der Testumgebung. Die Mechanikentwicklung erfolgt via CAD-Tool ProEngineer.
Mit konsistenten Reviews lassen sich Fehler identifizieren
Bei der Implementierung der Firmware spielen detaillierte Flow Charts eine Rolle, Betriebssystem, Boot-Konzept, Treiber, Power-on-Selbsttests, Interaktionstest, FW/SW-Interfaces, Error-Handling, Debugging und Diagnose sowie natürlich die Anwendung selbst. Fehler in der Spezifikation oder im Code werden durch konsistente Reviews identifiziert. Die Tendenz geht zu einer hohen Wiederverwendbarkeit und zum Einsatz von festen, standardisierten Softwareblöcken. Wenn nötig, werden BIOS, Treiber, Board Support Packages (BSP) oder Protokolle angepasst bzw. modifiziert und Boot-Konzepte sowie Test- und Diagnosekonzepte projektspezifisch entwickelt.
Änderungen und Anpassungen sehr schnell und effektiv umsetzen
Im Anschluss erfolgt die Verifikation der Funktionen der einzelnen Module/Baugruppen inklusive der FPGAs oder ASICs. Durch die enge Zusammenarbeit zwischen eigener Board-Fertigung und dem Heitec-Entwicklungsteam lassen sich Änderungen/Anpassungen sehr schnell und effektiv umsetzen. Parallel dazu erfolgen das Design, die Konstruktion und die erste Fertigung von mechanischen Komponenten und Gehäusen.
Nach der Integration der Baugruppen in das System folgen die Systemtests, die in der Regel zusammen mit dem Kunden definiert werden und die Basis für spätere Fertigungs-Abnahmetests sind. Zur Fehlerbehebung und Vorbereitung der Systemfreigabe kommt das interaktive Tool «Bugzilla» zum Einsatz. Probleme werden zentral erfasst, zugeordnet und terminiert.
In einem fortschrittlichen Entwicklungsprozess ist ein Versionsverwaltungssystem sehr wichtig. Heitec setzt durchgängig auf Revisionskontrolle, in diesem Fall SVN (Subversion). Das «Requirement Engineering» trackt den gesamten Prozess. Den Abschluss bilden Compliance-Tests für EMV, Vibration, Temperatur (Umwelterprobung) bzw. Tests zur Erreichung internationaler Zertifizierungen (CE, FCC, UL, FM) inkl. der Dokumentation.
Fazit
Bereits in der Entstehungsphase muss man Schlüsselaspekte der Anwendung berücksichtigen: Welche Architektur, Partitionierung, Taktraten, Protokolle, I/O-Interfaces oder welches Zeitmanagement sind sinnvoll? Die Teilprozesse müssen robust und synchronisiert ablaufen, um technologisch hochwertige Endprodukte hervorzubringen. Die Kundenvorteile in kommerzieller, technologischer und qualitativer Hinsicht sind offensichtlich: Eine Komplettlösung aus einer Hand ohne Multi-Partner-Management reduziert Risiko, Entwicklungs- und Fertigungszeit; erprobte Entwicklungsprozesse und Technologien optimieren das Gesamtsystem bezüglich Performance, Langlebigkeit und Stückkosten.
Infoservice
Heitec AG, Werner-von-Siemens-Strasse 61 DE-91052 Erlangen
Tel. 0049 9131 87 70
