Ни платы, ни корпуса, одна идея. Что делать?

Решаем проблемы с проектированием корпуса прибора до начала разработки. Рассказывают наши партнёры-разработчики электроники — «КЕДР Solutions».

Уже есть идея устройства, но платы для прибора нет. Корпуса, впрочем, тоже нет. Как строить разработку и с чего вообще начинать? У вас всего два варианта. 

Отталкиваться от разработки платы

Сначала разработать плату и только затем заняться корпусом. Такой подход допустим, если дизайн устройства не имеет значения. В этом случае разработчики не ограничены геометрией или габаритами корпуса. Они могут создать плату простой формы (прямоугольник, квадрат, круг) и адекватного размера, используя самые оптимальные компоновочные решения и компоненты.

Когда плата будет готова, можно приступать к дизайну корпуса или и вовсе поместить её в типовой корпус с минимальными изменениями. 

Это сэкономит деньги, но эстетикой придётся пожертвовать.

ВАЖНО! Прежде чем выбрать готовый корпус, обязательно проконсультируйтесь с разработчиками. Возможно, их не устроят его габариты, материал или геометрия.

Отталкиваться от дизайна корпуса

Такой подход оправдан, когда внешний вид устройства и его удобство не менее важны, чем функционал. Однако это не значит, что сперва вы должны спроектировать корпус и только затем заказывать разработку электроники. Проектирование платы — процесс итеративный. Изменения в электронике могут потребовать изменений в корпусе и наоборот. 

Это займёт больше времени и средств по сравнению с первым вариантом, но в результате вы получите оптимальное сочетание функционала, удобства использования и эстетики. Поэтому этот подход предпочтительнее.

Ключевые этапы разработки пошагово 

Пройдёмся по ключевым этапам разработки электроники и объясним, что вы можете сделать на каждом из них, чтобы проектирование корпуса прошло без лишних проблем. 

1. Сбор требований к проекту

Чем подробнее описаны требования к будущему устройству, тем меньше придётся переделывать и тем ниже шанс недопонимания между заказчиком и разработчиками. Требования должны касаться не только функционала платы, но и внешнего вида устройства. Поэтому желательно уже к этому моменту иметь на руках хотя бы эскиз или 3D-модель корпуса. Это поможет команде оценить выполнимость требований, выбрать оптимальные решения или предупредить о необходимости изменений в дизайне корпуса.

Что вы можете сделать

Нередко начало разработки приходится откладывать именно потому, что заказчик затягивает с предоставлением требований. Так что чем скорее вы сообщите инженерам всю необходимую информацию, тем скорее начнутся работы. Когда в «КЕДР Solutions» обращается новый клиент, мы просим его заполнить специальный опросник. В нём просим перечислить следующие требования к будущему изделию. 

Функциональные требования

Здесь вы должны максимально ясно объяснить, что должно делать будущее устройство. Опишите его главную функцию или функции. Не думайте о том, как их можно реализовать технически — это задача разработчиков. Разъясните, для каких целей предназначено изделие или в каких сферах его будут применять. Приведите один или два примера использования прибора. Если он не уникален, перечислите имеющиеся на рынке аналоги и укажите, чем ваш должен отличаться от них.

Пример описания функциональных требований к аппаратной части проекта

Проект предполагает создание пары устройств для отображения информации во время спортивных соревнований. Пара состоит из панели управления и информационного табло, на которое выводятся данные. Система предназначена для таких видов спорта, как футбол, баскетбол, американский футбол и бейсбол. 

1. Панель управления должна позволять передавать данные на табло — названия команд, счёт, номер тайма и т.д. 
2. Панель управления и табло должны быть самостоятельными устройствами. 
3. Табло следует спроектировать так, чтобы на нём могли отображаться индикаторы разных типов и разного размера, т.е. табло должно быть модульным. 

Нефункциональные требования

Они описывают характеристики, которые не имеют прямого отношения к функционалу, но по какой-то причине важны. Здесь следует указать:

• желаемый источник питания;
• должно ли устройство иметь дисплей;
• нужны ли изделию периферийные устройства и какие (например, камера);
• должно ли устройства хранить данные;
• должно ли изделие передавать данные и какую технологию предпочтительнее использовать — Ethernet, Wi-Fi, GSM и т.д.
• желаемые габариты и геометрию платы.

Последнее требование напрямую связано с дизайном корпуса будущего устройства. Один и тот же функционал можно реализовать по-разному: ограничиться двумя слоями или составить плату из шести слоёв, использовать стандартные и дешёвые компоненты или маленькие и дорогие, смонтировать их на жёсткой плате или на гибкой.

Поэтому лучше всего предоставить команде эскиз или 3D-модель корпуса.

Вот пример нефункциональных требований к аппаратной части упомянутого выше проекта: 

1.1. Данные должны передаваться с панели управления на табло по беспроводной связи. 
1.2. Табло должно принимать сигналы с расстояния не менее 152 м. 
1.3. Задержка между нажатием клавиши на панели управления и обновлением информации на табло должна составлять около 50 мс. 

2.1. Табло должно подключаться к панели управления до начала работы. 
2.2. Панель управления должна иметь внешний источник питания и резервное батарейное питание. Продолжительность работы батареи зависит от её размера, который будет определён на этапе проектирования корпуса. 
2.3. Табло должно иметь внешний источник питания. 
2.4. Панель управления должна быть полноразмерной — размером со стандартную клавиатуру типа ТА. Она должна размещаться на столе и использоваться при помощи двух рук. В то же время, она должна быть достаточно маленькой и лёгкой, чтобы её можно было нести в одной руке и нажимать клавиши другой рукой. 

3.1. Компоненты табло должны легко соединяться.
3.2. Неправильное соединение компонентов не должно приводить к серьёзным проблемам.

Обратите внимание, что у заказчика ещё нет готового корпуса или даже эскиза. Однако он уже имеет некоторое представление о том, как должно выглядеть устройство, чем и поделился с командой в пункте 2.4. 

Условия эксплуатации

Где будет работать устройство – на улице, в дождь, в мороз, в жару, в космосе или на дне Марианской впадины? По возможности, следует перечислить конкретные характеристики условий окружающей среды, в которых изделию предстоит работать:

• температура;
• влажность;
• давление;
• вибрационные нагрузки;
• среда, в которой предстоит работать изделию: взрывоопасная, с повышенным содержанием коррозионно-активных агентов или иных химических веществ и т.д.

Если устройство предназначено для широкого потребления, достаточно указать, что оно должно работать в нормальных условиях. Под таковыми понимаются температура в 25±10^оС, относительная влажность воздуха в диапазоне от 45% до 80% и атмосферное давление в диапазоне от 84 до 106,7 кПа.

Всё в том же проекте спортивного табло и панели управления особые условия эксплуатации предполагались только для табло, т.к. оно должно находиться под открытым небом. 

1. Электроника информационного табло должна работать в самые жаркие летние дни, когда температура внутри корпуса достигает порядка 65^оС.
2. Кроме того, табло должно работать под дождём. Желательно, чтобы элементы индикации не требовали специальной защиты от дождя. Как вариант, можно покрыть плату лаком.

Сертификационные требования

Почти любое электронное устройство, предназначенное для коммерческой реализации, должно соответствовать требованиям качества и безопасности.

Если вы не специалист, разобраться в этой теме самому будет очень трудно. Проще узнать о сертификационных требованиях в специализированных организациях. В России этим занимаются сертификационные центры и лаборатории.

Законодательство в этой сфере нередко требует, чтобы устройства были обеспечены достаточным уровнем защиты от тех или иных факторов – влаги, пыли, огня, электромагнитных шумов, электростатических разрядов и т.д. Всё зависит от типа устройства и отрасли, где его предстоит применять. Эта информация будет полезна как разработчикам платы, так и проектировщикам корпуса.

2. Оценка проекта

Не собрав требования к будущему устройству, инженеры не смогут приступить к следующему обязательному этапу проектирования. Только зная о функциях и особенностях эксплуатации изделия, разработчики смогут оценить проект с технической точки зрения. 

Если проект простой, оценить его можно быстро. Но сложные изделия требуют больше времени и сил, вплоть до отдельного исследовательского этапа или этапа проверки концепции. Такие исследования подскажут:

• можно ли вообще сделать устройство;
• как его сделать;
• если решений несколько, какое из них оптимальное;
• сколько будет стоить изделие;
• во сколько обойдётся разработка;
• сколько времени она потребует;
• совместим ли предлагаемый дизайн с будущей платой.

Именно на этом этапе инженеры смогут сказать, сколько времени потребует разработка. На простые проекты обычно уходит около 150 часов. Сложные проекты могут потребовать порядка 500-700 часов, а иногда и больше. 

Что вы можете сделать

Лучшее, что вы можете сделать на данном этапе, — это дать команде достаточно времени. В противном случае вы рискуете столкнуться с серьёзными проблемами на поздних этапах проектирования, когда устранить их будет сложнее. После оценки и внесения в проект необходимых изменений начинается основная работа. 

3. Основной этап разработки

Здесь начинается непосредственно разработка устройства. Инженеры создают принципиальную схему, подбирают компоненты, строят 3D модель платы. Затем изготавливают её и проверяют, как она работает. Здесь же начинается работа над программным обеспечением, если это входит в разработку.

Многие думают, что на этом работы заканчиваются. И очень удивляются, когда команда говорит, что приступает к созданию второй итерации устройства. Зачем? Вы же сделали плату, так давайте её сюда!

Первый вариант платы почти всегда содержит промахи и недочёты. К тому же, компоненты иногда ведут себя не так, как заявлено в документации, или начинают влиять на другие компоненты схемы. Их приходится менять. Большая часть таких проблем устраняется при создании второй итерации. В дальнейшем изменения вносятся и во второй прототип, но они обычно менее масштабны.

Что вы можете сделать

На этом этапе происходят основные «торги» между дизайнерами и разработчиками. Здесь вам придется решать, что важнее, какие функции оставить или убрать и чем пожертвовать. К моменту, когда плата будет готова к испытаниям, следует изготовить прототип корпуса. 

4. Тестирование и отладка

На последнем этапе инженеры помещают плату в прототип корпуса и проверяют, как устройство выполняет основные функции и как ведёт себя в соответствующих условиях эксплуатации. Если выявляются проблемы, команда находит причину и устраняет её.

Что вы можете сделать

Со своей стороны, вы тоже можете организовать испытания продукта. Чаще всего заказчики хотят проверить не только функции изделия, но и насколько удобно им пользоваться. Поэтому на данном этапе корпус может претерпеть очередные изменения, но скорее всего, они будут касаться лишь удобства пользования.

Так, в одном из проектов «КЕДР Solutions» уже под самый конец разработки дизайнеры изменили расположение кнопок и вынесли светодиод на верхнюю панель устройства. Команде пришлось дорабатывать железо и добавлять ещё одну плату под светодиод. Причём всё это сделали исключительно для удобства пользователей.

Заключение

Если плата для будущего устройства ещё не спроектирована, стоит воспользоваться одним из следующих подходов.

• Когда внешний вид устройства не имеет особого значения, можно сначала разработать плату и лишь затем проектировать под неё корпус. Можно также обойтись типовым корпусом, что сэкономит средства.
  
• Если же дизайн корпуса не менее важен, чем функционал устройства, следует начать с разработки платы. Однако будет лучше, если перед началом работы у вас будет эскиз или 3D-модель корпуса.

Чтобы избежать проблем с корпусированием, следует чётко перечислить команде разработчиков требования к изделию, в том числе требования к размерам и геометрии платы. Также очень важно предоставить инженерам достаточно времени на оценку проекта и исследовательскую работу, если это необходимо. Так они смогут выявить критические моменты ещё в самом начале работы. По ходу разработки вам, возможно, придётся выбирать между внешним видом и функционалом устройства. Наконец, получив опытный образец, следует проверить его с точки зрения удобства использования. В результате могут потребоваться определённые изменения как в дизайне корпуса, так и в дизайне платы.

Такой подход позволяет добиться компромисса между внешним видом и функционалом устройства и при этом минимизирует риски.