Software-Tools im Prozess der Elektronikentwicklung – ein Überblick

Software-Tools im Prozess der Elektronikentwicklung – ein Überblick


Elektronik ist der Motor unserer technisierten Welt – oder vielmehr das Gehirn, das den Motor antreibt. Ohne Leiterplatten würde das simpelste technische Gerät nicht so funktionieren, wie wir es kennen. Der Prozess, bis ein fertiges PCB in ein Produkt eingebaut werden kann, kann sehr komplex und langwierig sein. Die 10 Schritte, die bis zu einem fertigen Printed Circuit Board (PCB) gegangen werden müssen, haben wir in diesem Artikel beschrieben. Doch welche Unterstützung können Elektronikentwickler:innen softwareseitig erwarten? Dem werden wir nun auf den Grund gehen.

(Hinweis: Die Preise sowie Vor- und Nachteile sollen nur eine Orientierung geben, bitte kontaktieren Sie die Hersteller direkt für genaue Auskünfte und Angebote)

1. Projektmanagement

Ohne ein Projekt geht nichts! Damit die Entwickler:innen überhaupt wissen, was sie denn eigentlich entwickeln sollen, braucht es klare Anforderungen. Diese werden vom Projektmanager vorgegeben und strukturiert. Gleichzeitig müssen die Anforderungen während des Projekts stets überwacht und Fehler früh erkannt werden, damit die Deadline eingehalten werden kann. Dafür gibt es diverse Anwendungen. Damit können Fortschritt, individuelle Auslastung der Mitarbeiter und vieles mehr im Auge behalten werden.

Zwei agile Projektmanagement-Tools sind Jira von Atlassian oder Trello. Die beliebteste Anwendung dafür in der Elektronikindustrie ist Microsoft Project. Abhängig von der Anzahl der Projekte und Mitarbeiter werden unterschiedliche Funktionen benötigt. Dafür gibt es bei den Anbietern Erweiterungen, zum Beispiel speziell für Berichterstattung und Zeitmanagement. Die individuellen Anforderungen müssen vom Unternehmen definiert und als Grundlage für die Entscheidung für ein Tool herangezogen werden. Die Kosten beginnen hier bei kostenlosen Basisversionen bis zu etwa 50$ pro Monat und Benutzer.

2. Tools für Schaltungs-Simulationen

Bevor der eigentliche Design-Prozess startet, werden die Anforderungen, die sich aus dem Projekt ergeben haben, durch Modelle simuliert. Mit Hilfe von mathematischen Berechnungen und Simulationen kann so das Verhalten von Schaltkreisen in wirklichkeitsgetreuen Bedingungen prognostiziert werden. Die elektronischen Schaltungen sollen also schon einmal vor der Detailplanung des Systems getestet werden, um später auf dieser Basis die elektronischen Komponenten auswählen zu können.

Viele Unternehmen nutzen dafür LTSpice, Alternativen sind PSpice von Cadence Design Systems, Matlab von Mathworks, NI Multisim oder MathCAD. Es gibt große Unterschiede in der Preisgestaltung, angefangen von LTSpice als Freeware bis hin zu 6.000 $ pro Jahr für das teuerste Tool. Abhängig von den individuellen Anforderungen können alle Programme gängigen Anwendungen und Schaltereignisse behandeln, während sehr spezielle Fälle möglicherweise nicht von jeder Option abgedeckt werden.

3. Anwendungen für die Komponenten- oder Modulauswahl

Sind die Anforderungen durch das Management und die Simulation klar, müssen Entwickler:innnen nun passende Komponenten oder Module auswählen. Dabei sind oft viele Parameter zu beachten, wie Kosten, Fläche, bestimme Hersteller, usw. Für die Suche werden derzeit fast ausschließlich Online-Bibliotheken verwendet, in denen Entwickler:innen nach Komponenten suchen und die Parameter online abgleichen können.

Mehrere Online-Komponenten-Distributoren bieten kostenlose, auf Parametern basierende Suchmaschinen an, mit denen sich passende Komponenten finden lassen. Dies sind zum Beispiel Avnet, Arrow, Digikey und Mouser, um nur einige zu nennen. Sie können gleichermaßen oder ergänzend verwendet werden und bieten eine schnelle Lieferung und gute Suchmaschinen. Ein Nachteil ist, dass einige Teile nur in großen Mengen gekauft werden können. Außerdem bieten die Anbieter manche Teile mit sehr speziellen Anforderungen nicht an, stattdessen müssen diese direkt beim Hersteller erworben werden.

4. Datenbankverwaltung für Komponenten

Wurde ein Modul oder eine Komponente gefunden, bei dem alle Parameter passen, muss das entsprechende Teil in das CAD-System implementiert werden. Aus den Online-Tools, die in Punkt drei genannt werden, kann die Komponente jedoch nicht direkt in das CAD-System übertragen werden, denn dazu ist ein bestimmtes Dateiformat notwendig. Dafür wurden Programme entwickelt, die diese Umwandlung sowie die Datenbankverwaltung der CAD-Tools übernimmt. Sie generieren dazu eine Datei, die alle Parameter enthält und als CAD-Daten verwendet werden kann.

Das kann beispielsweise mit Hilfe des Programms UltraLibrarian erfolgen. Eine Alternative kann auch SnapEDA sein. Beide haben ähnliche Vor- und Nachteile und die Entscheidung kann je nach persönlichen Präferenzen für Handhabung und Benutzeroberfläche getroffen werden. Indem Footprints und Symbole von Komponenten automatisch generiert und in CAD-Systeme exportiert werden, kann viel Zeit gespart werden. Allerdings ist zu beachten, dass jede dieser Anwendungen nur wenige CAD-Tools unterstützt und möglicherweise nicht alle benötigten Komponenten in den Datenbanken verfügbar sind. 

5. CAD-Tools

Wurde eine erfolgreiche Simulation durchgeführt, beginnt das eigentliche Design des Printed Circuit Boards. Dies kann in zwei Schritte unterteilt werden: Einerseits der Schaltplanentwurf, bei dem die Entwickler:innen Komponenten anordnen, dimensionieren und verbinden und andererseits der PCB-Entwurf, bei dem das Board auf mehreren Ebenen gezeichnet wird. CAD-Systeme vereinen beide Schritte, was bedeutet, dass die Anwendungen manuelle Schaltkreiszeichnungen, aber auch Komponentenplatzierung und Routing anbieten. Es gibt verschiedene Kategorien von CAD-Tools: Basis, Fortgeschrittene und Premium Tools. Mehr über die Funktionen gibt es in diesem Artikel.

Eine Basis CAD-Software ist zum Beispiel Eagle von Autodesk. Sie liegt unterhalb der 4-stelligen Preisklasse, bietet Support wie FAQs, mehrere kurze Videos zur Beschreibung neuer Funktionen und ein Nutzerforum. Diese Software wird in der Regel von vielen Anwendern genutzt und bietet daher viel Community-Support.

Fortgeschrittene CAD-Tools liegen in der mittleren, 4-stelligen Preisklasse. Dabei handelt es sich um Software wie Cadstar von Zuken, PADS von Mentor Graphics und Altium Designer von Altium. Sie alle bieten 3D Funktionen an. Außerdem stellen die meisten, jedoch nicht alle, viele Ressourcen in Form von Videos, wöchentlichen Webinaren zu komplexen Themen und jährlichen Konferenzen als Teil des Vertrags zur Verfügung.

Premium-Tools sind beispielsweise Allegro von Cadence oder CR-8000 von Zuken. Die Kosten für diese High-End-Tools können sich im hohen fünfstelligen Bereich pro Jahr bewegen. Kostenintensivere Software bietet tendenziell mehr Funktionen und Möglichkeiten, aber auch komplexere Inhalte.

6. Anwendungen für Verifikation und Simulation

Um bei der Fertigung der Designs keine böse Überraschung zu erleben, werden die Designs ebenfalls noch einmal für die Verifikation simuliert. Auch hierfür gibt es selbstverständlich spezielle Anwendungen.

Geeignete Software-Optionen können zum Beispiel Hyperlynx von Mentor Graphics oder PathWave Design Software von Keysight Technologies sein. Das Unternehmen Polar Instruments bietet ebenso Simulationstools an, die für die Verifikation von Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz verwendet werden können. Zusätzlich können hier alle Software-Optionen aus Punkt zwei verwendet werden, die Auswahl richtet sich nach den individuellen Anforderungen. Zum Beispiel bieten nicht alle Optionen hohe Frequenzen über 10 GHz oder 3D-Analyse von elektromagnetischen Effekten an. Die Preisspannen sind breit gefächert, abhängig von node-locked oder floating Lizenzen. 

7. Tools für Embedded Software

Nicht jedes PCB braucht Embedded Software, um zu funktionieren, doch alle PCBs mit Mikrocontrollern können nicht ohne. Die Entwicklung ist daher oft ein fester Bestandteil der Hardwareentwicklung, denn ohne Software gibt es keine funktionierenden Mikrocontroller. Embedded Software kann aus vorgefertigten Code-Snippets, die modular zusammengefügt, angepasst und optimiert werden, bestehen.

Dafür wird Visual Studio Code oder andere integrierte Entwicklungsumgebungen (Integrated Development Environments, IDEs) von großen Chipherstellern wie Microchip, XMOS, Texas Instruments oder STMicroelectronics verwendet. Weitere Optionen können IAR Embedded Workbench oder alternativ der ARM© Keil Entwicklungswerkzeuge sein. Beide bieten eine hohe Flexibilität durch spezielle Add-ons und kostenlose Testversionen. Die tatsächlichen Kosten hängen am Ende von der Größe Ihres Unternehmens und den gewählten Add-ons ab. 

8. Entwicklung der Anwendungssoftware

Das PCB ist, zusammen mit den Komponenten, das Gehirn des Elektrogeräts. Gesteuert werden soll es aber besonders im Bereich der Konsumelektronik von Menschen. Eine funktionierende Leiterplatte im Smartphone nutzt nicht viel, wenn kein Betriebssystem existiert, mit dem alles bedient werden kann. Solche Anwendungssoftware wird von Softwareentwickler:innen entwickelt – beispielsweise mit der Hilfe der folgenden Tools und Frameworks.

Die gängigen Programmiersprachen sind Java oder C++. Für Java ist IntelliJ Idea von Jetbrains eine sehr bekannte IDE, eine weitere ist Eclipse. Für C++ wird oft Microsoft Visual Studio oder ein Tool wie CLion von Jetbrains zur Programmierung verwendet. Die Kosten reichen von kostenlosen Versionen bis zu etwa 15$ pro Monat und Benutzer. Auch Python und Go als Programmierung werden immer häufiger eingesetzt.

Linked In - Software-Tools im Prozess – 1

Noch mehr Effektivität mit CELUS als Ergänzung

CELUS ist natürlich keine Wunderwaffe – aber schon ziemlich nah dran. Die CELUS Engineering-Plattform vereint nicht nur mindestens vier der genannten Anwendungen in sich, sondern automatisiert auch weite Teile des Prozesses. Unsere KI-basierte Software erledigt Komponentenauswahl, -platzierung, Routing und das Datenbankmanagement komplett automatisch. Das spart Zeit und viel repetitive Arbeit, die Elektronikentwickler:innen besser investieren können, zum Beispiel in Optimierung und Innovationen.

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