Der Elektronik-Absolvent in KMU-Entwicklungsabteilungen

1. Der Elektronik-Absolvent in KMU-Entwicklungsabteilungen Ing. Thomas Pischinger 9. März 2010

2. Agenda • Persönliches • Erfahrungen / Aufgabengebiete • Allgemeine Anforderungen • Hardware-Entwicklung • Firmware-Entwicklung

3. Werdegang • Absolvent TGM Nachrichtentechnik (N81b) • 1982-2001 Datentechnik AG (Keymile AG) • Entwicklungsingenieur • Gruppen- bzw. Abteilungsleiter Bereich Entwicklung • Bildschirmtext • Datex-P (X.25) Lotto/Toto • ISDN • Datennetzabschlussgeräte mit Backup und Management

4. Werdegang • 2001-2003 maxxio technologies AG • Vorstand Technik • Datennetzabschlussgeräte mit Management, IP und Frame-Relay Routing auf Linux Basis • 2004-2007 Frequentis AG • Technischer Projektleiter • GSM-R Projekte in GB, FIN, N, CH

5. Werdegang • 2007-heute Winpresa Building Automation Technologies GmbH • Geschäftsführer / Bereich Technik • IP-basierende Kommunikationslösungen für alle möglichen Bereiche der Gebäudeautomation

6. Hardware -Entwicklungsschwerpunkte • Analogtechnik: • Netzteile (DC/DC-Wandler) • Nf-Verstärker • Filter • Digitaltechnik • FPGA (XILINX, Altera) • Microprozessor/-controller • µP (6502, Z80, 80188) • µC (8048, 8051, 68302, MPC860, MIPS, ARM) • Peripherie • SRAM, SDRAM • Serielle Controller (UART, HDLC) • ISDN (Basic -, Primary Rate Controller) • “Modem” (V.xx, SHDSL, ADSL) • EMV

7. Firmware - Entwicklungsschwerpunkte • Sprachen • Assembler • C (C++) • Betriebssysteme • Proprietäre Multitasking-System • LINUX • Anwendungen • Steuerungsaufgaben • Kommunikationsprotokolle • User Interfaces

8. Agenda • Persönliches • Erfahrungen / Aufgabengebiete • Allgemeine Anforderungen • Hardware-Entwicklung • Firmware-Entwicklung

9. Ausbildungsstand der Mitarbeiter Tendenz: HTL fallend TU fallend FH steigend

10. Entscheidungsgrundlagen für / gegen HTL-Absolventen • In Zeiten von Arbeitskräfte-Mangel: • keine („man nimmt was man bekommt“) • In Zeiten von Arbeitsplatz-Mangel: • keine Präferenz, sondern meist persönlicher Eindruck • aber: FH-Absolventen oft gleich teuer wie HTL-Absolventen!

11. Einsatzgebiete

12. Einsatzgebiete Hardware • Schaltungsentwicklung • analog • digital • µC • Stromversorgung • … • Bauteil-Evaluation (Studium, Test, Angebote einholen) • Prototypenaufbau • Simulation • Test • Hardware / Firmware - Integration • FPGA-Entwicklung (mit/ohne VHDL) • EMV – Messungen • Klimatests

13. Einsatzgebiete Firmware • Klein-Controller Anwendungen • ohne Betriebssystem • mit simplen Multi-Tasking-System • 90% Assembler / 10% C • proprietäre Betriebssysteme • Message Oriented Multitasking • Datenkommunikation • PPP,IP,UDP,TCP,FTP,Telnet, SNMP, … • Sprachkommunikation • ISDN Basic / Primary Rate • Steuerungsaufgaben • User Interfaces (seriell, menü-geführt) • 1% Assembler / 99% C

14. Einsatzgebiete Firmware • embedded Linux • Driver Entwicklung (ADC, Tasten, LEDs, LCD, ISDN BRI/PRI) • Sprach- / Datenkommunikation • Steuerungsaufgaben • User Interfaces (LCD, Command Line, Web) • 100% C

15. Einsatzgebiete Software • Linux • C, C++, Perl • Netzmanagement Systeme

16. Agenda • Persönliches • Erfahrungen / Aufgabengebiete • Allgemeine Anforderungen • Hardware-Entwicklung • Firmware-Entwicklung

17. Allgemeine Anforderungen • Soziale Kompetenzen • Kommunikationsfähigkeiten • Lernbereitschaft • Informationsbeschaffung • wo bekomme ich Informationen her? • was muss ich neu machen / was gibt es schon? • Qualitätsbewusstsein • „Übereinstimmung mit den Erwartungen des Kunden“ • Überschreitung ist genauso schlecht wie Unterschreitung ! • Englisch in Wort und Schrift

18. Allgemeine Anforderungen • Nachvollziehbarkeit • als Dogma der Qualitätssicherung • als Kostenfaktor für Wartung/Erweiterungen • Wiederverwendbarkeit • enormes Einsparungspotential für Firmen -> Dokumentation !

19. Entwicklungsprozess System Requirements Specification System Design Hardware Requirements Specification Software Requirements Specification Hardware Design Software Design Prototyping Coding Test Modul Test Serie Software Integration Test Test System Integration System Test

20. Dokumente • System Requirements („Pflichtenheft“) • System Design Document • Hardware Design • Software Design • Test Specification • Test Results

21. 100 Man/Hours 1 Syst. Specs Syst. Design SW Specs SW Design Coding Syst. Integ. Syst. Tests Operation Fehlerbehebungskosten

22. Qualitätsmanagement • in den meisten Firmen vorhanden • Die acht Grundsätze des Qualitätsmanagements (ISO9000:2000) : • Kundenorientierung • Verantwortlichkeit der Führung • Einbeziehung der beteiligten Personen • Prozessorientierter Ansatz • Systemorientierter Managementansatz • Kontinuierliche Verbesserung • Sachbezogener Entscheidungsfindungsansatz • Lieferantenbeziehungen zum gegenseitigen Nutzen

23. Qualitätsmanagement • Hauptkapiteln der ISO9001: • Vorwort / Allgemeines • Qualitätsmanagementsystem (allgem. Anforderungen, dokumentierte Anforderungen, QM-Handbuch, Lenkung von Dokumenten, Lenkung von Aufzeichnungen) • Verantwortung der Leitung • Management von Ressourcen • Produktrealisierung • Messung, Analyse und Verbesserung

24. Qualitätsmanagement-Prozess Ständige Verbesserung des Qualitätsmanagementsystems Kunden Kunden Verantwortung der Leitung Management von Ressourcen Messung, Analyse und Verbesserungen Zufrieden- heit Anforde- rungen Eingabe Produkt- realisierung Produkt Ergebnis

25. QM: Produktrealisierung • Planung der Produktrealisierung • Kundenbezogene Prozesse • Entwicklung • Beschaffung • Produktion und Dienstleistungserbringung • Lenkung von Überwachungs- und Messmitteln

26. QM: Entwicklung • Entwicklungsplanung • Milestones mit angemessener Bewertung, Verifizierung und Validierung • Entwicklungseingaben • Produktanforderungen ermittelt und aufgezeichnet • Entwicklungsergebnisse • in einer Form bereitgestellt, die deren Verifizierung ggü. Entwicklungseingaben ermöglicht • Entwicklungsbewertung • systematische Entwicklungsbewertungen gemäß Entwicklungsplanung

27. QM: Entwickung • Entwicklungsverifizierung • Entwicklungsergebnisse = Entwicklungsvorgaben? • Entwicklungsvalidierung • ist das resultierende Produkt in der Lage, die Anforderungen für die festgelegte Anwendung zu erfüllen • Lenkung von Entwicklungsänderungen • Änderungen müssen gekennzeichnet und aufgezeichnet werden

28. Projektanforderungen an Entwicklung • Anfrage • Machbarkeitsanalyse realisierbar? • Grobkostenanschätzung was kostet es? • Grobplanung wann fertig? • Durchführung • Terminplan • Kosten • Reporting • Ende • Produktionsüberleitung • Wiederverwendbarkeit !!! • Nachvollziehbarkeit !!!

29. Projektmanagement Know-How • Projekt Struktur Plan (PSP) • Kritischer Pfad • Gantt-Diagramm (Balkendiagramm) • MS-Project • Kostenerfassung

30. Agenda • Persönliches • Erfahrungen / Aufgabengebiete • Allgemeine Anforderungen • Hardware-Entwicklung • Firmware-Entwicklung

31. Hardware-Entwicklung • aktuelle Technologien • Schaltungseingabe / Simulation • EMV • Sicherheit • Layout • Testbarkeit

32. aktuelle Technologien • Fertigungstechnologie: • in Europa wenn möglich 100% SMT • in Asien oft herkömmlich / bedrahtet billiger • 32 Bit Microcontroller • ASICs werden durch FPGAs verdrängt • Ethernet auch in Branchen-Fremden Bereichen

33. Mikrocontroller • Jährliches Wachstum (2008): • 8 Bit - 5% • 16 Bit 0 • 32 Bit + 10 % • Key Driving Factors: • Automotive Industry • Identification and Security Market • DSP-fähige Controller für Consumer Market • möglichst geringer Stromverbrauch

34. Marktanteile Mikrocontroller

35. Mikrocontroller • ARM • immer mehr in Verwendung • riesige Anzahl von verschiedenen Produkten und Tools • verwendet in Mobiltelefonen, PDAs, Routern – z.B. iPod, iPhone, iPad • von unzähligen Herstellern lizenziert:

36. Mikrocontroller • MIPS • verwendet in Cisco Routern, Sony und Nintendo Spielkonsolen, Fritz!Box, Satelitenreceivern • z.B. Infineon INCA-IP2 für VoIP Endgeräte • ColdFire • abgeleitet von 68000 • verwendet in d-box, Siemens Nebenstellenanlagen (HiPath) und Novomatic Spielautomaten

37. Microcontroller • Blackfin • 32 Bit RISC + 16 Bit DSP • verwendet u.a. in digitalen Foto- und Filmkameras • PowerPC • PowerQUICC: für Kommunikationsanwendungen das Beste am Markt • 8051 • noch immer sehr weit verbreitet • vor allem bei Weiterentwicklungen von bestehenden Produkten • für Neuentwicklungen immer seltener

38. Soft-Cores für FPGAs • XILINX • 8051, 68HC05, 68HC08, 68HC11, PIC, 68000, 80186, PowerPC, TMS32025 • Picoblaze / Microblaze • 8 Bit / 32 Bit Controller • flexibel konfigurierbar • Altera • ARM Cortex M1, 8051, PIC, 68HC11, Z80, 68000, 80186, ColdFire • Nios II • 32 Bit RISC • flexibel konfigurierbar

39. Field Programmable Gate ArrayFPGA • 2010 starten ~110.000 neue Designs weltweit • Hersteller: • XILINX • ALTERA • VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language ) • wird bei vielen Firmen ausschließlich verwendet • Schaltungseingabe immer seltener • Design Rules • Synchrone Designs !!! • asynchrone Designs sind nicht reproduzierbar und abhängig von FPGA Geschwindigkeit • Intellectual Properties • sehr viele Funktionsblöcke / ICs als fertiges Design verfügbar

40. VHDL Beispiel: D-Flipflop (behavioural) synthetisierbar ENTITY DFlipflop IS PORT( D,Clk, nResetAsync: IN Bit; Q: OUT Bit ); END DFlipflop; ARCHITECTURE Behav OF DFlipflop IS BEGIN PROCESS(Clk,nResetAsync) BEGIN IF nResetAsync = '0' THEN Q <= '0'; ELSIF Clk'EVENT AND Clk = '1' THEN Q <= D; END IF; END PROCESS; END Behav;

41. Complex Programmable Logic Device CPLD • Hersteller: • XILINX • ALTERA • im Vergleich zu FPGA • exakt bestimmbare Durchlaufzeit • muss nicht bei jedem Start neu geladen werden • kein externer Speicher • vor allem für die Lösung komplexer, paralleler kombinatorischer AND/OR-Logik • pro Ein- bzw. Ausgabepins meist nur ein einziges Flipflop als Register zur Verfügung

42. Schaltungseingabe • Marktanteile Layout-Systeme: • Mentor Graphics: PADS / Expedition (35-40%) • Cadence: Allegro/OrCAD (35-40%) • Zuken: CADSTART (10%) • Altium: Designer (5%) • Bevorzugtes Tool für Schaltungseingabe: • Mentor Graphics – DxDesigner • für alle Layoutsysteme geeignet • Ergänzende Informationen für Layout: • geometrisches Aussehen (z.B. Breite der Leiterbahn, Abstand zu anderen Leiterbahnen) • elektrische Verhalten (z.B. Verzögerung, Wellenwiderstand, Übersprechgrenzen, differentielle Leitungen).

43. Simulation • analoge Simulation • SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) • PSpice (Cadence) • Simulation von Schaltungsteilen • HyperLynx (Mentor Graphics) • Simulation des gesamten Layouts • digitale Simulation • für VHDL basierende Designs • ModelSim

44. Elektromagnetische Verträglichkeit • Störaussendung • Störfestigkeit • wesentlicher Kostenfaktor, wenn nicht bereits beim Design berücksichtigt • Bandbreitenbegrenzung • lokale Entstörung (meist mit RC Gliedern möglich) • EMV-gerechtes Platinenlayout (Wellenwiderstand, Masseflächen) • fehlertolerante Software • für CE notwendig

45. Störfestigkeit EN61000-6-1/2 • Gehäuse • Magnetfeld mit energietechnischer Frequenz • 50/60Hz, 30A/m • Elektromagnetisches HF-Feld • 80-1000MHz, 10V/m, 80% AM 1kHz • Entladung statischer Elektrizität • Kontaktentladung (±4kV) • Luftentladung (±8kV)

46. Störfestigkeit EN61000-6-1/2 • Signal- und Steuerleitungen • Hochfrequenz, asymmetrisch • 0,15-80MHz, 10V, 80% AM 1kHz • Schnelle Transienten • ±1kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz • Stoßspannungen unsymmetrisch • 1,2/50µs, ±1kV • Gleichstrom-Netzein- und ausgänge • Hochfrequenz, asymmetrisch • 0,15-80MHz, 10V, 80% AM 1kHz • Schnelle Transienten • ±2kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz • Stoßspannungen unsymmetrisch/symmetrisch • 1,2/50µs, ±0,5kV

47. Störfestigkeit EN61000-6-1/2 • Wechselstromstrom-Netzein- und ausgänge • Hochfrequenz, asymmetrisch • 0,15-80MHz, 10V, 80% AM 1kHz • Schnelle Transienten • ±2kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz • Stoßspannungen • 1,2/50µs, ±2kV unsymmetrisch, ±1kV symmetrisch • Spannungseinbrüche • 30%, 0,5 Perioden / 60% 5 Perioden • Spannungsunterbrechungen • >95%, 250 Perioden • Funktionserdeanschlüsse • Hochfrequenz, asymmetrisch • 0,15-80MHz, 10V, 80% AM 1kHz • Schnelle Transienten • ±1kV, 5/50ns, 5kHz Wiederholfrequenz

48. Störaussendung EN61000-6-3/4 • Gehäuse • Freifeldmessung oder Absorberkammer • 30 – 1000MHz • Leitungsgebunde Störaussendung • Niederspannungs-Wechselspannungs-Stromversorgungsanschluss • Telekommunikationsanschluss • Netzanschluss • 0,15 – 30MHz

49. Sicherheit • EN 60950 „Low Voltage Directive“ • Sicherheit von Einrichtungen der Informationstechnik • Verringerung von Gefahren durch: • elektrischem Schlag (Spannungen > 60V DC) • Energie (Verbrennungen, Lichtbögen, Versprühen von Metallpartikel) • Brand • Hitze (Verbrennungen, Schwächung der Isolierung) • mechanischer Art (scharfe Kanten, bewegliche Teile) • Strahlung • chemischer Art (Kontakt oder Einatmung) • EN 60601 • Medizinische elektrische Geräte • für CE notwendig

50. Layout • meist nicht vom Entwickler gemacht • aber: Entwickler muss Richtlinien erstellen und kontrollieren • Platzierung • EMV • Sicherheit • Mechanik • Verbindungen