Od nápadu
po finální
produkt.

S každým zákazníkem nejprve prodiskutujeme jeho představu a požadavky na zařízení a navrhneme ekonomické a technicky spolehlivé řešení.
Od počátku je třeba definovat předpokládané objemy výroby — od nich se odvíjí celý koncept řešení. Jiný návrh dává smysl pro desítky kusů a jiný pro tisíce. U malých sérií například volíme hotový certifikovaný RF modul místo rádiového čipu: lze tak využít akreditovaná měření provedená výrobcem modulu, tím odpadá proces, který by se v malém objemu nevyplatil. U velkých sérií se naopak vyplatí investovat do návrhu s SoC, který sníží cenu kusu.
Komunikujeme otevřeně ve všech fázích projektu — víme, že nikdo nezná vše a že se i zadání může v průběhu měnit. Zejména u prototypů proto volíme maximální flexibilitu systému včetně různých osazovacích variant, aby byl výsledek snadno modifikovatelný v rámci možností dané desky a zástavby. Pracujeme s nejrůznějším hardwarem — od výkonových LED přes senzoriku až po SoC a mikrokontroléry od různých výrobců.

Nevadí nám, když elektronika není vaše parketa — provedeme vás projektem srozumitelně.

Vývojový proces

Fáze 1 — koncept a odhad
V první vývojové fázi dotáhneme projekt i jeho případné vývojové větve do stavu, kdy je možné provést technickou revizi a připomínkování. Především je k dispozici BOM hlavních komponent a odhad ceny neosazeného PCB — lze tedy provést zpřesněný odhad ceny zařízení. Po odsouhlasení se zákazníkem následuje design freeze.

Fáze 2 — detailní vývoj
Ve druhé fázi probíhají hlubší vývojové práce, kdy se jednotlivé konstrukční bloky dotahují do stavu připraveného pro výrobu. Výstupem jsou konečná schémata a data pro výrobu a osazení PCB.

Fáze 3 — předsériové vzorky a měření
Ve třetí fázi zajistíme výrobu předsériových vzorků. Výrobu PCB a panelu zadáváme podle komplexity obvykle asijským výrobcům, osazení pak zpravidla v Evropě — vždy v komunikaci se zákazníkem. Po obdržení vzorků provádíme oživení s průběžným debug firmwarem, abychom odhalili případné problémy. S funkčním prototypem dále provádíme předcertifikační měření — inhouse, nebo v případě potřeby za účasti třetí strany (laboratoře a stíněné komory univerzit, které tyto služby nabízejí).

Následně probíhá konečné měření v akreditované zkušební laboratoři, na jehož základě si zákazník vystaví prohlášení o shodě.

Sériová výroba a podpora
Zákazníkovi pomůžeme s výběrem sériového dodavatele a na základě jeho požadavků upravíme PCB panel. Můžeme doporučit vhodné výrobní alternativy a výrobu rozdělit — například panel u zahraničního výrobce a osazení v ČR. Na našem designu zajišťujeme i údržbu a servis; při výpadku dostupnosti neklíčových komponent jsme obvykle schopni okamžitě zvolit second source.

Architektura a rozhraní
Na začátku definujeme architekturu firmwaru a rozdělení úloh mezi jednotlivé procesory a periferie. Navrhneme stabilní rozhraní mezi komponentami (např. komunikační protokol mezi hlavním a podřízeným procesorem), aby se daly vyvíjet a testovat nezávisle. Vzniká kostra projektu ve verzovacím systému (Git / GitHub) s jasnou strukturou.

Oživení a vývoj
Firmware vyvíjíme iterativně, ruku v ruce s hardwarem. Po oživení desky pracujeme s průběžným debug firmwarem, kterým ověřujeme jednotlivé bloky — napájení, komunikační sběrnice, rádio a periferie. Funkce přidáváme postupně a každou testujeme přímo na reálném hardwaru. Po každé změně znovu testujeme i dosavadní funkce, abychom ověřili, že nebyly ohroženy. Vývoj průběžně verzujeme, díky tomu máme přehled o změnách i možnost se kdykoli vrátit.

Integrace, testování a měření
Jednotlivé části spojujeme do funkčního celku a testujeme jejich souhru na reálném hardwaru — časování, sdílené sběrnice a souběžný běh komunikace. U bezdrátových zařízení v této fázi probíhá i charakterizace rádia a předcertifikační měření. Firmware obsahuje testovací režimy, které měření usnadňují (např. vysílání pro RF testy, EMI testy).

Nasazení, výroba a servis
Firmware není hotový vypuštěním — žije po celou dobu života produktu. Připravíme spolehlivý mechanismus aktualizací (bootloader, OTA), aby šlo zařízení bezpečně aktualizovat i v poli. Kyberbezpečnost řešíme také.
Oproti hardwaru je firmware tvárnější, takže úpravy a nové funkce na přání zákazníka jsou možné ve výrazně větší míře.

Dodáváme i nástroje pro výrobu a servis. Pro flashování u zákazníka, který není odborník, připravíme jednoduchou GUI aplikaci — obsluha jen připojí kus a aplikace sama provede nahrání firmwaru, zápis údajů specifických pro každý kus (například unikátní klíče a párovací identifikátory) a vede o vyrobených kusech evidenci v databázi.

Vyvíjíme také aplikace pro vizualizaci dat — dashboardy a grafy pro přehled o provozu zařízení. Aplikace programujeme v Pythonu a .NET, výjimečně v C++. Umíme je propojit se vzdálenými aplikacemi přes TCP/IP, named pipes nebo přímo skrze jejich API.

S rychlými obvody přicházejí strmé hrany signálů i na napájecích cestách — a s nimi vysokofrekvenční harmonické. Někdy chceme, aby tato energie desku opustila (rádio), většinou ale ne (EMI). Obě strany téhož jevu dokážeme měřit a do značné míry analyzovat.

Pro nízké i vysoké frekvence disponujeme osciloskopy s šířkou pásma do 500 MHz a vzorkováním do 4 GSa/s, s FFT a dekódováním sběrnic.

Pro vyšší frekvence využíváme měřicí sestavu R&S, která pokrývá:

• EMI přijímač s quasi-peak detektorem — pro pre-compliance měření s TEM buňkou, případně se sondami blízkého pole pro bližší diagnostiku zdrojů rušení.
  S TEM a sondami blízkého pole dokážeme orientačně ověřit i odolnost zařízení (imunitu) pomocí VF generátoru.
• Spektrální analyzátor s tracking generátorem, ruznými typy demodulace, . 
• Vektorová analýza (S11, S21) —  navrhujeme impedanční přizpůsobení, analyzujeme antény, mikropásková vedení a přenosové cesty signálu (řízená impedance, return loss).
  Pro komplexní měření využíváme 2-portový VNA — jím charakterizujeme i PDN a decoupling metodou shunt-through, s common-mode choke pro potlačení zemních smyček a bias-T pro injektáž DC.

Díky vlastnímu pre-compliance měření odhalíme problémy dřív, než se jde do akreditované laboratoře — šetříme tím čas i náklady na opakované zkoušky. Produkt pak dovedeme až ke konečnému měření a vystavení prohlášení o shodě, a to včetně rádiových zařízení krátkého dosahu (SRD) podle RED.

Deska

• rozměry 55×60 mm
• 4-vrstvý FR4 s vlastním stack-upem kvůli řízené impedanci na USB a RF trasách
• povrchová úprava ENIG
• neplněné prokovy 0.2 mm – 0.5 mm
• kritické komponenty (SMPS, RF, …) bez termálního reliefu
• oblast krystalu subGHz části termálně oddělena
• design s důrazem na EMI & spurious emissions

Napájení

Správu napájení zajišťuje PMIC od Nordic Semiconductor, řízený přes I²C — zahrnuje nabíječku baterie, ukazatel stavu nabití (fuel gauge), dva buck regulátory a vyjednávání napětí na USB-C. O čistotu napájení se dále stará pečlivě navržený decoupling v kombinaci s feritovými korálky pro oddělení citlivých RF a digitálních domén.

Logika

Řídicí MCU (STM32, Arm Cortex-M33 @ 100 MHz) s integrovaným 2,4GHz RF front-endem ovládá přes SPI a hardwarová přerušení podřízený MCU (STM32, Arm Cortex-M0+ @ 64 MHz) se sub-GHz front-endem. Řídicí MCU navíc dokáže podřízený čip přeprogramovat přes jeho UART bootloader — firmware sub-GHz části tak lze aktualizovat bez externího programátoru.

Periferie

• Stavový OLED displej 128×32 px (SPI)
• Stavové LED a RGB LED
• 5polohový joystick a tlačítka
• Bateriové napájení s volitelným NTC termistorem
• USB-C konektivita, USB 2.0 Hi-Speed (480 Mbit/s) včetně power negotiation a ESD ochrany
• 50Ω SMA konektory pro připojení externí antény, volitelně s PA

Firmware

• RTOS: FreeRTOS — preemptivní real-time jádro tvoří základ celého firmwaru
• USB: podpora sériového portu (CDC) i úložiště (MSC); pro webovou konfiguraci WebBridge nasazuje síťovou třídu NCM, která nabízí nejlepší kompromis mezi rychlostí a univerzální podporou napříč operačními systémy
• IP stack: lwIP s vlastním lehkým HTTP serverem
• 2,4 GHz: OpenThread (Full Thread Device, router-capable) se souběžným BLE/Thread link layerem, rozšířeno o Zigbee
• Sub-GHz: vlastní SPI transport — rámcování, CRC, potvrzování a opakované přenosy (retry)
• Napájení: vlastní ovladač PMIC

SubGHz

• podporovány modulace 2(G)FSK, 2(G)MSK, 4(G)FSK, OOK, ASK, …
• kompatibilita se standardy W-MBUS, Sigfox, Mioty, KNX-RF, IEEE 802.15.4g, …
• Konduktivní měření podle EN 300 220 při frekvenci 868.3 MHz:
  • Výstupní výkon: nastavitelný firmwarem, nyní 14 dBm (RMS); testovací signál CW
  • OBW: 99 % výkonu (RMS) uvnitř OCW 150 kHz; testovací signál PRBS-2GFSK
  • OOB (RMS 2GFSK PRBS ):
    • OFB low/high: < -30dBm/1kHz
    • OFB low – 200 kHz/ OFB high +200 kHz: -50dBm/1kHz
    • OFB low – 400 kHz/ OFB high +400 kHz: -57dBm/10kHz
  • Spurious emise:  3H: -47 dBm, ostatní < −60 dBm; testovací signál PRBS-2GFSK
  • Transient power (zero-span, časová analýza): < −15 dBm do 400 kHz a < −40 dBm nad 400 kHz; testovací signál PRBS-2GFSK
  • Duty cycle: definováno firmwarem

Koncept
Kulový ovladač (⌀ 45 mm) ovládaný pohybem ruky, doplněný haptickou odezvou a dvěma tactile spínači po vzoru myši. Senzorová fúze poskytuje stabilní orientaci v prostoru, gesta rozšiřují vstup nad rámec dvou tlačítek.

Deska

• 2vrstvý FR4 s důrazem na ekonomický BOM
• oboustranné osazení
• návrh připravený pro sériovou výrobu
• speciální geometrie pro keramickou anténu a impedance matching

Senzorika a zpracování

• 9-os: gyroskop, akcelerometr, magnetometr (hard / soft iron, gyro bias kompenzace ve FW)
• senzorová fúze (Kalman) s výstupem v podobě kvaternionu (orientace bez gimbal locku)
• rozpoznávání gest – strojové učení (Random forest – pro malá MCU), některá gesta zpracovává IMU finity state machine

Konektivita

• BLE pro standardní párování klientská aplikace se registruje k notifikacím (SERVICE / CHARACTERISTIC) a ovládá cílový SW (např. CAD)
• proprietární nízkolatenční protokol s dedikovaným donglem pro aplikace citlivé na latenci
• FW OTA update z klientské aplikace
• USB-C (nabíjení, DFU)

Ovládací prvky a odezva

• 2× tactile spínač (princip myši)
• haptická zpětná vazba přes rezonanční aktuátor (LRA)
• stavové RGB LED

Mechanika a výroba

• plast zhotoven vakuovým litím, připraven pro sériovou výrobu vstřikovacím nástrojem
• integrované transparentní lišty/čočky kryjící stavové RGB LED
• design uzpůsobený pro výrobní nástroj (DFM)

RF & impedance matching

Výzvou byla keramická čipová anténa a její citlivost na okolí. Impedance antény se výrazně mění podle toho, zda zařízení leží na stole, nebo je drženo v ruce — lidské tělo posouvá ladění a zhoršuje přizpůsobení. Cílem proto nebylo dokonalé matching pro jeden konkrétní stav, ale nalezení kompromisu, který drží přijatelný výkon v obou případech. Ladění π-článku probíhalo iterativně s VNA (S11 / return loss) napříč reálnými scénáři použití — volně, v ruce, u různých povrchů.

Koncept
Bezdrátové řízení DC pohonu s nastavováním polohy a regulací kroutícího momentu přes sub-GHz spoj. Cílem byl velký dosah při malých rozměrech zařízení — kombinace, která klade vysoké nároky na RF návrh i elektromagnetickou kompatibilitu.

PCB 75×15 mm – oboustranné osazení

Komunikace

• Vlastní fail-safe protokol s nízkou latencí a AES-CCM (šifrování & autentizace)
• Návrh respektuje povolený duty cycle daného sub-GHz pásma
• Fail-safe chování pro bezpečné zastavení při ztrátě spojení

Napájení

• Bateriová aplikace se spínaným zdrojem (SMPS)
• Nabíjení přes USB-C

Logika

• SoC s jádrem Arm Cortex-M4 a integrovaným sub-GHz transceiverem
• Bare-metal firmware s round-robin sekvencerem

Řízení pohonu

• Proudová zpětná vazba motoru — měřicí shunt + operační zesilovač
• Polohová zpětná vazba — enkodér
• PID regulace s výstupem do PWM (poloha i moment)

Periferie

• Červený LED light bar (stavová indikace)

RF & EMI
Největší výzvou byla shoda v oblasti EMI a RF spurious emisí při zachování malých rozměrů a velkého dosahu. Blízkost spínaného zdroje, motoru (zdroj širokopásmového rušení) a citlivého sub-GHz přijímače na malé desce vyžadovala pečlivý layout, filtraci a stínění. Vlivem stísněného prostoru kolem antény bylo navíc nutné pečlivě přizpůsobit anténu pomocí VNA (měření S11 / return loss). Přizpůsobovací síť přitom plnila dvojí roli — kromě optimálního přizpůsobení na základní frekvenci zároveň pomáhala potlačit druhou harmonickou, což bylo klíčové pro splnění limitů spurious emisí. Výsledný návrh tak balancoval mezi maximálním dosahem a spektrální čistotou.

Koncept

Síťový kontrolér s vlastní nízkolatenční řídicí smyčkou. Po Ethernetu spolupracuje s nadřazeným počítačem, který zajišťuje vizualizaci a časově nekritické úlohy — samotné kritické řízení ale běží lokálně na MCU modulu. Zařízení je uloženo v krabičce z extrudovaného hliníku s uchycením na DIN lištu.

Modul slouží k řízení přítlaku pneumatických válců — proporcionálním ovládáním solenoidových ventilů přes PWM. Nízkolatenční smyčka na MCU zajišťuje přesné a stabilní řízení přítlaku, zatímco nadřazený počítač se stará o vizualizaci a obsluhu.

Klíčovou výhodou je škálovatelnost — díky připojení po síti lze počet I/O modulů snadno rozšířit, stačí připojit další kus do switche. Systém tak roste podle potřeby instalace, bez zásahu do stávajícího zapojení.

Šlo o rychle realizovaný projekt postavený na MCU Arm Cortex-M4 s využitím dostupných vývojových desek. Protože návrh neobsahoval RF část, bylo možné výkonovou část z velké části ověřit už na nepájivém poli — což celý vývoj výrazně urychlilo.

Výkonová část

• Výkonové výstupy pro rychlé spínání / PWM, vhodné i pro induktivní zátěže do 5 A
• Galvanicky oddělená výkonová část od řídicí logiky
• Napájení 24 V DC z průmyslového zdroje
• Ochrana výstupů flyback diodami a TVS proti přepěťovým špičkám z indukčních zátěží

Vstupy

• Galvanicky izolované vstupy pro bezpečné připojení externích signálů

Firmware a aktualizace

Na MCU běží řídicí smyčka s nízkou latencí nad RTOS, se síťovou komunikací přes TCP/IP stack. Firmware je pevně daný a navržený pro spolehlivý běh kritické smyčky. Aktualizace je možná přes webové rozhraní nahráním HEX souboru — modul lze přeflashovat přímo ze sítě, bez programátoru.