Jste zde

Modulární řešení versus diskrétní design

SOS electronic, 4D Systems, 13. Červenec 2021 - 8:19

Životní cykly vývoje produktů se zkracují, tlak na zkrácení času při uvedení nových produktů na trh roste. Organizace vždy hledají pro své aplikace jednodušší a flexibilnější zobrazovací řešení.

Od designérů a výrobců se často vyžaduje, aby navrhli do svých nových zařízení displeje nebo inovovali svá stávající zařízení nahrazením fyzických tlačítek grafickými dotykovými displeji. Tento úkol se často snadněji řekne, než udělá.

Jak jsme porovnali diskrétní design a modulární řešení displeje

Existují dva způsoby přidání displeje k designu, a to buď:

cestou několika kroků od projektování v diskrétním LCM, vývoje všech požadovaných knihoven, až po software pro řízení displeje (diskrétní design),
nebo pomocí standardního inteligentního zobrazovacího modulu, který je prakticky připraven k okamžitému použití (modulární řešení).

Obě možnosti by se měly podrobně zvážit v počáteční fázi plánování.

Každá z těchto dvou možností má své výhody a nevýhody pokud jde o náklady, flexibilitu, škálovatelnost, kontrolu nad komponenty, čas vývoje, náročnost vývoje atd. Pokud se podíváme pouze na cenu materiálu, diskrétní design se může jevit jako atraktivnější možnost ve srovnání s cenou hotového modulu. Nicméně pokud vezmeme v úvahu čas a zdroje potřebné pro samotný design ve srovnání s hotovým modulovým řešením, výhody mohou být vyvážené.

Výhody samotného designu: krátkodobý a dlouhodobý nákladový přínos
Výhody modulového řešení: snadné použití a rychlost

Implementace diskrétního designu

Uveďme si příklad, kde je existující aplikace nebo zařízení inovováno tak, aby obsahovalo grafické uživatelské rozhraní (GUI) s dotykovou funkčností. To znamená výměna fyzických tlačítek nebo jiných vstupních zařízení za dotykový panel.

Toto stávající aplikační zařízení pracuje na 8bitovém mikrokontroléru (MCU), je třeba jej inovovat tak, aby mělo barevný grafický displej s dotykovým rozhraním. Zatímco většina MCU je schopna propojit se s LCD pomocí kontroléru, velikost a rozlišení displeje by byly omezeny zdroji MCU. Kontrolér může být integrován do MCU nebo do displeje. Je možné, že 8bitový MCU dokáže řídit dvouřádkový bodově-maticový displej, ale nemusí mít dostatečný procesní výkon, aby mohl řídit něco většího.

K vytvoření poutavého a graficky bohatého prostředí bude třeba, aby designér do aplikace přidal značné množství zabudovaného softwaru (knihovny, obrazové soubory). Už jen samotné vývojové úsilí aby byl displej LCD jako výstupní zařízení je značně náročné. Když se k tomu přidá dotyková funkce, bude to ještě složitější a LCD se použije jako vstupní zařízení.

Při použití tohoto přístupu je třeba věnovat značné množství výzkumu a úsilí vývoji hardwaru i softwaru. Po dokončení vývoje aplikace a spuštění výroby je nezbytné dodržovat přísnou kontrolu zobrazení na displejích. Vždy existuje možnost, že se na displeji něco změní bez předchozího upozornění. Tato změna může způsobit problémy se sestavením a vyžadovat přestavbu nebo vylepšení ovladačů displeje. Ke splnění tohoto úkolu může být potřebný vyhrazený tým techniků. Ještě větší riziko však představuje krátký životní (výrobní) cyklus většiny dnešních TFT displejů. I když se téměř vždy najde náhrada, jen málokdy je to úplná náhrada 1: 1, bez nutnosti dalšího SW nebo HW redesignu.

I když vývoj vlastního samostatného designu poskytuje větší kontrolu nad kusovou výrobou (malé série) a náklady, přináší další náklady spojené se zvýšenými náklady na inženýrství a vývoj. Bereme také v úvahu čas potřebný na vývoj dle kroků uvedených výše.

Implementace modulárního designu

Alternativním přístupem k navrhování displeje je použití standardního inteligentního zobrazovacího modulu. Moduly (např. gen4-uLCD) tohoto typu obvykle obsahují standardní rozhraní jako I2C, SPI nebo UART pro komunikaci s hostitelem. Některé moduly také obsahují zabudovaný mikrokontrolér, který se stará o všechny grafické prvky a může také obsahovat různé I/O a další periferie, které potenciálně umožňují modulu řídit celou cílovou aplikaci.
Mnoho modulů má zabudováno různé funkce, které umožňují relativně snadné ovládání z hostitelského MCU. Některé moduly přicházejí s plnohodnotným integrovaným vývojovým prostředím, které integruje design a konstrukci grafického uživatelského rozhraní jako součást celkového procesu zabudovaného návrhu. Některé z těchto IDE funkcí a drag-and-drop „WYSIWYG“ vývojových pracovních postupů umožňují extrémně rychlý vývoj prototypů a aplikací bez nutnosti psaní kódu.
Výhodou použití modulového přístupu je, že všechny ovladače, základní prvky a funkce grafického uživatelského rozhraní již byly vyvinuty a testovány. Hostitelský MCU také může uložit všechny úlohy zobrazení do modulu, takže hostitel může věnovat všechny své zdroje hlavní aplikaci.

Tímto způsobem se mohou inženýři soustředit na skutečný design grafického uživatelského rozhraní bez obav z vývoje na nízké úrovni. V podstatě je to nastartování celkového vývoje a eliminace měsíců času potřebného k nastavení základních věcí.

V současnosti jsou k dispozici různá řešení inteligentních modulů. Jedno takové řešení je k dispozici od společnosti 4D Systems v různých zobrazovacích modulech několika velikostí a dotykových možností, které jsou programovány pomocí integrovaného vývojového prostředí 4D Workshop4 IDE.
Moduly HMI série gen4 byly navrženy tak, aby fungovaly s téměř libovolnou formou hostitelského MCU nebo procesoru. Funguje to i pro malá zařízení, protože veškerá interakce mezi zobrazovacím modulem a hostitelem probíhá přes jednoduché sériové spojení, které podporuje většina MCU.
Modul displeje odstraňuje všechny designové požadavky nižší úrovně, vývojář se může soustředit na vývoj skutečného grafického uživatelského rozhraní a základní aplikace.
Prototypy tak mohou být hotové do několika dnů a konečná aplikace pak do několika týdnů, čímž se radikálně zkrátí čas uvedení na trh.

Analýza nákladů - diskrétní í verzus modulární návrh

Podívejme se na možný scénář analýzy nákladů, abychom viděli i to, co říkají čísla. Jako příklad se podívejme na scénář, ve kterém je 4,3 palcový LCD displej s kapacitním dotykovým panelem a krycím sklem, navržený do existující aplikace. Pro srovnání uvedeme oba designy. Použili jsme příklad od firmy 4D Systems, která sídlí v Austrálii.

Příklad designové specifikace

• Životnost projektu: 2 roky
• Celkový požadovaný objem 1 200 kusů
• Objem dodávky: 50 kusů měsíčně

Diskrétní design
• Pro vývoj a design jsou třeba 2 vývojoví inženýři.
• Odhadované roční platové náklady na jednoho inženýra: 36 000 EUR/ rok
• Čas potřebný na vývoj je 6 měsíců.
• Náklady na vývoj na 6 měsíců: 18 000 EUR x 2 vývojoví inženýři
• Odhadované jednotkové náklady na 4,3“ LCD displej a periferní zařízení: 30,00 EUR

Modulární design
• Pro vytvoření návrhu je potřeba 1 vývojový inženýr.
• Odhadované roční platové náklady pro inženýra: 36 000 EUR / rok
• Čas potřebný na vývoj 1 měsíc.
• Náklady na vývoj na 1 měsíc: 3 000 EUR
• Odhadované jednotkové náklady na inteligentní zobrazovací modul 4,3“ : 55,00 EUR

Modulární design začíná s počátečními náklady 3000Eur.
Diskrétní design začíná s počátečními náklady 36 000Eur.

Fáze výroby:
3.000 Eur + 1200*55 = celkové výrobní náklady na modulární design
36 000Eur + 1200*30 = celkové výrobní náklady na diskrétní design

Celkové měsíční náklady na jednotku pro první várku 50 kusů jsou také výrazně nižší u modulárního řešení se 115 Eur oproti 750 Eur. Například celkové měsíční náklady na jednotku pro první várku 200 kusů jsou také výrazně nižší při modulovém přístupu se 70 Eur oproti 210 Eur.
Náklady na vývoj modulů jsou výrazně nižší v porovnání s náklady na vývoj diskrétního návrhu.

Až při výrobním množství 1320 kusů displejů se náklady těchto 2 různých přístupů k vývoji a výrobě vyrovnají. Když se vývojové náklady diskrétního designu časem amortizují, celkové náklady na jednotku klesnou.

Z toho můžeme vyvodit, že výběr modulárního řešení při objemech pod 1 320 jednotek je nákladově efektivnější než diskrétní design. Kdyby zůstaly všechny proměnné kromě objemu v tomto příkladu stejné a objemový požadavek byl vyšší počet jednotek, diskrétní design by byl nákladově efektivnější. Dodavatel modulů by však byl při vyšších objemech také schopen poskytnout nákladově efektivnější cenu, což může potenciálně výrazně snížit nákladovou výhodu diskrétního designu u vyšších objemů.

V uvedeném příkladu uvádíme několik zobecnění a díváme se pouze na nákladový aspekt těchto dvou designů. I když je velmi důležité dívat se na cenu, je třeba zmínit všechny další výhody a nevýhody spojené s kterýmkoliv z designů. Obrovským benefitem použití inteligentního modulu je podstatné zkrácení času na design výrobku a uvedení na trh, což může být někdy rozhodující pro úspěšnost prosazení se na trhu.

Vyhodnocení

Inženýři často čelí výzvě začlenit plnohodnotný grafický displej s dotykovou funkčností do nového produktu nebo navrhnout upgrade pro existující produkt. Stojí před rozhodnutím, zda se vydat cestou vývoje nebo vybrat modulární řešení.

Tradiční metoda návrhu řešení od nuly by s největší pravděpodobností zabránila mnoha vývojářům a společnostem aktualizovat nebo upgradovat svá zařízení. Jedním z problémů je i nedostatek finančních zdrojů, know-how a informací o alternativních řešeních, které by měli mít inženýři k dispozici.
V předběžném vyhodnocení se může cena modulárního řešení na první pohled jevit jako překážka. Dokonce lze při podrobnějším přezkoumání nákladů dojít k závěru, že modulární řešení je nákladné. Pravda je ve skutečnosti zcela opačná, zejména pro aplikace s nižšími požadavky na roční objem.

Proto důrazně doporučujeme analyzovat a probrat všechny možnosti před tím, než se vydáte cestou konkrétního návrhu. Životní cykly produktů se zkracují, je třeba častěji obnovovat návrhy, proto jsou důležitým přínosem řešení, která usnadňují proces návrhu a implementace. A to nejen pro displej, ale i pro další zabudované technologie.

Zdroj: 4D Systems