Tällä luennolla on käsitellään hieman tarkemmin joitakin asioita jotka liittyvät projektissa toteutettavan laitteen suunnittelun alkutaipaleeseen. Nopeimmin ja tehokkaimmin etenee kun malttaa määritellä, suunnitella ja yleensä ajatella ja kuvitella lopputulosta mahdollisimman tarkkaan. Usein hyvänkin idean toteutus kaatuu ideasokeuteen eli siihen että itse idean ydin on toteutettu täydellisesti mutta sellaiset sivuseikat kuin tehonsyöttö, kaapelointi, kotelointi ja käyttöliittymä on unohdettu ja lopputulos on käyttökelvoton. Harrastemielessä tehtyä laitetta voidaan suunnitella ja toteuttaa periaatteessa miten tahansa ja kuinka pitkään tahansa koska aikataulut ja käytettävät resurssit ovat harrastelijan kulloinkin päätettävissä mutta ammattimaisessa toiminnassa resurssit ovat rajalliset ja laajoihin kokeiluihin ja asioiden uudelleen tekemiseen ei ole varaa. On tarkoitus että tämän kurssin elektroniikkaprojektissa noudatetaan ammattimaista asioiden käsittelytapaa. Olen pahoillani, kun usein pessimistisesti kerron missä voi mennä pieleen ja niin voi mennäkin. Hauskinta on mielestäni kuitenkin vaikeuksien kautta voittoon tunne kun lopulta saa tekeleensä toimimaan. 1
Kertauksen vuoksi voidaan lainata 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) Projektin alkuvaiheessa tavallisesti käytetään aikaa erilaisten asioiden määrittelyyn. Silloin on hyvä jos on käytettävissä henkilöitä joilla on asiantuntemusta ja kokemusta jotta aivan alkeellisimmat virheet - jotka usein ovat kohtalokkaimpia vältetään. Tässä vaiheessa projektipäällikön suurin ongelma on usein saada innokkaimmat toteuttajatyypit malttamaan mielensä. Kun on selvillä mitä ollaan tekemässä voidaan aloittaa järjestelmän suunnittelu eri tasoillaan. Tähän liittyy mm. Elektroniikan toteutustapojen, komponenttien ja materiaalien valinta. Teollisessa toteutusvaiheessa tavallisimmin muodostetaan tuotteen spesifikaatiot joilla sitten varsinaista tuotetta valmistetaan sekä prototyyppejä lopputuloksen varmistamiseksi. On huomattava että 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 että ei tapahdu oikosulkua jos testaajan mittajohdot vähän lipsahtelevat. 2
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 jonkinmoinen 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 jonkinmoinen 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. 3
Määrittely- ja suunnitteluvaiheessa on hyvä luoda mahdollisimman paljon erilaisia suunnitteludokumentteja, itsestään selviäkään asioita ei saa jättää pelkästään muistin varaan. Lohkokaavio on piirustus, jolla pyritään kuvaamaan järjestelmän toimintaa yleisellä tasolla järjestelmän osien ja niiden välisten viivojen avulla. 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 merkitty mittausmoduulit, tehonsyöttökomponentit, ohjaustietokone sekä tehon ja tiedon kulku laitteen sisällä. Tämän kaavion perusteella voidaan suunnitella osien hankintaa, kotelointia ja johdotusta sekä laskea arvioita laitteen käyttöajasta sekä luotettavuudesta. 4
Lohkokaavio voi tarpeen mukaan keskittyä järjestelmän eri ominaisuuksien selvittämiseen. Tässä on erään radiolaitteen lohkokaavio johon on merkitty lohkojen välillä mitattavia signaalien arvoja ja lohkot on piirretty siten että katsoja saa käsityksen niiden tehtävästä. 5
Yksinkertaisimmankin elektroniikkalaitteen toteuttamisessa joudutaan tekemään tuhansia pieniä päätöksiä joita tottunut suunnittelija ei edes huomaa tekevänsä ja jotka muodostuvat kokemattomalle suunnittelijalle ylipääsemättömäksi työvuoreksi. Periaate on se, että joidenkin komponenttien arvot voi heittää hihasta kuten esimerkiksi logiikkalinjojen ylösvetovastukset ja käyttöjännitteiden suodatuskondensaattorit (niiden pitää kuitenkin olla siellä) kun taas esimerkiksi kapeakaistaisen vahvistimen vastusten ja kondensaattoreiden komponenttiarvot pitääkin laskea todella huolella ja myös toteuttaa komponenttilevyllä tarkasti. Tässä on teholähde josta on tarkistusten jälkeen havaittu että Q2 on se komponentti jonka lämpeneminen pitää erityisesti tarkistaa. 6
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. 7
Tässä DigiKeyn suunnitteluohjelma (http://www.digikey.com/schemeit ). Sen täysimittainen käyttö vaatii rekisteröinnin ja kirjautumisen. Tällä voi tehdä myös lohkokaavioita ja muita esityksiä. 8
Suunnitteluvaiheessa on usein tärkeää saada vahvistus kytkennän toimivuudesta ennen kuin se siirretään varsinaiseen komponenttilevymuotoon. Siinä voi käyttää laboratorioolosuhteissa 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. 9
Verolevyä käytettäessä kupariliuskoista tehdään sopivia johtimia leikkaamalla ne poikki tarkoitusta varten suunnitellulla työkalulla (veroporalla). 10
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. 11
Verkosta voi ladata monia sovelluksia, jopa ilmaisia, joilla verolevyn suunnittelu voidaan tehdä. Ruutupaperi ja kynä ovat myös kelpo työkaluja. 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
Myös koekytkentälevylle on saatavissa suunnitteluohjelmia. 14
Varsinaista komponenttilevyä varten suunnitellaan piirikaavion pohjalta piirilevy. Tämä käsitellään kurssissa erikseen. 15
Vaikka alussa korostettiinkin sitä että projekti on kertaluonteinen, vain lopputulokseen etenevä prosessi, on usein uuden ja ainutkertaisen järjestelmän kehitystyössä palattava takaisin suunnittelupöydälle. Kun tämä tosiasia tunnustetaan, voidaan projektista piirtää uudenlainen kaavio, V-kaavio, jossa dokumentointitasolta vaatimuksista edetään alas fyysiselle tasolle toteutukseen ja sitten testauksen kautta takaisin dokumentointitasolle tuotespesifikaatioihin joilla sitten voidaan varsinainen tuotanto käynnistää. 16
Projektissa aikataulu on myös tärkeä. Täälläkin iskee usein ideasokeus eli arvioidaan tarkasti omaan ideaan liittyvät työt mutta tehtävät joita ei tarkkaan tunne eikä muutenkaan arvosta arvioidaan pahasti alakanttiin. Hyvän aika-arvion saa kun malttaa jakaa tehtävän riittävän pieniin osiin. Jos esimerkiksi pohtii vaikkapa pienen komponenttilevyn rakentamista valmiiksi suunnitellusta piirilevystä ja komponenteista, voi arvioida sen vievän esimerkiksi kaksi päivää jos huolella juottaa sen kasaan. Jos vähän tarkemmin pohtii työn eri vaiheita voi tehdä 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, voi homma päättyä kokonaan tähän kohtaan ja on palattava alkuun. 17