Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Prototyping eines Tennis-Tracking-Geräts in Shenzhen: Eine Lektion

Für Hersteller, Ingenieure und Heimwerker ist Shenzhen, China, eine Traumwelt. Sobald Sie an dem minderwertigen Internet und der fragwürdigen Herkunft der auf den Märkten gekauften Komponenten vorbeikommen, stellen Sie fest, wie schnell und einfach Sie fast alles erledigen können. Für etwa 100 US-Dollar erhalten Sie ein paar Dutzend 4-Schicht-Leiterplatten und eine Edelstahlschablone. Für weitere $ 50 erhalten Sie es in 2 Tagen. Das ist wirklich billig und das Spiel ändert sich, wenn Sie so schnell Zugang zu einer schnellen und billigen Fertigung haben. Der Elektronikmarkt ist eine Schande für Wal-Mart, und Sie können nicht 20 Fuß laufen, ohne jemanden zu treffen, der eine Rolle mit Komponenten trägt oder einen Wagen voller Kondensatoren schiebt. Ich war dort mit Lavie Sak, meinem Mitbegründer von Shot Stats, den Machern von Challenger, einem Tenning-Schaukel-Tracking-Gerät. Wir waren aufgeregt und überwältigt von diesem neuen Ort und es schien, als wäre alles möglich.

Einer der Ausdrücke, die ich wiederholt von unseren Mentoren hörte, als er am HAXLR8R in Shenzen war, lautete: „Oh… ja, das wird eine Herausforderung.“ Das und der Mandarin-Satz „Einer davon“, wann immer die Bande in ein Restaurant ging und sich sofort drehte an jedem Ort in die internationale Point-at-the-Menu-Meisterschaft. So sehr ich auch Restaurants ohne Bildmenüs fürchtete, hatte ich viel mehr Angst vor den Unbekannten, die mit dem Prototyping eines neuen und ehrgeizigen Produkts zu tun hatten. Unsere Mentoren waren wundervoll, aber sie wiederholten oft, wie schwierig dieser ganze Prozess sein würde. Sie hatten natürlich recht. Wir haben ein sehr anspruchsvolles Produkt für den Bau ausgewählt.

Wir hatten unseren ersten Prototyp mitgebracht, ein unbeholfenes kleines Ding mit einem 3D-gedruckten SLA-Gehäuse, das nur zwei Metriken zeigte. Diese enthielt eine Atmel xMega-MCU (die ich ziemlich schnell ablehnte), eine Invensense-MPU-9150-IMU und sonst nicht viel. Ich habe schnell gemerkt, dass wir viel mehr Energie benötigen werden, da ein Großteil unserer Daten an Bord ist. Ich wusste, was wir wollten: akustisches Feedback, Bluetooth, ein OLED-Display, mehrere Bewegungssensoren und einen leistungsstarken Prozessor. Das Erstellen von Listen ist einfach, aber das Verwandeln dieser Liste in ein Produkt ist nicht möglich.

Keine Schönheitswettbewerbe gewinnen…

Der allererste Prototyp ohne Kleidung!

Ich verbrachte ein paar Nächte damit, Datenblätter mit einer Maus in der einen und einem altmodischen in der anderen zu lesen, wie am Wochenende. Ich entschied mich bald für die ARM-Architektur. An diesem Punkt war es mit Ausnahme der einfachsten oder kostengünstigsten Projekte einfach nicht sinnvoll, etwas anderes zu verwenden. Sie sind schnell, billig, reichlich und unglaublich gut unterstützt. Ich war vorsichtig bei der Verwendung der Arduino-Plattform als Basis für unseren ersten voll funktionsfähigen Prototyp. Das Arduino ist großartig und ich habe es viel gebraucht, aber ich sehe es immer noch als fest in der Kategorie „Hobbyist“ und nicht wirklich eine gute Option, wenn Ihr Endspiel ein fertiges Konsumprodukt herstellt. Es gibt Schilde für alles, aber sie sind etwas zu klobig, um sie zum Testen an einen Tennisschläger anzuschließen, was bedeutet, dass unsere beste Option eine kundenspezifische Leiterplatte war.

Ich hatte das mbed vorher benutzt und begann ernsthaft mit dem NXP LPC1768-Kit von mbed zu suchen. Es verwendet einen NXP ARM Cortex M3-Mikrocontroller und ist recht leistungsstark. Viele der Boxen wurden auf ernsthaftes Prototyping geprüft: Geschwindigkeit, niedrige Kosten und Benutzerfreundlichkeit. Insbesondere die IDE ist viel angenehmer als die Arduino-IDE, wenn Sie viele Bibliotheken und Dateien verwalten müssen. Das Beste von allem war ein HDK, der es relativ einfach machte, ihn in unsere eigenen Custom Boards zu integrieren, während die mbed-Schnittstelle beibehalten wurde. Ich habe dies als eine gute Lösung gesehen, die es uns ermöglicht, schnell zu iterieren und unseren Code dann leicht auf den nächsten Prototyp zu portieren, wo wir zu einer voll ausgestatteten ARM-Toolchain wechseln würden.

Nach ein paar Monaten bei Altium war unser zweiter Prototyp geboren. Dies war unsere Powerhouse-Platine, die alle Sensoren enthielt, die wir benötigen, und alle Funktionen, die wir zu diesem Zeitpunkt vorstellten. Ich neige dazu, in Bezug auf Vorsicht und Flexibilität zu irritieren. Deshalb wollte ich eine Platine haben, mit der wir Firmware testen, die Benutzeroberfläche entwickeln und Daten sammeln können. Nicht nur das, es musste auch recht klein sein, damit es problemlos auf einen Tennisschläger passen konnte. Um dies zu erreichen, war der zweite Prototyp kompatibel mit Mbed und eine enorme Verbesserung gegenüber dem ersten. Eingepackt war ein Cortex M3, eine USB-Schnittstelle, Drag-and-Drop-Programmierung, microSD, 4 Beschleunigungssensoren, ein Bluetooth 4.0-Radio, ein Audioausgang, ein FLASH-Speicher, ein OLED-Display, ein Akkuladegerät und mehrere Tasten. Über 170 Komponenten wurden in ein relativ kleines Board gesteckt.

Ich werde oft gefragt: „Warum vier Beschleunigungssensoren?“ Es scheint eine dumme Zahl zu sein, als wollten wir nur ein High-Tech-Analogon zum Rasierer mit 50 Klingen sein. Es gibt jedoch einen guten Grund dafür, und das ist auf meine Wertschätzung von Flexibilität zurückzuführen. Die vier Beschleunigungsmesser sind alle unterschiedlich - einer ist für die Erfassung von Hochfrequenzdaten vorgesehen, einer für hohe Beschleunigungen (bis zu 400 g) und einer ist ein Sensor mit sehr hoher Auflösung, der ein Gyroskop und ein Magnetometer enthält. Beim vierten waren wir unentschlossen, aber es schadet nie, mehr Optionen zu haben. Wenn Sie eine Prototyp-Leiterplatte entwerfen, ist es ziemlich billig und einfach, weitere Sensoren hinzuzufügen, bis Sie genau das gefunden haben, was Sie für die nächste Revision benötigen. Besser es zu haben und es schließlich nicht zu brauchen.

Hier möchte ich Ihnen sagen, dass alles beim ersten Versuch gut funktioniert hat. Kann ich leider nicht Wie jeder Hardware-Entwickler weiß, ist dies selten der Fall. Das erste Problem war die schlechte Temperaturkontrolle des Reflow-Ofens, mit dem ich die Platinen löte. Meine Vermutung ist, dass der beabsichtigte Gebrauch darin bestand, Lammkarree zu braten, und es wurde in der Fabrik einfach falsch etikettiert. In jedem Fall wurden sechs Boards und ungefähr 600 USD an Komponenten ernsthaft überhitzt und möglicherweise zerstört. Das Debuggen von Hardware kann ein Albtraum sein, insbesondere wenn Sie nicht sicher sind, welche Ihrer Komponenten gut sind und welche den besten Eindruck von einem gerösteten Marshmallow haben.

Debuggen… die Geißel des Ingenieurs.

Beim zweiten Versuch habe ich mich etwas mehr umsorgt und habe gute Boards bekommen. Hier trat ein anderes Problem auf: Alles schien gut zu funktionieren, aber das Display wollte sich nicht einschalten. Nach einigen Nachforschungen bemerkte ich, dass das Display nicht mit Strom versorgt wurde, und ging die Liste durch. Komponenten? Prüfen. Schaltplan? Prüfen. Steuersignale? Prüfen. Alles schien zu tun, was es sollte, aber der 9,5-V-Boost-Regler gab keinen Strom.

Nach einem weiteren Tag, an dem ich jedes Board überprüft und das gleiche Problem gefunden hatte, zog ich das Oszilloskop heraus und überprüfte die Ein- und Ausgänge des Reglers, sah aber nichts. An diesem Punkt erinnerte ich mich an eines der häufigsten Probleme bei der Fertigung in China: gefälschte Komponenten. Ich nahm einen ungenutzten Laderegler, versiegelte ihn mit einem Stück Plastik und begann, ihn von oben nach unten abzuschleifen. Nach ein paar Minuten hatte ich den ganzen Weg bis zu den Metallpads geschliffen und erkannte, dass es nur aus einem Stück schwarzem Kunststoff ohne Silikon bestand.

Total leer!

Fast alle meine Komponenten waren vom lokalen Markt in Shenzhen bezogen worden. Normalerweise gehen Sie davon aus, dass die Dinge wie erwartet funktionieren, insbesondere bei großen Distributoren wie Mouser oder Digi-Key. In unserem Fall, in der Nähe des Marktes, war es trivial, mit Bargeld und einer Liste von Komponenten zu einem Stand zu gehen und alles, was Sie vor Ort benötigten, zu bestellen. Ein paar Stunden später kamen Sie zurück und holten eine Tasche mit Ihrer Bestellung. Es gibt keinen anderen Ort auf der Erde mit dieser Geschwindigkeit und Bequemlichkeit. Der Nachteil ist natürlich, dass Sie nicht immer sicher sind, was Sie bekommen.

Ab diesem Zeitpunkt habe ich nur noch wichtige Komponenten bei Digi-Key bestellt. Trotz der Wartezeit von zwei bis drei Tagen, der Lieferung von 30 US-Dollar und der Einfuhrgebühren von 30 Prozent ist es immer noch viel besser als nur Tage zu verschwenden, um Komponenten zu reparieren, die gefälscht, grau oder auf dem Markt sind oder einfach leer sind. Beim Prototyping gibt es bereits so viele Dinge, die möglicherweise schief gehen, sodass es am besten ist, nicht mehr hinzuzufügen. Ich hatte in gewisser Weise Glück, weil der Laderegler einfach leer war. Viel schlimmer wäre einer gewesen, der funktionierte, aber außerhalb der Spezifikation lag, was zu zeitweiligen Problemen führte.

Unmittelbar nach der Reparatur dieser Platinen - etwa Anfang April - mussten wir die Gänge schalten, um den dritten Prototyp herzustellen. Dieser neue Prototyp wäre weniger funktional, würde aber als erstes unserer Vision für das Endprodukt ähneln. Wir waren zu diesem Zeitpunkt ziemlich knapp, um uns auf unsere Kickstarter-Kampagne vorzubereiten. Daher entschied ich mich für die Verwendung des üblichen Atmega32u4-Codes, der in der Arduino-IDE geschrieben wurde. Es enthielt auch einen Beschleunigungsmesser für die Datenerfassung und einen Bildschirm.

Wir hätten die gesamte Funktionalität unseres Arbeitstier-Prototyps gerne in den schönen, kompakten Formfaktor unseres Endprodukts gesteckt.Leider hätte dies eine 8-Schicht-Platine mit Chip-Scale-Komponenten und Maschinenplatzierung erfordert. All dies übersetzt in "teuer" und "langsam", zwei Wörter, die kein Gründer gerne hört. Trotz der stark eingeschränkten Funktionalität hat der dritte Prototyp jedoch einen großen Beitrag dazu geleistet, dass das Produkt sowohl in unseren Köpfen als auch in den Köpfen derjenigen, die eines hielten, real wurde. Schaltpläne und Zeichnungen sind alle gut und gut, aber es gibt nichts Besseres, als eine Hardware zu verwenden, um eine Idee wirklich nach Hause zu bringen.

Die Shot Stats-Familie heute!

Wir haben gerade unseren Kickstarter beendet, nachdem wir unser Finanzierungsziel übertroffen haben. Wir freuen uns darauf, fortschrittlichere Prototypen zu entwickeln und Challenger zu verfeinern, bis wir uns auf die Fertigung einstellen. Wir haben definitiv einige schwierige Lektionen während dieses Prozesses gelernt, und es wird zweifellos noch viel mehr geben. Die Prototypenphase zu durchlaufen, wenn das Endziel ein Verbraucherprodukt ist, kann nervenaufreibend und frustrierend sein, aber es ist auch aufregend zu sehen, dass etwas auf die Welt kommt, das nur eine Idee in Ihrem Kopf war. Deshalb machen wir es schließlich.


Es ist Hochsommer und diese Woche feiern wir mit fünf Tagen Outdoor-Sportartikeln, Bildern, Videos, Bewertungen und Projekten. Wir werden die ganze Woche hier sein, also oft nachschauen und rausgehen.

Unsere nächste Themenwoche wird tragbare Elektronik sein. Schicken Sie uns Ihre Tipps oder Beiträge, bevor Sie hierher kommen, indem Sie eine Zeile an [email protected] setzen.

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