طراحی برد الکترونیکی سفارشی؛ از یک ایده خام تا PCB قابل تولید

طراحی برد الکترونیکی سفارشی؛ از یک ایده خام تا PCB قابل تولید

خیلی از محصولات الکترونیکی از یک جمله ساده شروع می‌شوند: «می‌خواهیم دستگاهی بسازیم که این کار را انجام دهد.»

مثلاً چند سنسور را بخواند، وضعیت یک دستگاه صنعتی را بررسی کند، اطلاعات را برای سرور بفرستد یا یک موتور و چند خروجی را کنترل کند. روی کاغذ شاید ساده به نظر برسد، اما وقتی قرار است این ایده به یک محصول واقعی تبدیل شود، تازه جزئیات شروع می‌شوند.

طراحی برد الکترونیکی سفارشی دقیقاً از همین‌جا معنا پیدا می‌کند؛ جایی که یک برد آماده بازار دیگر پاسخگوی نیاز پروژه نیست و سخت‌افزار باید بر اساس همان محصول طراحی شود.

طراحی خوب از PCB شروع نمی‌شود

یکی از اشتباه‌هایی که در پروژه‌های سخت‌افزاری زیاد اتفاق می‌افتد این است که خیلی زود سراغ شماتیک و PCB برویم.

فرض کنیم قرار است یک دستگاه پایش برای یک ماشین صنعتی طراحی شود. قبل از اینکه درباره مدل میکروکنترلر تصمیم بگیریم، چند سؤال مهم‌تر داریم: دستگاه با چه ولتاژی تغذیه می‌شود؟ چند سنسور دارد؟ اطلاعات باید کجا ارسال شوند؟ محیط نصب گرم، مرطوب یا پر از نویز الکتریکی است؟ ارتباط دستگاه با تجهیزات دیگر از چه طریقی انجام می‌شود؟

پاسخ همین سؤال‌ها ممکن است کل طراحی را تغییر دهد.

گاهی Wi-Fi کافی است، گاهی ارتباط سلولی لازم می‌شود و در یک پروژه صنعتی ممکن است RS-485 یا CAN اهمیت بیشتری داشته باشد.

یعنی قبل از کشیدن اولین مسیر روی PCB باید بدانیم محصول در دنیای واقعی قرار است چه کاری انجام دهد.

از شماتیک تا اولین نمونه‌ای که روی میز روشن می‌شود

بعد از مشخص شدن نیازها، معماری سخت‌افزار شکل می‌گیرد. پردازنده یا میکروکنترلر، مدار تغذیه، حافظه، ورودی و خروجی‌ها و بخش‌های ارتباطی انتخاب می‌شوند و شماتیک مدار کم‌کم کامل می‌شود.

اما انتخاب قطعه فقط مسئله فنی نیست.

ممکن است یک قطعه از نظر مشخصات عالی باشد، اما قیمت بالایی داشته باشد، به‌سختی پیدا شود یا برای تولید در تعداد بالا انتخاب مناسبی نباشد. اگر محصول قرار است بعداً وارد تولید شود، این مسائل باید از همان ابتدا دیده شوند.

بعد نوبت PCB است؛ مرحله‌ای که جای قطعات و مسیرهای روی برد مشخص می‌شوند.

در اینجا یک نکته مهم وجود دارد: درست بودن شماتیک، تضمین نمی‌کند PCB هم درست کار کند.

مسیر نامناسب تغذیه، طراحی ضعیف زمین، گرمای زیاد یک قطعه یا نویز روی سیگنال‌ها می‌تواند بردی را که روی کاغذ بی‌نقص به نظر می‌رسد، در عمل دردسرساز کند.

و بعد بالاخره اولین نمونه ساخته می‌شود.

این لحظه برای تیم سخت‌افزار معمولاً جذاب است؛ برد روی میز قرار می‌گیرد، تغذیه وصل می‌شود و همه منتظرند ببینند چه اتفاقی می‌افتد.

ولی Prototype قرار نیست فقط «روشن شود». قرار است ایرادهای طراحی را نشان دهد.

نسخه اول معمولاً نسخه آخر نیست

در یک پروژه واقعی کاملاً طبیعی است که اولین نمونه نیاز به تغییر داشته باشد.

ممکن است یک سنسور در محیط واقعی نویز بگیرد، مدار تغذیه تحت بار رفتار متفاوتی داشته باشد یا تازه هنگام مونتاژ متوجه شویم جای یک کانکتور مناسب نیست.

حتی تغییرهای کوچک می‌توانند نسخه بعدی را بسیار بهتر کنند.

در همین مرحله Firmware هم وارد تصویر می‌شود. بیشتر بردهای امروزی بدون نرم افزار داخلی عملاً محصول کاملی نیستند. Firmware باید سنسورها را بخواند، خروجی‌ها را کنترل کند، خطاها را مدیریت کند و در محصولات IoT، ارتباط با سرور را هم بر عهده بگیرد.

به همین دلیل سخت‌افزار و Firmware بهتر است از ابتدا در کنار هم دیده شوند، نه به‌عنوان دو پروژه جدا.

چه زمانی یک Prototype آماده تبدیل شدن به محصول است؟

اینکه یک برد روی میز مهندس درست کار کند، هنوز به معنی آماده بودن آن برای تولید نیست.

قبل از تولید باید چیزهای دیگری هم بررسی شوند: پایداری تغذیه، دمای قطعات، مصرف انرژی، مقاومت در برابر نویز، کیفیت کانکتورها، امکان تست و تعمیر و البته هزینه نهایی ساخت.

در عمل مسیر توسعه چیزی شبیه این است:

نیاز واقعی محصول → معماری → شماتیک → PCB → Prototype → تست → اصلاح → تولید

هرچه تصمیم‌های ابتدای این مسیر دقیق‌تر باشند، اصلاحات مراحل بعدی کم‌هزینه‌تر خواهند بود.

در نهایت، هدف از طراحی برد الکترونیکی سفارشی فقط ساخت PCB نیست. قرار است سخت‌افزاری ساخته شود که بیرون از محیط آزمایشگاه هم قابل اعتماد باشد و بتوان آن را به یک محصول واقعی تبدیل کرد.

اگر برای یک دستگاه صنعتی، محصول IoT یا سخت‌افزار اختصاصی ایده‌ای دارید، قبل از شروع PCB بهتر است ابتدا نیاز فنی، محیط استفاده و مسیر احتمالی تولید محصول مشخص شود. برای بررسی پروژه نیز می‌توانید از طریق تماس با اکسیر با تیم اکسیر در ارتباط باشید.