У вас есть идея, которую вы хотели бы реализовать на рынке? В этой серии Джон Тил описывает процесс масштабирования от прототипа до производства. Следуйте каждой статье, чтобы подробнее узнать, как объединять отдельные компоненты.
Вы мечтаете разработать новый популярный аппаратный гаджет и вывести его на рынок? Возможно, ваша цель - сделать мир лучше с помощью вашего продукта, или, возможно, вы просто хотите разбогатеть, продавая свой продукт.
Разработка прототипа проекта с использованием Arduino, Raspberry Pi или другой платформы разработки - отличный первый шаг. Однако вам еще многое предстоит сделать, если вы хотите превратить его в нечто, что можно будет производить и продавать массам.
В этой статье я разобью процесс на выполнимые шаги, чтобы вы могли приступить к осуществлению своей мечты!
Шаг 1: выберите основные электронные компоненты
Первый шаг - выбрать основные микрочипы (т.е. интегральные схемы), датчики, дисплеи, разъемы и другие электронные компоненты на основе желаемых функций и целевой розничной цены.
Лучшими местами для поиска и приобретения электронных компонентов являются крупные дистрибьюторы, такие как Arrow, Digikey, Mouser и Future. Компоненты можно приобрести поштучно (для прототипирования и начального тестирования) или до тысяч (для мелкосерийного производства) у любого из этих поставщиков. AdaFruit и SparkFun - два лучших ресурса по электронным модулям, комплектам, датчикам, камерам и другим электронным компонентам.
Шаг 2: Создайте принципиальную схему
После того, как все основные компоненты выбраны, следующим шагом будет соединение их всех вместе в принципиальную схему. Принципиальная схема похожа на проект дома.
На схеме показано, как все компоненты, от микрочипов до простых резисторов, соединяются вместе. Схема представляет собой абстрактное представление конструкции электроники. Для многих это может оказаться самым трудным шагом в освоении, поскольку для этого требуется фундаментальное понимание проектирования электроники.
Я предлагаю начать с прототипа на базе Arduino или Raspberry Pi, а затем вы сможете скопировать множество их схем с открытым исходным кодом, как только будете готовы перейти на полностью индивидуальный дизайн. Если у вас нет хорошего понимания электроники, у вас есть три варианта: найти сооснователя, который это понимает, самостоятельно изучить основы электроники или нанять инженера-проектировщика электроники, чтобы он либо полностью спроектировал схему, либо, по крайней мере, проверил вашу дизайн.
Шаг 3. Создайте спецификацию
Теперь пришло время создать подробный список деталей, который называется Спецификацией материалов (BOM). В спецификации указаны номер детали, описание детали, количество и, возможно, цена детали. Вы уже должны были выбрать наиболее важные компоненты на шаге №1. Итак, теперь вы должны указать все вторичные компоненты, такие как конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, разъемы и т. д.
Обратите внимание, что при желании спецификацию можно создать после шага №4, но если сделать это заранее, вы сможете быстрее оценить себестоимость вашего продукта.
ШАГ 4: Проектирование печатной платы
Теперь пришло время взять концептуальную принципиальную схему и превратить ее в реальную электронику: печатную плату (PCB).
Печатная плата - это физическая плата, которая удерживает и соединяет все электронные компоненты. Для многих проектов создание разводки печатной платы является более сложным и трудоемким процессом, чем разработка исходной схемы.
В большинстве случаев, чем плотнее компоненты упакованы вместе, тем больше времени потребуется для создания разводки печатной платы. Это означает, что для действительно небольших продуктов, таких как носимые технологические устройства, создание разводки печатной платы потребует дополнительного времени.
Если ваш гаджет потребляет большое количество энергии или предлагает беспроводное соединение, то разводка печатной платы становится еще более важной и трудоемкой.
Для продуктов беспроводной связи вам необходимо обратить особое внимание на разводку печатной платы для радиочастотных цепей, что обычно означает антенну. Расположение антенны не только важно, но и сложно. Неправильное расположение антенны, вероятно, является одной из наиболее частых ошибок при проектировании печатных плат. Я настоятельно рекомендую вам попросить производителя антенны или независимого инженера проверить схему вашей антенны перед созданием прототипа. Просто обязательно наймите инженера, имеющего опыт разводки антенных плат, поскольку у большинства из них не будет необходимого опыта.
Имейте в виду, что вам, вероятно, все равно потребуется настроить антенну для достижения максимальной эффективности. Часто производитель вашей антенны предоставляет такую услугу по настройке.
Шаг 5: Закажите прототипы печатных плат
Производство прототипов электронных печатных плат представляет собой двухэтапный процесс. Первым шагом является изготовление голых печатных плат. На этом этапе я использую либо Sunstone Circuits, либо San Francisco Circuits, но есть и много других вариантов. Второй шаг - сборка всех электронных компонентов на печатной плате. Для этого шага я обычно использую компанию Screaming Circuits.
Сборка обычно является самым дорогим этапом и, по моему опыту, составляет около двух третей общей стоимости печатной платы. Чтобы сэкономить деньги, вы, конечно, можете паять компоненты самостоятельно, если вы умеете паять. Однако многие современные компоненты не имеют выводов (выводы находятся под деталью), поэтому их невозможно сделать вручную.
В большинстве случаев получение полностью собранных плат займет пару недель, если только вы не доплатите за ускоренное обслуживание. Обычно я заказываю около 5 плат в сборе, которые обычно стоят около 2000 долларов.
Если сверхмалый размер абсолютно важен для вашего продукта (например, носимых устройств и устройств Интернета вещей), то вам, возможно, придется рассмотреть более продвинутые методы производства печатных плат для достижения желаемого размера. Например, использование скрытых и/или глухих переходных отверстий позволит вам упаковать все невероятно плотно. Однако эти расширенные переходные отверстия могут легко утроить стоимость вашего прототипа, поэтому лучше использовать их только в том случае, если это необходимо для успеха продукта.
Шаг 6: Программирование микроконтроллера или микропроцессора
Большинство электронных устройств содержат микрочип, называемый микроконтроллером (MCU) или микропроцессорным блоком (MPU), который служит основным «мозгом» устройства. Как следует из названия, MCU отлично справляется с управлением, а MPU отлично справляется с обработкой данных. MCU - это в значительной степени медленный MPU с меньшим объемом памяти и меньшим количеством контактов, но с большим количеством встроенных периферийных устройств для взаимодействия с внешним миром. MCU не требует такой операционной системы, как система на базе MPU, что делает его гораздо более простым решением.
Например, Arduino - это система разработки на основе микроконтроллера (MCU), тогда как Raspberry Pi - это более мощная платформа на базе микропроцессора (MPU) с полноценной операционной системой.
Независимо от того, использует ли ваш продукт микроконтроллер или микропроцессор, его необходимо запрограммировать. Эта программа (называемая прошивкой), скорее всего, будет разработана с использованием компьютерного языка «C».
Шаг 7: Оценка, отладка и повторение
Первая версия любого нового продукта никогда не выходит на рынок, и любые проблемы будут исправлены в следующей итерации прототипа. Почти всегда будут какие-то проблемы, поэтому не будьте нереалистично оптимистичны при составлении планов развития и финансирования. Планируйте реальность.
Этот шаг может оказаться сложным для прогнозирования с точки зрения затрат и времени. Любые обнаруженные проблемы, конечно, неожиданны, поэтому потребуется время, чтобы выяснить источник ошибки и определить, как лучше ее исправить. Однако любой компании, разрабатывающей новые аппаратные продукты, приходится преодолевать одно и то же препятствие.
Шаг 8: Сертификация
Для продажи нового электронного продукта в большинстве стран требуется несколько типов сертификации. Точные необходимые сертификаты зависят от страны/региона, где будет продаваться продукт.
Предупреждаю вас, что получение сертификатов стоит недешево, и сертификация большинства продуктов будет стоить от 10 до 30 тысяч долларов. К счастью, есть способы снизить эти затраты, например, используя предварительно сертифицированные беспроводные модули. Ниже приведен краткий обзор сертификатов, необходимых в США, Канаде и Европе.
Сертификация Федеральной комиссии по связи (FCC) требуется для всей электротехнической продукции, продаваемой в США. Продукты, которые целенаправленно не излучают электромагнитную энергию (т. е. не имеют беспроводных функций), классифицируются как не излучающие. С другой стороны, беспроводные продукты целенаправленно передают электромагнитную энергию и классифицируются как намеренные излучатели. Получить сертификацию FCC для специального радиатора гораздо дороже.
UL (Лаборатории страховщиков)илиCSA (Канадская ассоциация стандартов) Сертификация требуется для любого электротехнического изделия, продаваемого в США и/ или Канаде, который подключается к электрической розетке переменного тока. Продукты, работающие только от аккумуляторов без возможности подзарядки, не требуют сертификации UL/CSA. Однако большинство розничных сетей и/или компаний по страхованию ответственности за качество продукции потребуют сертификации UL/CSA для любого электронного продукта.
CE (Conformité Européene) сертификация требуется для продуктов, продаваемых в Европейском Союзе (ЕС). Это похоже на сертификаты FCC и UL, необходимые в США.
RoHS (ограничение использования опасных веществ) сертификация требуется для электротехнической продукции, продаваемой в Европейском Союзе (ЕС). Он подтверждает, что электроника не содержит свинца.
Вывод
Если для вашего продукта требуется электроника, это, несомненно, усложнит разработку продукта. Это означает увеличение стоимости, времени и рисков разработки.
Чтобы снизить риск разработки (и, как правило, затраты и время), я настоятельно рекомендую вам получить второе мнение по любому проекту, прежде чем создавать его прототип. Второе мнение, обычно называемое обзором дизайна, может значительно снизить вероятность ошибок. С другой стороны, переход электроники от прототипа к массовому производству относительно прост.