Tällä luennolla on käsitellään kurssin elektroniikkaprojektia, sen vaiheita sekä käytännön toteutusta ja työskentelyä. Projekti etenee tehokkaimmin, kun malttaa määritellä ja suunnitella lopputulosta mahdollisimman tarkkaan. Laitteen ydintoimintojen lisäksi sellaiset seikat kuten tehonsyöttö, kaapelointi, kotelointi ja käyttöliittymä vaativat paneutumista ja suunnittelua. On tarkoitus, että tämän kurssin elektroniikkaprojektissa noudatetaan ammattimaista toimintatapaa. 1
Kertauksen vuoksi projektin määritelmiä: Projekti on tarkkaan suunniteltu hanke tietyn päämäärän saavuttamiseksi. (Vapaasti käännetty teoksesta Oxford English Dictionary) Projekti poikkeaa monista muista toiminnan organisointitavoista erityisesti päämääräsuuntautuneisuutensa, väliaikaisuutensa ja ainutkertaisuutensa vuoksi. Projekteilla on tarkkaan määritelty alku, loppu ja aikataulu toteutusta varten. (Artto, K., Martinsuo, M. & Kujala, J. 2006. Projektiliiketoiminta. WSOY: Helsinki) Määrittely: Projektin alkuvaiheessa tavallisesti käytetään aikaa erilaisten asioiden määrittelyyn. Tässä elektroniikkaprojektissa määrittelyyn voivat kuulua esimerkiksi suunniteltavan laitteen toiminta, toiminnot, käyttö, suorituskyky ja käyttöympäristö. Määrittelyn tuloksena syntynyttä dokumenttia kutsutaan vaatimusmäärittelyksi. Suunnittelu: mitoitus, piirikaaviot, komponenttien sijoittelu, mekaniikan ratkaisut Toteutus: laitteen kokoaminen, ohjelmakoodi, dokumentit Verifiointi: Määrittely-, suunnittelu- ja toteutusvaiheissa on suunniteltava myös vastaavien asioiden verifiointi. Esimerkiksi määrittelyvaiheessa päätetään käyttää 5 V jännitettä järjestelmän tehonsyötössä. Suunnitteluvaiheessa päätetään lisätä piiriin testipinni, josta jännite voidaan tarkistaa. Toteutusvaiheessa komponenttilevylle tulee testipinni ja lisäksi 4,7 kilo-ohmin sarjavastus, jotta ei tapahdu oikosulkua testaajan mittajohtojen mahdollisesti lipsahdellessa. 2
3
Määrittelyjen ensimmäinen, unohdetuin ja työläin vaihe on vaatimusmäärittely. Siinä selvitetään ensin yleisesti mikä suunniteltava järjestelmä on ja miten se suhtautuu muihin olemassa oleviin vastaaviin järjestelmiin ja ympäristöönsä. Järjestelmän pääominaisuudet kuvataan ja on hyvä jos voidaan esittää myös käyttökuvaus: Miten käyttäjä ja järjestelmä käyttäytyvät tyypillisessä käyttötilanteessa ja mahdollisissa poikkeustapauksissa. Käyttökuvaus voi olla sarjakuva, video, kirjallinen esitys tai luettelo tapahtumista. Usein tässä vaiheessa auttaa jos on käytettävissä malli järjestelmästä, vaikka pahvista rakenneltu ja säätimet piirretty tussilla kylkeen. Hahmotelma järjestelmän sisäisestä rakenteesta ja osien keskinäisistä sekä ulkopuolisista liitynnöistä ja protokollista on myös hyvä tässä vaiheessa, vaikka suunnitteluvaiheessa siihen saattaisikin tulla muutoksia. Suunnittelun pohjaksi on myös hahmoteltava järjestelmän suoritusarvot, jotta komponenttivalinnat voidaan tehdä oikein. Vaatimusmäärittelylle on annettu pohja kurssin MyCourses-sivustolla. 4
Määrittely- ja suunnitteluvaiheessa on tärkeää laatia suunnitteludokumentteja. Itsestään selviltä tuntuvia asioita ei saa jättää pelkästään muistin varaan. Lohkokaavion avulla voidaan kuvata ja ymmärtää järjestelmän toiminta yleisellä tasolla. Lohkot kuvaavat järjestelmän osia, joiden sisäinen kytkentä voidaan erikseen kuvata piirikaaviolla. Lohkokaavio helpottaa laitteiden toiminnan ymmärtämistä, koska siihen voidaan kuvata tiedon tai energian kulku. Lohkokaaviota käytetään yleisesti sähkötekniikassa ja elektroniikassa, mutta niitä voidaan periaatteessa käyttää minkä tahansa asian toiminnan kuvaamiseen. Tässä erään laitteen lohkokaavio, johon on piirretty laitteen keskeiset osat sekä tehon ja tiedon kulku laitteen sisällä. 5
Tässä lohkokaaviossa on esitetty edellisen kalvon lohkokaavioon verrattuna yksityiskohtaisemmin lohkojen tehtävät. Esimerkiksi suodatinlohkoon on piirretty kaistanpäästäsuodattimen symboli. Katsoja saa näin tarkemman käsityksen lohkojen tehtävistä. Tähän kaavioon voitaisiin vielä lisätä esimerkiksi signaalien arvoja. 6
Avainkomponentit ovat piirin toiminnan kannalta keskeiset komponentit. Ne eivät välttämättä ole pajalla heti saatavilla olevaa varastotavaraa, vaan pitää varautua tilausaikoihin. Tässä on valonmittauspiiri, jonka avainkomponentit ovat fotodiodi ja operaatiovahvistin. Riippuu niille asetuista vaatimuksista, voidaanko käyttää varastosta löytyviä komponentteja. Yksinkertaisenkin elektroniikkalaitteen suunnittelussa joudutaan tekemään monia pieniä päätöksiä, joita tottunut suunnittelija ei edes huomaa tekevänsä, mutta joiden tekeminen vaatii kokemattomalta suunnittelijalta aikaa. Periaate on se, että joidenkin komponenttien arvot voi heittää hihasta kuten esimerkiksi käyttöjännitteiden suodatuskondensaattorit, kun taas esimerkiksi kapeakaistaisen vahvistimen vastusten ja kondensaattoreiden komponenttiarvot pitääkin laskea huolella ja toteuttaa komponenttilevyllä tarkasti. 7
8
Suunnitteluvaiheessa järjestelmän elektroniikkaosista tavallisesti tehdään kytkentäkaavio eli piirikaavio. Se kuvaa tavallisimmin yhden komponenttilevyn sisältämän elektroniikan piirrosmerkein ja komponentteja yhdistävän langoituksen avulla. Tämän kaavion perusteella suunnitellaan piirilevy, josta komponentit kiinnittämällä tulee valmis komponenttilevy. Piirikaavion voi tehdä monella tapaa. Yksinkertaisin on kynällä paperille piirretty kaavio. Se on nopea tehdä mutta sen ylläpito ja jakelu on hankalaa ja sen päivittämiseksi se pitää melkein piirtää kokonaan uudestaan. Kaikissa komponenttilevysuunnitteluohjelmissa on myös piirikaavion piirto-ohjelma ja onpa myös selaimella toimiva piirto-ohjelma. 9
Suunnitteluvaiheessa on usein tärkeää saada vahvistus kytkennän toimivuudesta ennen kuin se siirretään varsinaiseen komponenttilevymuotoon. Siinä voi käyttää laboratorio-olosuhteissa koekytkentäalustaa mutta jos rakentaa kokonaisia prototyyppitoteutuksia jossa on myös mekaniikkaa on elektroniikka parasta toteuttaa juovakuparoidulla piirilevyllä (Strip-board, Vero-board, verolevy -nimi tulee sitä ensiksi valmistaneelta yritykseltä). Verolevyt ovat protokäyttöön suunniteltuja piirilevyjä. Tyypillinen Verolevy on kooltaan 100 x 160 mm ja siinä on rei'itys 2,54 mm välein. Levyn johtimet ovat sen pituussuunnassa 2,54 mm välein. Levyn materiaalina voi olla epoksilasikuitu tai paperipohjainen fenolihartsi. 10
Verolevyä käytettäessä kupariliuskoista tehdään sopivia johtimia leikkaamalla ne poikki tarkoitusta varten suunnitellulla työkalulla (veroporalla). 11
Kytkentäkaavio muutetaan verolevyn kytkennäksi siten että käytetään kupariliuskoja yhdessä suunnassa (vaaka) ja hyppylankoja sekä komponentteja toisessa suunnassa (pysty). Klassinen moka on unohtaa katkoa liuskat mikropiirin alta, jolloin tuloksena on taatusti toimimaton kytkentä. Kuvan 555-piirisovelluksessa on valittu ylin liuska käyttöjännitteelle ja alin maapotentiaalille. 12
Kuten sanottu, kokeilukytkentöjä voi nopeasti toteuttaa myös koekytkentäalustalla (breadboard). Siinä on reikärivejä ja -sarakkeita joita on kytketty säännönmukaisesti toisiinsa levyn sisällä. Kytkennät tehdään käyttäen komponenttien johtimia ja lisäjohdonpätkiä. 13
14
Vaikka alussa korostettiinkin sitä, että projekti on kertaluonteinen vain lopputulokseen etenevä prosessi, saatetaan uuden ja järjestelmän kehitystyössä joutua palaamaan takaisin suunnittelupöydälle. Projektia kuvaamaan voidaan käyttää V-kaaviota, jossa dokumentointitasolta vaatimuksista edetään alas fyysiselle tasolle toteutukseen ja sitten testaukseen. Verifioinnin tuloksista voidaan päätellä suunnittelun onnistuminen ja vastaako toteutus asetettuja vaatimuksia. Validoinnin perusteella voidaan tarkastella, olivat vaatimukset oikein asetettu. 15
Projektissa aikataulu on tärkeä. Projektissa on vaarana, että tehtävät, joita ei tarkkaan tunne eikä muutenkaan arvosta, arvioidaan alakanttiin. Aika-arviota varten kannattaa jakaa tehtävän riittävän pieniin osiin. Jos esimerkiksi pohtii pienen komponenttilevyn rakentamista valmiiksi suunnitellusta piirilevystä ja komponenteista, voi karkeasti arvioida sen vievän esimerkiksi kaksi päivää. Tarkemman arvion saa, pohtii työn eri vaiheita ja tekee luettelon: Kaikkien komponenttien hankinta Piirilevyn hankinta (tai tekeminen) Juotospisteen ja työkalujen varaaminen Komponenttilistan ja sijoittelupiirroksen varaaminen käyttöön Itse komponentin kiinnittäminen paikalleen Valmiin komponenttilevyn visuaalinen tarkastus Levyn testaus (= sen saaminen toimimaan) Listan viimeinen kohta on usein kaikkein yllätyksellisin. Jos suunnittelua ei ole tehty huolella, voidaan suunnitteluvirheiden takia joutua palaamaan alkuun. 16