Modułowo czy jednopłytkowo?

Projektanci często stają przed dylematem – zrobić jedną dużą płytę z elektroniką w urządzeniu czy lepiej podzielić na kilka modułów funkcjonalnych? Przykład systemów embedded pokazuje, że warto jednak postawić na układy, które są łatwiejsze w modyfikacji, a przede wszystkim w późniejszym serwisowaniu. Z tego podejścia wynikają również inne korzystne aspekty. 

© Phoenix Contact

Rysunek1: Dowolność aranżacji PCB dzięki odpowiedniemu systemowi złącz to dziś nie problem.

Jedna PCB w urządzeniu ma zaletę ekonomiczności produkcji. Tam, gdzie zależy nam na jak najniższym koszcie jednostkowego urządzenia, które docelowo i tak nie ma zbytnich ograniczeń gabarytu, najprościej jest upakować wszystko na większym laminacie. Długoseryjna produkcja tej samej rewizji układu jest stała/niezmienna, po rozpoczęciu procesu może on być prowadzony przez tych samych operatorów, na tych samych maszynach. I często w ten sposób produkuje się urządzenia na których nie spoczywa za duża odpowiedzialność (nie jest wymagana wysoka niezawodność). 

© Phoenix Contact

Rysunek 2: Sprawna, niczym nie zakłócona transmisja to kluczowy element wielu dzisiejszych projektów.

Jednak to właśnie systemy modułowe, choć z pozoru droższe w produkcji, w ujęciu całościowym mogą wypaść korzystniej. Jeśli zaprojektujemy całe urządzenie jako złożenie z poszczególnych układów (np. odrębny moduł procesorowy, komunikacyjny, I/O, zasilacz) to łatwiej jest osiągnąć kilka istotnych celów, wymienionych poniżej:

1. Dywersyfikacja produkcji – można zlecić zaprojektowanie i wykonanie konkretnego modułu wyspecjalizowanej firmie, która posiada odpowiednie kwalifikacje czy park maszynowy (np. skomplikowane testery półproduktów). 
2. Łatwość wszelkich zmian konstrukcyjnych – jeśli okaże się, że warto poprawić np. moduł komunikacyjny (przykładowo, poprzez zaadaptowanie nowych technologii jak np. dołożenie interfejsu Single Pair Ethernet) to przeprojektowaniu ulega znacznie mniejszy układ. Nie musimy ruszać tych elementów, które działają prawidłowo. Nie traci na tym jakość i wcześniej potwierdzona niezawodność całego urządzenia – po prostu trafia do oferty jako udoskonalony wariant już sprawdzonego i przyjętego przez rynek systemu. 
3. Szybka aktualizacja do nowych wymagań – w nawiązaniu do wyżej wspomnianych zmian, koszt dostosowania działającego systemu do nowych dostępnych technologii jest zminimalizowany. Czasami wystarczy wymienić lub dodać jeden moduł i uzyskać nowe funkcjonalności. Ale to nie tylko znacznie niższy koszt czysto finansowy dla użytkownika końcowego. Nie do pominięcia jest czas przerwy pracy całego systemu, co znacząco redukuje przestoje technologiczne. Konieczność wymiany generacji np. sterownika skomplikowanego systemu procesowego często pociąga za sobą ponowne pełne okablowanie szafy sterowniczej, co oprócz dodatkowego czasu zwiększa ryzyko popełnienia pomyłki i konieczność dalszego pogłębiania przestoju.
4. Tańsza eksploatacja – ewentualne naprawy serwisowe wiążą się z wymianą uszkodzonego modułu, a nie całości. Często mogą być wykonane na miejscu, bez przedłużania wyłączenia całego systemu. Dołożyliśmy zbyt dużo czujników i zasilacz nie wyrabia? Wymieniamy moduł zasilacza. Zapomnieliśmy zadbać o ochronę przeciwprzepięciową dłuższego kabla Ethernet i wskutek gwałtownego skoku napięcia w biegnącej obok linii zasilającej uszkodzeniu uległ port komunikacyjny? Szybko wymieniamy odpowiedni fragment urządzenia. To nie są duże koszty w porównaniu do urządzeń zbudowanych na jednej płycie. 
5. Ekologia – ten aspekt także jest poruszany coraz częściej. Niektóre firmy wręcz prześcigają się w rozwiązaniach, które pozwalają zostawiać coraz mniejsze „ślady śmieciowe” po sobie. Jak najdłuższe wykorzystywanie raz zbudowanego systemu, jak najmniejsza ilość odpadów po ewentualnych serwisach – to wszystko jest łatwiejsze do osiągnięcia w przypadku urządzeń modułowych. 

© Phoenix Contact

Rysunek 3: Rozszerzenie modułu komunikacyjnego o najnowsze standardy? Tu jako przykład dostosowania systemu do obsługi kamery wizyjnej za pomocą SPE (transmisja danych i zasilanie na dwóch przewodach).

Aby podział projektowanego układu elektronicznego na mniejsze moduły mógł w ogóle być możliwy do wykonania, konstruktorzy muszą mieć swobodę w wyborze odpowiedniego systemu połączeń. Powinny one pozwalać na bezproblemowe przekazywanie pomiędzy mniejszymi PCB zasilania, sygnałów i niezakłóconą transmisję danych wybranymi magistralami. Na szczęście producenci komponentów nadążają za trendami i oferują coś więcej niż systemy połączeń oparte o stare złącza krawędziowe lub zwykłe połączenia kołkowe. Nowe złącza płytka-płytka umożliwiają uzyskanie dość wysokiej gęstości upakowania styków, bardzo niskie rezystancje i pojemności na połączeniach czy też ekranowanie przed zakłóceniami. Istotne są także takie aspekty jak łatwość mechanicznego łączenia, odporność na nieprawidłowe próby ich wykonania czy gwarancja transmisji po wielokrotnym rozłączaniu. Dobrze jest mieć też świadomość, że znikają ograniczenia co do orientacji płytek w przestrzeni – równolegle jedna za lub ponad drugą, prostopadle czy też możliwość wpięcia wtyku z kablem taśmowym. To pozwala konstruktorom na dużą swobodę w pracy. Wymagane często niskie tolerancje montażowe mają odzwierciedlenie w dokładnych modelach 3D, co znacząco upraszcza proces projektowania. Dostępność odpowiednich bibliotek do używanych programów jest tu kluczowa.© Phoenix Contact

Rysunek 4: Spójna konstrukcja przy wykorzystaniu zaledwie 2 różnych części męskich i żeńskich pozwala na pokrycie szerokiego zakresu odległości między laminatami. 

Jak widać konstruktorzy dostają coraz więcej „narzędzi”, które pozwalają sprawniej realizować zlecane im zadania projektowe. Branża elektroniki jest niezmiennie rozwijającą się, więc wszelkie nowości odpowiadające na potrzeby rynku są witane z entuzjazmem. W ich wykorzystaniu co prawda nadal prym wiodą najmłodsi inżynierowie, nie mniej jednak coraz częściej doświadczona kadra sięga po nowinki techniczne, w czym często pomaga zaufanie, jakim darzą od lat konkretnych producentów/specjalistów z branży. 

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Phoenix Contact

Autor:

inż. Piotr Andrzejewski

Phoenix Contact

Menadżer Segmentu Przyłączy do Urządzeń

pandrzejewski@phoenixcontact.pl