Räätälöityä elektroniikkasuunnittelua haastaviin ympäristöihin

Teollisuudessa ja ajoneuvoissa on tarpeita pitkälle integroiduille tuotteille, joissa käytetään nopeita prosessoreita, erilaisia väyliä sekä I/O-toimintoja pienikokoisiin laitteisiin. Suunnittelun kannalta tämän tyyppiset toteutukset ovat varsin vaativia useista eri syistä. Mitä kaikkea PehuTecin kovat elektroniikkasuunnittelijat joutuvat ottamaan huomioon suunnitellessaan elektroniikkaa näihin ympäristöihin?

Sovellusalueita on hyvin monenlaisia alkaen erilaisista räätälöidyistä mittaus- tai konenäkösovellutuksista päättyen monimutkaisiin gateway tuotteisiin, joilla tuetaan esim. langattomia radioverkkoja, mutta samalla on tarvetta myös paikalliselle I/O:lle. Suurin syy räätälöidyille toteutuksille on se, että kaupallisella elektroniikalla toteutus johtaa usein useamman piirikortin tai moduulin toteutukseen, jolloin kokonaishinta nousee liian suureksi, vaikka yksittäisen kortin esim. prosessorikortti hinta voikin olla edullinen.

Reaaliaikakäyttö vaatii nopeutta ja laskentatehoa

Teollisuus- ja ajoneuvototeutukset pohjautuvat erilaisiin SoC (System on a chip) piiriratkaisuihin. Piireissä on integroituna yleensä useampia ARM-pohjaisia prosessoriytimiä ja joukko muita toiminnallisia lohkoja. Perinteisesti nopeammat laitteet on tehty Linux-käyttöön suunnitelluilla piireillä, joissa on tuki graafiselle käyttöliittymälle. Näissäkin on toki ollut mahdollista ajaa reaaliaikaisia ohjelmistoja, mutta laiteajuri- ja middlelayer-ohjelmiston tuki esim. protokollapinot ja grafiikka on ollut puutteellinen. Linuxin vasteaikahaasteiden takia uudemmissa piireissä on joko erillinen I/O-prosessoriydin tai ytimiä, joissakin toteutuksissa myös sisäinen FPGA-lohko tai erillisiä kuvankäsittely- tai grafiikkaprosessoreita. Tällaiset  piirit toimivat tyypillisesti 1 – 2 GHz kellotaajuuksilla. Piirit vaativat aina nopeat ulkoiset muistit, DDR3/DDR4 ja Flash tai eMMC. Piireillä on useita eri käyttöjännitteitä (core, SoC, I/O, muisti, …), joille on tiukat toleranssit (jännitteet voivat olla myös ohjelmiston säädettävissä) ja yleensä tarvitaan myös käynnistyssekvenssi.

Näiden rinnalle on tullut vastaavilla I/O-toiminnoilla ja kunnollisilla grafiikkaominaisuuksilla varustettuja puhtaaseen reaaliaikakäyttöön tarkoitettuja piirejä. Myös näiden nopeudet ja laskentatehot ovat kasvaneet viime aikoina merkittävästi, nopeimmat toimivat jo 1 GHz nopeudella. Näissä on yleensä sisäinen Flash-muisti ohjelmistoa varten sekä osassa myös varsin suuri RAM-muisti. Piireissä on yleensä erittäin hyvät tietoturvaominaisuudet. Suunnittelun kannalta tehonsyöttöä on yksinkertaistettu ja sovelluksissa, joissa ei tarvita ulkoisia muisteja päästään hyvin pieneen kokoon ja kustannustehokkaaseen toteutukseen.

Hyvä systeemitason ymmärrys on edellytys onnistuneelle projektille

Prosessorin, muistien ja näihin liittyvien power management toimintojen sekä tehonsyötön osalta kunnolla toimivan piirilevyn suunnittelu on hyvin vaativaa, kun samaan aikaan piireistä pitää saada reititettyä ulos nopeita väyliä kuten DDR, Ethernet, PCIe, HDMI, mahdollisesti kameraliityntöjä tai muuta I/O:ta, joka vaatii nopeaa impedanssisovitettua differentiaalista signalointia. Kokonaisuuden hallinta vaatii hyvän systeemitason suunnittelun sisältäen I/O-pinien ryhmittelyn, tehonsyöttöön liittyvien osien sijoittelun, sekä tilavaraukset keskeisille väylille, väylien reitityksen ja sovitukset. Näiden perusteella voidaan arvioida piirilevyn rakenne, kerrosten määrä ja suunnitella kerrosten käyttöä eri tarkoituksiin.

EMC-vaatimukset poikkeavat kuluttajatuotteiden vaatimuksista

Kun tämän tyyppiseen ajoneuvo- tai teollisuustoteutukseen yhdistetään langatonta teknologiaa, radiot toimivat usein samoilla taajuusalueilla kuin systeemissä olevat nopeimmat kellot. Piirit käyttävät sisäisesti PLL-kytkentöjä sovittamaan eri toimintalohkojen kellotaajuuksia, joista voi myös tulla harmonisia taajuuksia häiritsemään radioliikenteen toimintaa. Usein ohjelmisto vielä muuttaa kellotaajuutta laitteen kuormituksen tai toimintatilan mukaan. Antennien integrointi suoraan piirilevylle ei ainakaan helpota tilannetta. On siis lukuisia mahdollisia signaaleja, jotka voivat vaikuttaa merkittävästi radioiden herkkyyteen joko suoraan tai kerrannaistaajuuksien kautta.

Ajoneuvo- ja teollisuussovellutuksiin suunniteltujen laitteiden EMC-vaatimukset poikkeavat yleensä kuluttajatuotteiden vaatimuksista. Niissäkin tapauksissa, joissa laitteen viranomaishyväksyntävaatimus noudattaa radiolaitedirektiivin (RED) vaatimusta, laitteeseen kohdistuu yleensä toiminnallisista tai yhtiöiden omien tuotevaatimusten perusteella selvästi kovempia häiriönsietovaatimuksia, kun taas RED rajoittaa laitteen tuottamat häiriöt pieniksi. Ajoneuvosovellutuksissa kovia immuniteettivaatimuksia tulee suoraan kyseisiä laitteita koskevista standardeista.

Tehonsyötön lisäksi EMC-vaatimuksia joudutaan huomioimaan eri väylien ja I/O-liityntöjen toteutuksissa. Tyypillisiä haasteita ovat jännitepiikit, johtuvat häiriöt ja luotettava toiminta häiriöiden aikaisissa tilanteissa. Häiriötilanteita on myös muita kuin EMC-testeillä testattavat. Teollisuussovellutuksissa eräs yleinen tilanne on se, kun analogiatuloissa on signaalin lisäksi satunnaisiesti yhteismuotoista jännitettä, joka poistetaan sopivalla signaalinkäsittelyllä.

Optimiratkaisun löytyminen vaatii huolellista suunnittelua

Toteutukset on suunniteltava kunkin tuotteen vaatimusten ja käyttötilanteiden perusteella. Usein kustannustavoitteet, laitteen fyysinen koko ja muut vastaavat vaatimukset vaativat huolellista suunnittelua, että optimiratkaisu saadaan toteutettua. Lisääntynyt hajautetun I/O:n käyttö ajoneuvoissa on tuonut paljon uusia käyttökelpoisia hyvillä sisäisillä suojauksilla ja diagnostiikkaominaisuuksilla varustettuja piirejä markkinoille, joilla voidaan toteuttaa myös teollisuuslaitteiden I/O-sovellutuksia. Esimerkkinä voisi nostaa esiin suojatut induktiivisia kuormia ohjaavat FET-kytkimet joko galvaanisesti isoloituina tai ilman isolointia.

Vaikka prosessorit toimivat sisäisesti erittäin matalilla käyttöjännitteillä ja suhteellisen pienillä virroilla niin tämän tyyppisten laitteiden kokonaistehonkulutus voi tuottaa edelleen merkittävästi lämpöä. Yhdessä laajojen toimintalämpötila-alueiden ja usein myös käyttöolosuhdevaatimuksista tulevan tiiviin kotelon takia, laitteiden suunnittelussa on kiinnitettävä huomiota siihen, miten laitteen sisäinen lämpökuorma tasataan ja johdetaan pois kotelosta.

Teollisuus- ja ajoneuvolaitteiden elinikä ja valmistusajat poikkeavat oleellisesti kuluttajatuotteiden vastaavista, joka huomioidaan komponenttien valinnoissa.

 

PehuTec on toteuttanut asiakkailleen laitteita, joita käytettään näissä sovellusalueissa. Olemme toteuttaneet asiakkaan tarpeiden mukaan elektroniikan, mekaniikan ja laitteen perusohjelmiston sovittamisen suunnitellulle kortille tuotantovalmiiksi tai pelkän elektroniikaosuuden. Tarvitaanko teidän projektissa apua elektroniikkasuunnittelun haasteiden ratkaisemiseen? Ota yhteyttä!

Hannu Ylönen
Director, Sales
+358 40 769 0624
hannu.ylonen@pehutec.com