Scheda elettronica personalizzata – Progettazione e produzione

scheda elettronica con display personalizzato
Display TFT 7″ custom

Quali sono i passaggi necessari per realizzare una scheda elettronica personalizzata?
Quali sono le informazioni che devo fornire al partner per ridurre i tempi e i rischi di progetto?
Quali sono gli output e i documenti che mi aspetto di ricevere durante l’avanzamento dei lavori?
Come faccio a monitorare il progetto ed essere sicuro che la scheda elettronica corrisponderà alle mie richieste?

Queste e tante altre domande sono molto frequenti nella testa di chi commissiona la progettazione di una scheda elettronica personalizzata a un partner specializzato nella progettazione e nella produzione.
Vediamo molto sinteticamente quali sono le fasi tipiche di un progetto che abbia come risultato finale un primo lotto di produzione di una scheda elettronica personalizzata.

  1. I requisiti tecnici di progetto di una scheda elettronica personalizzata
  2. Lo schema elettrico preliminare e stima iniziale de prezzo di produzione della scheda elettronica
  3. L’offerta economica di progettazione e produzione della scheda elettronica personalizzata
  4. Schemi elettrici e inizio anticipato dello sviluppo firmware
  5. Sbroglio del PCB
  6. Produzione dei primi campioni della scheda elettronica personalizzata
  7. I test sui primi campioni e le attività di certificazione
  8. La preserie per la validazione del progetto e i test sul campo
  9. Produzione di massa della scheda elettronica
  10. La scelta del partner giusto

I requisiti tecnici di progetto di una scheda elettronica personalizzata

In questa fase preliminare è fondamentale scambiarsi informazioni precise sugli obiettivi deidrati, in modo da poter giungere alla formulazione di una proposta economica e determinare una stima dei tempi di consegna del prodotto, conforme ai requisiti tecnici e che rispecchi quanto da voi immaginato.

Cosa abbiamo bisogno da parte vostra?
È importante conoscere l’ambito applicativo per il quale avete pensato a una scheda elettronica personalizzata, perché dall’ambito di applicazione conseguiranno le regolamentazioni e le normative che il vostro prodotto finito dovrà rispettare. La nostra progettazione dipenderà dalle normative del prodotto finito e la scheda elettronica personalizzata sarà certificata con il prodotto finito.

  • tutti i dati tecnici del sistema che dovremo controllare: quante e quali sono le grandezze da misurare e con quali sensori, quali sono le uscite da comandare, presenza di eventuali movimentazioni, la necessità di comunicare con l’esterno… Dobbiamo sapere come è fatto il vostro prodotto e quali sono tutti i componenti che avete scelto di installare al suo interno per implementarne le funzioni, perché in qualche modo interagiranno con la scheda elettronica personalizzata.
  • dopo aver descritto nel dettaglio il prodotto, dobbiamo conoscere le specifiche funzionali: cosa deve fare la scheda e quali sono le automazioni richieste
  • vincoli meccanici da rispettare
  • le temperature e più in generale le condizioni ambientali di esercizio peggiori, in particolare se prevedete di chiudere la scheda elettronica personalizzata in una custodia o pensate di ricavare un alloggio dedicato, se sarà possibile la formazione di condensa e se ci sarà il rischio di contaminazione da polveri, sporcizia o gas infiammabili o esplosivi.

Lo schema elettrico preliminare e stima iniziale de prezzo di produzione della scheda elettronica

schema elettrico di una scheda elettronica personalizzata

Siamo nella fase in cui ci scambiamo molte informazioni, perché dobbiamo ancora capire con certezza se sarà necessaria la progettazione di una scheda elettronica personalizzata dedicata oppure se potremo soddisfare le vostre richieste partendo da altri nostri prodotti, riducendo notevolmente le attività di progetto.Inoltre, sono sicuro che stiate aspettando una stima di quanto costerà la scheda elettronica personalizzata per completare l’analisi dei costi di produzione di massa del vostro prodotto finito.

Non ho buone notizie.
A meno di derivare senza eccessive modifiche la vostra scheda elettronica personalizzata da un oggetto già prodotto, dovremo necessariamente produrre uno schema elettrico di base per poter avere una stima dei nostri tempi e costi di produzione.

Negli anni abbiamo messo a punto un processo per la stima anticipata dei costi basato su librerie di moduli circuitali componibili, cioè una serie di sezioni di circuito elettrico che vengono assemblate per ottenere una prima visione di cosa sarà effettivamente montato sulla vostra scheda elettronica personalizzata.

Lo schema elettrico preliminare sarà composto da molti elementi provenienti dalle nostre librerie, da alcuni eventuali sezioni di integrazione e da sezioni nuove sviluppate appositamente per soddisfare le vostre specifiche.

Elaborando questo documento siamo in grado di generare una distinta base preliminare che ci permette di fornirvi una stima del prezzo della scheda per diversi volumi di produzione: in questa fase possiamo ragionevolmente garantire una confidenza sul costo pari al +/- 15%).
Inoltre, possiamo individuare e comunicarvi immediatamente la presenza di eventuali componenti con lead-time (tempi di consegna) critici da mantenere monitorati.

L’offerta economica di progettazione e produzione della scheda elettronica personalizzata

In questo momento, se siamo stati bravi nello scambio di informazioni, siamo in grado di presentarvi un’offerta economica relativa alla progettazione e alla produzione della vostra scheda elettronica personalizzata.

Probabilmente saremo abbastanza precisi relativamente ai tempi di realizzazione della parte hardware (la scheda, montata e prodotta nei primi campioni), mentre faremo molta più fatica a stimare le attività di sviluppo del firmware (il programma installato nel microcontrollore): purtroppo qui entrate in gioco voi e la vostra possibilità di fornire specifiche funzionali che descrivano con adeguata precisione come implementare il codice.

Per esperienza, specialmente quando si progettano prodotti complessi, sappiamo che non sempre è possibile ottenere tutte le informazioni in questa fase: spesso per voi è difficile se non impossibile conoscere tutti i dettagli, anche perché capita sovente che non siano nemmeno stati ancora definiti a questo livello di avanzamento del prodotto finito.

Proprio per questo abbiamo messo in atto diverse pratiche di gestione dello sviluppo firmware che ci consentono di progredire e comunicare in modo incrementale.

In questa fase però potremo solo darvi delle stime di consegna delle prime versioni funzionanti, più o meno complete rispetto alla totalità del progetto, basate sulle informazioni in nostro possesso.

Schemi elettrici e inizio anticipato dello sviluppo firmware

sviluppo firmware

Accettata l’offerta di progettazione, iniziano le attività che ci porteranno alla campionatura dei primi esemplari della scheda elettronica personalizzata.

Elaboriamo lo schema elettrico preliminare per ottenere la prima versione del circuito stampato (PCB) realmente producibile: in questa fase voi avete poco da fare se non rispondere alle nostre domande di chiarimento e monitorare l’avanzamento delle attività.

In parallelo si inizia a sviluppare il firmware, anche se non è ancora fisicamente presente la scheda definitiva, grazie a tecniche di simulazione hardware e software, mirate a creare una macchina virtuale in grado di simulare la quasi totalità del prodotto finito.

Al termine di questa fase avremo prodotto lo schema elettrico che potrà essere inviato allo sbroglio e la distinta base completa, grazie alla quale potremo affinare i prezzi di produzione stimati nell’offerta, riducendo gli intervalli di confidenza.

Produciamo inoltre un documento che condivideremo con voi e che ci permetterà di procedere alla validazione dei connettori e del loro pinout: con questo documento potrete iniziare a produrre il cablaggio del vostro prodotto rispettando le indicazioni proposte.

Sbroglio del PCB

gerber sbroglio pcb

Con la frase “sbroglio del PCB” intendiamo le attività effettuate dal “masterista” che porteranno a definire il “disegno” del circuito stampato che avrete tra le mani, partendo dallo schema elettrico.

Si tratta di una fase che deve tenere in considerazione diversi aspetti per poter produrre un risultato soddisfacente:

  • vincoli meccanici, comprese eventuali interferenze con oggetti presenti in prossimità della scheda nel prodotto finito
  • normative di prodotto ed elettriche (isolamenti, grado di inquinamento, sicurezza per l’alta tensione…)
  • problemi di dissipazione termica
  • possibili problemi di compatibilità elettromagnetica

L’output di questa fare è un insieme di file (gerber) che vengono consegnati alle aziende che realizzano fisicamente il circuito stampato.
Vi verrà Inoltre consegnato un modello 3D (STP file) della scheda elettronica personalizzata, grazia al quale potrete validare la soluzione proposta oppure richiedere piccole modifiche.

Produzione dei primi campioni della scheda elettronica personalizzata

In seguito alle validazioni ricevute vengono ordinati i primi campioni: normalmente produciamo pochi pezzi perché potrebbero essere necessarie delle correzioni o modifiche in base all’esito delle prime prove di installazione e funzionamento.

Procediamo ai test elettrici per assicurarci che non esploda nulla, poi consegniamo le schede agli sviluppatori firmware che installeranno le prime versioni su esemplari reali della vostra scheda elettronica personalizzata: avendo lavorato fino a questo momento con i simulatori, normalmente gli sviluppatori firmware dovranno svolgere delle attività di integrazione prima di poter effettuare i primi test funzionali.

Giemme è certificata ISO9001:2015 e questo comporta alcune attenzioni sulla gestione del progetto ISO 9001:2015, che non sempre coincide con il progetto operativo condiviso con il Cliente.

Considerando che lo sviluppo firmware può protrarsi anche per diversi mesi e in alcuni casi potrebbe non considerarsi mai concluso, noi consideriamo chiuso il progetto ISO 9001:2015 quando:

  • è stato prodotto il primo esemplare della scheda elettronica personalizzata
  • è stato installato ed eseguito una prima release firmware che consenta l’utilizzo di tutte le sezioni del circuito elettronico

Nei casi semplici questa versione coincide con una delle prime revisioni firmware funzionanti implementate seguendo le specifiche di prodotto e quindi in seguito installabili in produzione.

Nei casi più complessi questo comporterebbe tempi di chiusura del progetto ISO9001:2015 troppo lunghi, quindi si considera la realizzazione di un firmware dedicato al collaudo funzionale di tutte le parti della scheda elettronica personalizzata.

Per il sistema ISO9001:2015 le attività di sviluppo del firmware di produzione continuano sottoforma di modifiche e di integrazioni funzionali.
Per voi questa gestione interna non comporta particolari preoccupazioni, anzi vi consente di avere già nelle prime fasi di sviluppo la garanzia che venga effettuato un collaudo funzionale di tutte le parti della vostra nuova scheda elettronica personalizzata.

I test sui primi campioni e le attività di certificazione

test progettazione e certificazioni

Quando abbiamo prodotto i primi campioni della scheda elettronica personalizzata, ci preoccupiamo di svolgere alcuni test per valutare il comportamento del prodotto nelle condizioni operative peggiori.

Per effettuare questi testi ci avvaliamo di alcuni strumenti e metodi che abbiamo a disposizione in Giemme:

  • analizziamo la dissipazione termica a pieno carico mediante immagini a infrarosso, per valutare se le soluzioni di dissipazione del calore accumulato sono sufficienti a garantire l’operatività normale di tutti i componenti
  • sottoponiamo le schede a test in camera climatica, sia a temperature costantemente superiori a quelle di esercizio sia effettuando cicli termici per simulare i cicli di lavoro giorno-notte della scheda nel prodotto finito
  • alimentiamo i campioni per più giorni, anche simulando i carichi previsti a bordo macchina, per valutare gli effetti delle dissipazioni termiche
  • colleghiamo le schede a generatori di disturbi (picchi di corrente e di tensione) e di microinterruzioni per effettuare una prima valutazione della capacità a sopportare disturbi esterni
  • effettuiamo quindi un’analisi delle missioni ”near field” in modo da individuare i componenti che in seguito potrebbero dare problemi durante i test sul prodotto finito

Le schede elettroniche personalizzate non vengono certificate da Giemme perché saranno utilizzate come componenti del vostro prodotto finito e, in quanto tali, saranno esaminate dall’ente certificatore installate nella vostra macchina.
In questa fase forniamo tutto il supporto necessario per agevolare la buona riuscita dei test, sia in termini di documentazione fornita (specialmente per le certificazioni UL/CSA) sia in termini di assistenza presso l’ente certificatore in caso di problemi.

La preserie per la validazione del progetto e i test sul campo

Se i primi campioni sono serviti per toccare con mano quanto fino a quel momento avevamo esaminato solo in formato elettronico, adesso è giunto il momento di iniziare a distribuire la vostra scheda elettronica personalizzata e valutarne l’utilizzo in casi pratici.

Lo scopo di questa fase, chiamata anche ”field test”, è quello di raccogliere il maggior numero di informazioni e di feedback da parte degli utilizzatori pilota.
Si tratta normalmente di una prima produzione del tutto analoga alle successive produzioni di massa che consente:

  • a noi di valutare eventuali punti critici del processo produttivo
  • a voi di minimizzare i rischi in vista del lancio vero e proprio del prodotto sul mercato

Su questi pezzi solitamente installiamo una revisione firmware matura, molto vicina alle funzionalità previste per il debutto del prodotto.

Se la scheda elettronica personalizzata è predisposta per l’aggiornamento firmware sul campo (bootloader), allora sarà possibile rilasciare versioni con nuove funzioni e correzioni e installarle in macchina in un secondo momento, direttamente sul punto di lavoro.

Consigliamo di prevedere una durata significativa del field test, in modo da avere il tempo necessario per raccogliere ed elaborare le informazioni e per apportare le eventuali variazioni in vista della produzione di massa.

Produzione di massa della scheda elettronica

produzione scheda elettronica personalizzata

Durante le fasi del progetto avrete sicuramente avuto modo di interagire frequentemente con il personale del nostro ufficio tecnico e, almeno nella gestione della preserie, in piccola parte anche con la nostra produzione: da questo momento in avanti l’ufficio tecnico consegna la scheda alla produzione e si fa da parte.

L’ufficio tecnico rimane sempre a vostra disposizione per qualsiasi chiarimento o per intervenire in caso di imprevisti o di richieste di modifica.

Per evitare errori di produzione, è molto importante essere in possesso di tutte le validazioni necessarie, così da fornirvi il prodotto nella corretta revisione hardware e con installata la versione firmware concordata.

Ogni pezzo prodotto è identificato da un QR-Code contenente le informazioni per la tracciabilità del lotto di produzione e del firmware validato e installato.

Tutte le schede prodotte dalle linee di assemblaggio interne sono collaudate al 100% prima di essere imballate e spedite, anche per quanto riguarda le sezioni circuitali predisposti per utilizzi futuri ma non ancora gestiti dal firmware installato: questa attenzione garantisce il corretto funzionamento delle schede installate al momento degli eventuali aggiornamenti sul campo che abilitino le funzioni opzionali.

La scelta del partner giusto

Progettare una scheda elettronica personalizzata è un processo lungo e complesso, se si punta a ridurre i rischi comunque sempre presenti al momento della messa in produzione del vostro prodotto.

Lo sviluppo di prodotti complessi come le macchine da caffè superautomatiche può proseguire per diversi mesi o anni, introducendo progressivamente nuove funzioni che all’inizio del progetto non avevamo previsto e sistemando gli inevitabili problemi che l’utilizzo continuo del prodotto fa emergere, anche a distanza di anni dalla prima installazione.

Scegliete un partner con le adeguate competenze ed esperienza nel vostro settore, che sia adeguato per i volumi previsti di produzione e con il quale possiate instaurare un rapporto di collaborazione sereno e trasparente.