Tällä luennolla on käsitellään hieman tarkemmin projektissa toteutettavan laitteen komponenttilevysuunnittelua, kotelointia ja käyttöliittymää. Juuri näissä kannattaa määritellä, suunnitella ja yleensä ajatella ja kuvitella lopputulosta mahdollisimman tarkkaan. Varsin hyvä keino on valmistaa laitteesta jonkinmoinen prototyyppi ja esitellä sitä jollekin ulkopuoliselle henkilölle. 1
Kotelo on laitteen merkittävä komponentti monella tapaa: Suojaa laitteen komponentteja mekaanisilta rasituksilta; käyttäjää koskettamasta jännitteellisiä osia; laitetta sähkömagneettisilta häiriöiltä ja ympäristöä laitteen tuottamalta häiriöltä. On alusta laitteen käyttöliittymälle; ulkoisille liitännöille sekä laitteen sisäisille komponenteille. Toimii tarvittaessa jäähdytyselementtinä. Antaa käyttäjälle mielikuvan laitteen laadusta. 2
Koteloinnin suunnittelu on usein kädenvääntöä elektroniikka-, muotoilu- ja mekaniikkasuunnittelijan tarpeiden välillä. Elektroniikkasuunnittelija yleensä haluaa kotelon sisään jotakin joka on liian isoa, vaikeasti paikoillaan pysyvää ja vaatii erikoisrakenteita kuten sähköistä suojausta tai lämmön poistoa. Muotoilijalla on oma käsityksensä minkä muotoinen ja kokoinen on tyylikäs tuote. Mekaniikkasuunnittelija lyö tiskiin tosiasiat materiaalien lujuusominaisuuksista, työstettävyydestä ja kotelon valmistettavuudesta. Hahmotelma järjestelmän sisäisestä rakenteesta ja osien keskinäisistä sekä ulkopuolisista liitynnöistä tarvitaan koteloinnin suunnittelussa. Yhteinen kieli löytyy parhaiten jos eri osat ja toiminnat saadaan konkretisoitua esimerkiksi pahvimallilla. Luettelo huomioitavista asioista on esim. sivulla https://www.okwenclosures.com/en/technical_data/how_to_specify_enclosures.html 3
Koteloinnin ratkaisut voi löytää tarkastelemalla kaikkia osia ja sovittelemalla niitä koteloehdokkaisiin. 4
Lämpötila: Kuumissa olosuhteissa on jäähdytettävä ja kylmissä lämmitettävä Lämpötila ja pöly aiheuttavat usein vastakkaisia vaatimuksia Kosteus: Liian kuivassa (alle 20% RH) liikkuvien osien kitka saattaa kasvaa Liian kosteassa (95-100 % RH) korroosio kasvaa ja pölyn yhteydessä saattaa tulla pintavirtoja Kosteuden ääripäissä materiaalien ominaisuudet saattavat muuttua Tiivistyvää kosteutta pitää välttää esimerkiksi lämmittämällä laitetta. Tärinä: Tärinä vaikuttaa signaaleihin jos on mikrofonisia osia Massavat osat kiinnitettävä huolella kytkentäjohdot eivät riitä Iskut: Mikroelektroniset komponentit, erityisesti MEMS (kiihtyvyysanturit, mikrofonit, gyrot, kosteusanturit) ovat herkkiä. Pelkkä tukeva kuori ei riitä tutki myös komponenttien törmääminen toisiinsa kotelon sisällä. Siellä saattaa paikallisesti tulla 20 000 g kiihtyvyyksiä pikku pudotuksesta Pöly: Vaikuttaa kahdella tavalla: lämpötalouteen ja sähköiseen toimintaan Ylimitoita jäähdytyselementit pölyyntymisen varalta Tee mieluiten umpikotelo ja tuo mahdollinen lämpö sen pinnalle lämpöpiipulla Pölysuodatin on huono ratkaisu se vaatii huoltoa 5
Laitteen sisäiset elektroniikka- ja liikkuvat osat eivät saa olla kosketeltavissa. Perusteena voivat olla esimerkiksi direktiivit ja muut määräykset jotka liittyvät käyttö-, sähkö- ja potilasturvallisuuteen. Laitteen sähköisen tai mekaanisen toiminnan varmistamiseksi voi myöskin olla aiheellista että osia ei kosketella. 6
EMC eli sähkömagneettinen yhteensopivuus tarkoittaa sitä että laite ei häiriinny eikä häiritse ympäristöään. Ongelmat ilmenevät kun käytettävät taajuudet ovat tarpeeksi suuret laitteen mekaanisiin mittoihin verrattuna. Taajuuksista on tarkistettava komponenttien kellotaajuudet ja on hyvä valita kahdesta vaihtoehdosta hitaimmalla kellolla varustettu. Huomaa että metallikotelo ei aina ole ratkaisu EMC-ongelmiin. Metallikotelokin voi säteillä häiriöitä. 7
EMC pitää ottaa huomioon jo komponenttilevyn suunnittelussa: Ei isoja silmukoita. Tulosignaalit ja lähtösignaalit kauaksi toisistaan. Kellotaajuudet mahdollisimman pieniksi. Mahdollisimman hidasta logiikkaa, vahvistimia ja komparaattoreita. Staattisille purkauksille selkeä tie maapotentiaaliin ohi elektroniikkakomponenttien. 8
Johtuvien häiriöiden torjumiseksi käytetään ferriittihelmiä johdoissa. 9
Käyttöliittymän avulla ohjataan laitetta ja saadaan informaatiota. Yleisin käyttöliittymä pienissä laitteissa koostuu painonapeista ja merkkivaloista tai näytöstä. Näyttö voi olla kosketusnäyttö jolloin koko käyttöliittymä voidaan toteuttaa yhdellä komponentilla. 10
Yleisin ohjauskomponentti käyttöliittymissä on kalvonäppäimistö. Siihen törmää usein tuotteissa joita on voitava puhdistaa, esimerkiksi lääketieteellisen elektroniikan laitteissa. Kuvassa oikealla esimerkkeinä suomalaisista tuotteista GE:n (Datex Ohmeda) monitori ja Planmecan hammashoitoyksikkö. Kalvonäppäimistöistä lisää esim. http://www.mainostarra.fi 11
Yleensä laitteeseen sekä tulee että menee erilaisia signaali- ja tehonsyöttöjohtoja. Kuvassa on laite jossa ei oikeastaan ole muuta kuin liitäntöjä. Ota huomioon ja tee päätöksiä seuraavista: Kiinteä johto vedonpoistajalla (halpa, luotettava) vai irrotettava liittimellä (kallis, kätevä, johto katoaa)? Liittimen ja sen johdotuksen vaatima tila kotelon sisällä. Tämä on usein loppukasauksessa yllätys. Onko liitäntä usein käytetty (-> etupaneeliin) vai kerta-asennus (-> taakse)? Tulevatko liitännät kiinni koteloon (huono, johtospagetti kotelon sisälle) vai suoraan komponenttilevyyn (parempi) Yritätkö rakentaa metallikoteloon Bluetooth- tai WiFi-yhteydellä toimivan laitteen? Liitännät joutuvat usein kovaan rääkkiin. Kestääkö liittimesi kiertävää voimaa vaikka se on toiminnaltaan snap-in. Vähänkin erikoinen liitin saattaa olla laitteen kallein osa. 12
Yläkuvassa huono kotelointisuunnittelu. Säätimet ja liittimet kiinni kotelossa joka johtaa johdinsilmukoihin joista voi seurata häiriöitä. Huolto ja testaus on vaikeaa kun laiteta pitää purkaa jotta siihen pääsisi käsiksi. Alakuvassa parempi. Komponenttilevyt suunniteltu kotelon mittojen mukaan ja on käytetty kotelosuunnittelijan tarjoamia kiinnitystapoja. Kaikki kolme osaa voidaan irrottaa kun kotelo avataan. 13
Koteloon sijoitettavat osat on kiinnitettävä tukevasti. Ennen pitkää laite putoaa pöydältä tai joku potkaisee sitä. Kuvassa on Arduino-projekteja varten tarkoitettu pieni tiivis kotelo. Siinä ei kuitenkaan ole valmiina kiinnitysmahdollisuutta Arduinolle. 14
Jos laitteessa syntyy enemmän kuin muutama watti häviötehoa kuutiodesimetriä kohden, on jäähdytys tarkistettava. Yleensä se hoidetaan tekemällä koteloon reikiä. Jäähdytysilma ei kuitenkaan noudata aina kuviteltua reittiä vaan pienetkin esteet ja lämpötilaerot saattavat tehdä jäähdytyksestä toimimattoman. Seuraava vaihe on asentaa jäähdytyspuhallin. Olkoon sitten puhallin tai luonnollinen kierto, on huolehdittava siitä että jäähdyttävä ilma kulkee aina viileämmästä komponentista kuumempaan. Muuten ainakin luonnollinen kierto ei taatusti toimi. Kotelon puhkaiseminen ja ilman kierto tuovat pölyä laitteen sisään. Yksi vaihtoehto on käyttää lämpöpiippua lämmön kuljetukseen laitteen sisällä ja hoitaa lämmön siirto ilmaan vasta kotelon ulkopuolella. Usea läppärivalmistaja käyttää lämpöpiippua prosessorin jäähdyttämiseen. 15
Suosi umpikoteloa Järjestä tehokomponentit komponenttilevyllä kotelon seinien lähelle. Tarkista suurimpien tehokomponenttien häviöteho wattikin on liikaa jos se syntyy pienen laitteen uumenissa. Tee harkiten jäähdytysreikiä Se tarjoaa sisäänpääsyn myös pölylle, vedelle ja eliöille. Ilma ei useinkaan kierrä halutulla tavalla. Ilma kiertää helpoiten alhaalta ylös ja viileämmästä kuumimpaan komponenttiin. Jos käytät puhallinta Panetko sen imemään vai puhaltamaan? Käytätkö suodatinta? Säädätkö jäähdytystehoa tarpeen mukaan? Onko puhaltimen aukko kohdassa joka voidaan vahingossa tukkia? Puhalletaanko kuuma jäähdytysilma käyttäjää kohti? Mitä tapahtuu jos puhallin ei toimi tai suodatin tukkeutuu? 16
Ohjeita Verolevyn käyttöön: Tee ruutupaperille suunnitelma komponenttien paikoista ja niihin liittyvästä langoituksesta. Vaakavedot teet kupariliuskoja käyttäen. Pystyvedot tehdään johtimenpätkillä. Muista tehdä myös testipisteitä jotta voit tarkistaa signaalit eri kohdissa kytkentää. Pidä levyä käännellessäsi mielessä miten päin mikropiirien ja transistoreiden pinnit ovat. Ne joille Verolevy on outo voivat tutustua kytkennän toteutusohjeisiin sivuilla http://www.daftmike.com/2010/03/how-to-build-circuit-on-veroboard.html ja http://www.zen22142.zen.co.uk/prac/vero_circ/vero.htm 17
Enemmistö elektronisen laitteen osista on vakiokamaa: niiden mittoihin ja muihin ominaisuuksiin ei voi vaikuttaa. Ne asiat joihin voi vaikuttaa ovat Käyttöliittymä Kotelo Ohjelmisto Komponenttilevy(t) Ohjelmisto, käyttöliittymä ja kotelo suunnitellaan koko laite huomioon ottaen. Myös komponenttilevy on suunniteltava samaa kokonaisvaltaista suunnittelutapaa noudattaen. Usein komponenttilevyn suunnittelussa unohdetaan seuraavat asiat: Komponenttilevyn kiinnitys koteloon (pitää tietää millainen kotelo on). Liittimien sijoituksen sopivuus muihin kotelon komponentteihin (pitää tietää mitä muuta kotelossa on ja missä kohtaa). Komponenttilevyissä joilla on tehokomponentteja, jäähdytyksen järjestely kotelossa. Jäähdytyslevy kotelossa ei ole yhtä tehokas kuin vapaasti pöydällä. Komponenttilevyn suunnittelu on 3D-projekti. 18