Der Lebenszyklus für die Produktentwicklung wird immer kürzer und der Zeitdruck für die schnellere Einführung neuer Produkte wächst. Unternehmen suchen nach immer einfacheren und flexibleren Bildgebungslösungen für ihre Anwendungen.
Modulare Lösung versus diskretes Design
Es gibt zwei Möglichkeiten, Ihrem Design eine Anzeige hinzuzufügen – entweder:
1. in mehreren Schritten:
- Design in diskretem LCM,
- Entwicklung aller benötigten Bibliotheken,
- Anzeigesteuerungssoftware (diskretes Design).
2. oder mit einem standardmäßigen intelligenten Display-Modul, das sofort einsatzbereit ist (modulare Lösung).
Beide Optionen haben ihre Vor- und Nachteile in puncto Kosten, Flexibilität, Skalierbarkeit, Komponentenkontrolle, Entwicklungszeit und Entwicklungskomplexität usw. Beide Optionen sollten in einem frühen Stadium der Planung eingehend geprüft werden.
Wenn wir nur den Preis des Materials betrachten, mag ein diskretes Design im Vergleich zum Preis des fertigen Moduls wie eine attraktivere Option erscheinen. Angesichts der Zeit und der Ressourcen, die im Vergleich zu einer fertigen modularen Lösung für das Design an sich erforderlich sind, können sich die Vorteile jedoch die Waage halten.
Vorteile eines diskreten Designs: kurzfristige und langfristige Kostenvorteile Vorteile einer modularen Lösung: Benutzerfreundlichkeit und Geschwindigkeit
Beispiel für eine diskrete Designimplementierung
Nehmen wir als Beispiel die Aufrüstung einer bestehenden Anwendung oder eines bestehenden Geräts, um eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) mit Touch-Funktionalität zu integrieren. Das bedeutet, physische Tasten oder andere Eingabegeräte werden durch ein Touchpanel ersetzt.
Das vorhandene Anwendungsgerät arbeitet mit einem 8-Bit-Mikrocontroller (MCU) und muss aufgerüstet werden, damit es über ein Farbgrafikdisplay mit Touch-Oberfläche verfügt. Obwohl die meisten MCU über einen Controller oder ein separates Steuerungsgerät eine Verbindung zum LCD-Display herstellen können, sind die Größe und Auflösung des Displays durch die Ressourcen der MCU begrenzt. Der Controller kann in die MCU oder in das Display integriert werden. Es ist zum Beispiel möglich, dass eine 8-Bit-MCU eine zweizeilige Punktmatrixanzeige steuert, aber ggf. über nicht genügend Rechenleistung verfügt, um größere Anwendungen zu steuern.
Um eine ansprechende und grafisch reichhaltige Umgebung zu schaffen, müssen Designer der Anwendung eine erhebliche Menge eingebetteter Software (Bibliotheken, Bilddateien) hinzufügen. Allein der Entwicklungsaufwand, um das LCD-Display als Ausgabegerät einzurichten, ist recht anspruchsvoll. Das Hinzufügen einer Touch-Funktion macht das Ganze noch komplizierter und das LCD wird als Eingabegerät verwendet.
Mit diesem Ansatz sind erhebliche Nachforschungen und Anstrengungen verbunden, um den Fokus auf die Hardware- und Softwareentwicklung zu richten. Nach Abschluss der Anwendungsentwicklung und dem Start der Produktion muss die daraus resultierende Qualität der Displays streng kontrolliert werden. Es besteht immer die Möglichkeit, dass sich unvermittelt Dinge an Displays ändern. Diese kann zu Montageproblemen führen und eine Neugestaltung oder Aufrüstung der Display-Controller erforderlich machen. Zur Durchführung dieser Aufgabe ist möglicherweise ein spezielles Team von Technikern erforderlich. Der kurze Lebenszyklus (Produktionszyklus) der meisten heutigen TFT displays birgt jedoch ein noch größeres Risiko. Obwohl fast immer ein Ersatz zu finden ist, deckt dieser selten alle Anforderungen 1:1 ab, ohne dass eine zusätzliche SW- oder HW-Neugestaltung erforderlich ist.
Die Entwicklung Ihres eigenen Standalone-Designs bietet zwar mehr Kontrolle über die Stückproduktion (Kleinserien) und die Kosten, bringt jedoch zusätzliche Kosten mit sich, die auf erhöhte Engineering- und Entwicklungskosten zurückzuführen sind. Es gilt auch die Zeit zu berücksichtigen, die erforderlich ist, um die oben genannten Entwicklungsschritte durchzuführen.
Das zusätzliche Komplexitätsniveau für die Kleinserienfertigung kann die langfristige Verfügbarkeit ausgewählter Komponenten beeinträchtigen. Falls Aktivitäten von Schlüsselkomponenten unterbrochen sind, kann eine Neugestaltung der grafischen Benutzeroberfläche erforderlich sein und umfangreiche wie auch kostspielige Verzögerungen bei der Montage, also bei der Fertigstellung des Produkts, verursachen.
Beispiel für die Implementierung eines modularen Designs
Ein alternativer Ansatz für das Display-Design ist die Verwendung eines intelligenten Standard-Displaymoduls. Module dieses Typs beinhalten normalerweise eine Standardschnittstelle wie I2C, SPI oder UART, um mit dem Host zu kommunizieren. Bestimmte Module beinhalten auch einen integrierten Mikrocontroller, der sich um alle Grafikanforderungen kümmert, und können verschiedene E/A- und andere Peripheriegeräte umfassen, mit denen das Modul potenziell die gesamte Zielanwendung ausführen kann.Viele Module verfügen über verschiedene integrierte Funktionen, die einen relativ einfachen Betrieb über den Host-MCU ermöglichen. Manche Module verfügen über eine voll funktionsfähige, integrierte Entwicklungsumgebung, die das Design und den Aufbau einer grafischen Benutzeroberfläche als Bestandteil des gesamten Embedded-Designprozesses integriert. Einige dieser IDE-Funktionen und Drag-and-Drop-Entwicklungsworkflows für „WYSIWYG“ ermöglichen eine extrem schnelle Entwicklung von Prototypen und Anwendungen, ohne dass Programmiercodes geschrieben werden müssen.
Der Vorteil eines modularen Ansatzes besteht darin, dass alle Treiber, Grundelemente und Funktionen der grafischen Benutzeroberfläche bereits entwickelt und getestet wurden. Die Host-MCU kann auch alle Anzeigeaufgaben im Modul speichern, sodass der Host alle seine Ressourcen für die Hauptanwendung einsetzen kann.
Auf diese Weise können sich die Ingenieure auf das eigentliche Design der grafischen Benutzerschnittstelle konzentrieren, ohne sich um die Entwicklung auf der unteren Ebene sorgen zu müssen.
Im Wesentlichen wird hierbei die Gesamtentwicklung gestartet und es entfällt die monatelange Zeit, die für die Einrichtung grundlegender Dinge aufgewendet wird.
Derzeit sind verschiedene intelligente Modullösungen erhältlich. Eine dieser Lösungen stammt von 4D Systems und umfasst eine Vielzahl von Display-Modulen mit verschiedenen Größen und Touch-Optionen, die mit der integrierten Entwicklungsumgebung 4D Workshop4 IDE programmiert wurden.
Die Gen4-Serie an HM4-Modulen ist auf nahezu jede Art von Host-MCU oder Prozessor ausgelegt. Dies gilt auch für kleine Geräte mit einer geringen Anzahl von Pins, da die gesamte Interaktion zwischen Display-Modul und Host über eine einfache serielle Verbindung erfolgt, die von den meisten MCU unterstützt wird.
Das Display-Modul beseitigt alle Designanforderungen auf der unteren Ebene, und die Entwickler können sich auf die Entwicklung einer echten grafischen Benutzeroberfläche und einer Basisanwendung konzentrieren.
Prototypen können somit innerhalb weniger Tage und Endanwendungen innerhalb weniger Wochen fertiggestellt werden, was die Markteinführungszeit drastisch verkürzt.
Kostenanalyse – diskretes Design vs. modulares Design
Betrachten wir ein mögliches Kostenanalyseszenario, um zu sehen, wie sich diese Merkmale in Zahlen niederschlagen.
Schauen wir uns als Beispiel ein Szenario an, in dem ein 4,3-Zoll-LCD-Display mit kapazitivem Touch-Display und Glasabdeckung für eine vorhandene Anwendung entwickelt wird. Es werden beide Ansätze zum Vergleich berücksichtigt.
Beispiel einer Design-Spezifikation
• Projektlaufzeit: 2 Jahre• Erforderliches Gesamtvolumen: 1.200 Stück
• Liefervolumen: 50 Stück pro Monat
Diskretes Design
• Für Entwicklung und Design werden zwei Entwicklungsingenieure benötigt.
• Geschätzte jährliche Gehaltskosten pro Ingenieur: 36.000 € / Jahr
• Die Entwicklungszeit beträgt 6 Monate.
• 6-monatige Entwicklungskosten: 18.000 € x 2 Entwicklungsingenieure
• Geschätzte Stückkosten für 4,3-Zoll-LCD-Display und Peripheriegeräte: 30€
Modulares Design:
• Ein Entwicklungsingenieur ist erforderlich, um ein Design zu erstellen.
• Geschätzte jährliche Gehaltskosten für einen Ingenieur: 36.000 € / Jahr
• Die Entwicklungszeit beträgt 1 Monat.
• 1 Monat Entwicklungskosten: 3.000€
• Geschätzte Stückkosten für das intelligente 4,3-Zoll-Display-Modul: 55€
Wir starten das modularen Design mit Anschaffungskosten in Höhe von 3.000 €.
Wir starten das diskrete Design mit Anschaffungskosten in Höhe von 36.000 €.
Produktionsphase:
3.000 € + 1.200 * 55 = Gesamtproduktionskosten für das modularen Design 36.000 € + 1.200 * 30 = Gesamtproduktionskosten für das diskrete Design
Die modularen Entwicklungskosten sind im Vergleich zu den Entwicklungskosten bei einem diskreten Design erheblich niedriger.
Die Gesamtstückkosten für die erste Charge von 50 Stück sind beim modularen Ansatz mit 115 € ebenfalls deutlich niedriger im Vergleich zu den 750 € beim diskreten Ansatz.
Beispielsweise sind die monatlichen Gesamtstückkosten in Höhe von 70 € für die erste Charge von 200 Stück beim modularen Ansatz ebenfalls erheblich niedriger, wenn man diese mit den 210 € bei einem diskreten Ansatz vergleicht.
Bei einem Produktionsvolumen von 1.320 Displays sind die Kosten dieser beiden unterschiedlichen Entwicklungs- und Produktionsansätze ausgeglichen.
Wenn sich die Entwicklungskosten eines diskreten Designs im Laufe der Zeit rentieren, sinken die Gesamtstückkosten.
Somit lässt sich sagen, dass die Wahl einer modularen Lösung bei einem Volumen von weniger als 1.320 Einheiten kostengünstiger ist als ein diskretes Design. Wenn in diesem Beispiel alle Variablen außer dem Volumen gleich bleiben und der Volumenbedarf viel höher wäre, wäre ein diskretes Design kostengünstiger. Ein Modulanbieter wäre jedoch auch in der Lage, bei höheren Mengen einen kostengünstigeren Preis anzubieten. Dies kann den Kostenvorteil des diskreten Designs bei höheren Volumina potenziell erheblich reduzieren.
In diesem Beispiel werden verschiedene Verallgemeinerungen angewendet und nur die Kostenaspekte dieser beiden Ansätze betrachtet. Obwohl es sehr wichtig ist, den Preis zu berücksichtigen, müssen alle sonstigen Vor- und Nachteile erwähnt werden, die mit den beiden Ansätzen verbunden sind. Ein großer Vorteil bei der Verwendung eines intelligenten Moduls ist die erhebliche Verkürzung der Zeit für Produktdesign und Vermarktung, was mitunter entscheidend für den Erfolg auf dem Markt sein kann.
Fazit
Ingenieure stehen häufig vor der Herausforderung, ein vollständiges Grafikdisplay mit Touchscreen in ein neues Produkt zu integrieren oder ein Upgrade für ein bestehendes Produkt zu designen. Sie stehen vor der Entscheidung, ob sie den Entwicklungspfad gehen oder eine modulare Lösung wählen sollen.
Die traditionelle Methode – eine Lösung von Grund auf neu zu designen – würde höchstwahrscheinlich viele Entwickler und Unternehmen daran hindern, ihre Geräte zu aktualisieren oder aufzurüsten. Eines der Probleme ist der Mangel an finanziellen Ressourcen, Know-how und Informationen in Bezug auf alternative Lösungen, die Ingenieuren zur Verfügung stehen sollten.
Bei einer vorläufigen Einschätzung scheint der Preis einer modularen Lösung auf den ersten Blick ein Hindernis zu sein. Bei genauerem Hinsehen kann zudem der Eindruck entstehen, dass eine modulare Lösung kostspielig ist. In Wahrheit verhält es tatsächlich umgekehrt, vor allem was Anwendungen mit geringeren jährlichen Volumenanforderungen anbelangt.
Wir empfehlen daher, alle Optionen zu analysieren und zu überprüfen, bevor Sie sich auf einen bestimmten Designpfad begeben. Die Produktlebenszyklen werden immer kürzer und Designs müssen häufiger erneuert werden. Somit sind Lösungen, die den Design- und Implementierungsprozess erleichtern, ein wichtiger Vorteil. Das betrifft nicht nur Displays, sondern auch andere Embedded-Technologien.
Quelle: 4D Systems
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