Zaloguj się
Wszystkie
23 sierpnia 2023
514
Prototyp – krótkie słowo o wielkim znaczeniu
Internetowy Słownik Języka Polskiego PWN określa prototyp na trzy sposoby, spośród których zastosowaniom inżynierskim najlepiej odpowiada pierwsza definicja: pierwszy wykonany według dokumentacji model maszyny lub urządzenia, stanowiący podstawę do dalszej produkcji (sjp.pwn.pl).
Warto jednak zwrócić uwagę, że w praktyce pojęcie prototypu jest zwykle stosowane znacznie szerzej – mianem tym określamy bowiem nie tylko pierwszy model urządzenia, wykonany ściśle według dokumentacji produkcyjnej, ale także wszelkie wcześniejsze wersje, znacznie bardziej oddalone od finalnego wyglądu, konstrukcji i funkcjonalności docelowego wyrobu. Samo prototypowanie jest bowiem iteracyjnym procesem, polegającym na wprowadzaniu kolejnych elementów sprzętowych i (przynajmniej w zdecydowanej większości przypadków) funkcji programowych, a następnie testowaniu ich, optymalizacji itd. Co prawda najbardziej doświadczeni inżynierowie są w stanie opracowywać i z powodzeniem uruchamiać spore bloki funkcjonalne (a w przypadku mniejszych projektów – nawet kompletne urządzenie) w już pierwszej iteracji prototypowania, jednak zwykle i tak zachodzi potrzeba wprowadzenia pewnych zmian w oryginalnej koncepcji. Z tego też względu podczas prac rozwojowych nad układami elektronicznymi i systemami wbudowanymi widokiem całkowicie naturalnym jest jeden lub kilka przewodów pomiędzy określonymi padami na płytce drukowanej, zwykle w celu uzupełnienia brakujących połączeń czy też poprawy zamienionych linii danych. Dopóki takie drobne poprawki pojawiają się w pierwszej uruchomionej wersji projektu, mogą one być uznane za zwyczajny element procesu prototypowania, problem pojawia się jednak wtedy, gdy takie nieprofesjonalne metody muszą być stosowane do całej serii docelowych urządzeń.
Autor sam znalazł kiedyś w jednym z komercyjnie dostępnych urządzeń zestaw kilku rezystorów SMD, wlutowanych… jeden na drugim, piętrowo. Należy dodać, że wspomniany w artykule przypadek był problematyczny nie tyle z uwagi na samo zastosowanie „kanapki” do połączenia kilku równoległych rezystorów, co ze względu na fatalną jakość wykonania tegoż montażu. Warto bowiem dodać, że standard IPC-610E dopuszcza w pewnych sytuacjach lutowanie elementów SMD jeden na drugim, ale wymaga to spełnienia szeregu warunków i zdecydowanie nie powinno być stosowane jako „partyzancka” metoda poprawy projektów. Aby ustrzec się przed takimi wpadkami, warto poświęcić możliwie jak najwięcej uwagi właśnie prototypom.
Znaczenie prototypów w cyklu rozwojowym urządzeń
Zanim przejdziemy do prezentacji poszczególnych rozwiązań, stosowanych w procesie prototypowania, warto zatrzymać się jeszcze na moment i zastanowić głębiej nad praktycznym znaczeniem prototypów dla współczesnych przedsiębiorstw. Najważniejsze aspekty – z punktu widzenia technologicznego, finansowego, logistycznego oraz strategicznego – można zebrać w siedmiu punktach.
- Testowanie i walidacja koncepcji – prototyp (w zależności od tego, w jakim stopniu jest zbliżony do rozwiązania docelowego) pozwala zespołowi projektowemu sprawdzić, czy przyjęta koncepcja konstrukcji bądź metody działa w praktyce – tak w warunkach laboratoryjnych, jak i rzeczywistych (lub bardzo do nich zbliżonych). W przypadku projektów hi-tech wczesne prototypy najczęściej znacznie odbiegają (formą czy rozmiarami) od docelowego rozwiązania, gdyż ich celem jest weryfikacja samej technologii u podstaw, a nie szybkie przygotowanie do produkcji seryjnej.
- Identyfikacja błędów i problemów – bodaj najważniejszym (z technicznego punktu widzenia) zadaniem prototypu jest wskazanie błędnych założeń, niedociągnięć w projekcie czy też niewłaściwego zachowania w określonych, często dość specyficznych warunkach pracy. Wykryte problemy mogą dotyczyć zarówno niezgodnych (z założeniami lub wymaganiami klienta) parametrów technicznych, funkcjonalności, użyteczności, trwałości (odporności na warunki środowiska lub niewłaściwe użytkowanie), jak i bezpieczeństwa.
- Weryfikacja specyfikacji technicznych – prototypowanie pozwala na sprawdzenie, czy urządzenie spełnia wszystkie założone specyfikacje techniczne – zużycie energii, kompatybilność, stabilność termiczną i długoczasową, wynikowy poziom szumów itp.
- Testowanie interfejsu użytkownika – wytworzenie prototypu zbliżonego do wersji końcowej (produkcyjnej) pozwala na ocenę, na ile intuicyjny i łatwy w obsłudze jest interfejs HMI oraz umożliwia zidentyfikowanie obszarów, które mogą wymagać poprawy, np. w zakresie interfejsu graficznego (GUI), responsywności, a nawet… rozmieszczenia złączy oraz pozostałych elementów obsługowych. To właśnie dzięki fizycznym prototypom można nierzadko wykryć błędy projektowe, na które trudno byłoby wpaść analizując jedynie trójwymiarowe symulacje produktu – jednym z tego typu problemów może być np. niewłaściwe umiejscowienie gniazda zasilania, utrudniające użytkowanie urządzenia w typowej pozycji.
- Zbieranie informacji zwrotnej od użytkowników – dopracowane prototypy o postaci i funkcjonalności odpowiadającej w całości (lub przynajmniej w znacznej większości aspektów) wersji docelowej mogą być używane do zbierania informacji zwrotnej od potencjalnych użytkowników, odgrywających rolę pierwszych testerów. Takie dane są niezwykle cenną wskazówką dla projektantów, umożliwiającą ulepszanie i doskonalenie produktu przed jego wprowadzeniem na rynek – często zdarza się, że założenia projektantów ulegają zmianie w konfrontacji z rzeczywistymi potrzebami i reakcjami odbiorców.
- Zredukowanie ryzyka i kosztów – odpowiednio zaplanowany proces prototypowania pozwala na identyfikację i rozwiązanie problemów na wczesnym etapie rozwoju produktu, co w każdym przypadku okazuje się znacznie mniej kosztowne i czasochłonne niż próba rozwiązania tych problemów już po wprowadzeniu produktu na rynek lub jeszcze w trakcie badań laboratoryjnych, realizowanych na potrzeby certyfikacji wyrobu.
- Prezentacja produktu inwestorom lub klientom – w niektórych przypadkach prototyp może służyć jako demonstracja produktu dla potencjalnych inwestorów lub pierwszych odbiorców. Na tym etapie warto poświęcić więcej uwagi wykonaniu estetycznej obudowy urządzenia oraz dopracowaniu interfejsu graficznego i identyfikacji wizualnej, choć od strony funkcjonalnej produkt często występuje w fazie MVP (Minimum Viable Product), czyli w okrojonej wersji, która realizuje tylko najważniejsze zadania, ale nie ma jeszcze implementacji wszystkich docelowych opcji, oczekiwanych w pełnowartościowym produkcie rynkowym.
Symulacje, czyli... prototyp w pamięci komputera
Symulacja komputerowa stanowi niezwykle cenne narzędzie zarówno w rękach projektantów elektroniki, jak i inżynierów mechaników. I choć techniki symulacyjne nie mieszczą się w klasycznym pojęciu prototypu jako takiego, to warto o nich wspomnieć z prostej przyczyny – w wielu przypadkach mogą one zastąpić znaczną część prac nad uruchamianiem i pomiarami fizycznego prototypu, co ma niebagatelne znaczenie dla redukcji kosztów oraz czasu wdrożenia produktu (time-to-market).
Popularność symulacji jako narzędzia do wstępnej walidacji założeń projektowych jeszcze przed wlutowaniem pierwszego elementu na PCB bądź wykonaniem pierwszego otworu w obudowie sprawiła, że największe pakiety CAD i EDA są standardowo (bądź za pośrednictwem opcjonalnych wtyczek) wyposażane w zaawansowane silniki obliczeniowe, pozwalające na prowadzenie rozmaitych „testów cyfrowych” na bazie natywnych plików projektu. To ważne zwłaszcza z punktu widzenia wygody i szybkości pracy – dawniej schemat ideowy (lub – częściej – jego fragment, będący przedmiotem wątpliwości projektanta) należało ręcznie przerysować ze środowiska EDA do symulatora, co znacznie utrudniało wprowadzanie poprawek i utrzymanie aktualności danych oraz ich zgodności pomiędzy obydwoma systemami. W nowoczesnych pakietach, wspierających projektowanie elektroniki, ten sam schemat może posłużyć zarówno jako dokumentacja dla projektu PCB, jak i baza do wykonania symulacji. Co ważne, nie mówimy tutaj tylko o typowych rodzajach obliczeń (np. analizie punktu pracy, symulacji typu DC sweep, AC, czy też o wyznaczaniu stanów przejściowych, poziomu szumu, a nawet analizie fourierowskiej czy Monte Carlo), ale także o rozmaitych analizach specjalnego przeznaczenia, stosowanych w ramach określonych obwodów urządzenia.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
