+31 74 2555 713 info@sintecs.nl
    • > English
    • info@sintecs.nl

      +31 74 2555 713

      Troubleshooting – Een prototype dat niet werkt

      Tijdens het testen van de hardware, ontdekte het team van Erik, werkzaam bij een bedrijf dat communicatiesystemen ontwerpt, dat hun nieuwste prototype niet werkte. Sintecs kreeg de opdracht om het bord te onderzoeken en kwam er door middel van Signal Integrity analyses (SI) achter dat er DDR4 timing problemen waren. Onze engineers maakten een board support package (BSP). Het resultaat was een opgeluchte reactie van de klant: “Uiteindelijk kregen we het bord binnen één dag werkend.”

      PCB with a heatsink photo

      “We hebben zelf tevergeefs geprobeerd om de hardware van ons prototype werkend te krijgen”

      Het team van Erik gebruikte voor het eerst een DDR4 geheugen in hun ontwerp. Om mogelijke problemen te voorkomen werden de NXP application notes strikt gevolgd en werd voor het PCB-ontwerp een externe consultant ingeschakeld. Door Altium Layout tools te gebruiken heeft deze consultant er alles aan gedaan om crosstalk te minimaliseren. Als compensatie voor het ontbreken van simulatie tools, is gekozen voor een 12-laags PCB stack-up en is er veel aandacht besteed aan de spoorbreedte, materiaal parameters, lijn impedantie en terminatie weerstanden.

      “Voordat we jullie om hulp vroegen hebben we zelf tevergeefs geprobeerd om de hardware van ons prototype werkend te krijgen,” vertelt Erik. “We hebben zelf een uitgebreid onderzoek gedaan, waaruit enkele gebreken in het ontwerp aan het licht kwamen. Het grootste probleem op dat moment was een falende klok configuratie test. We stonden met de handen in het haar en wisten niet meer hoe we verder moesten. In onze zoektocht naar een ervaren organisatie, die ons met troubleshooting kon helpen, vonden we Sintecs via de NXP website.”

      “Het voordeel van SI analyse is dat niet enkel wordt bevestigd dat er een probleem is, maar ook waar dit probleem vandaan komt”

      Stap één was een Signal Integrity analyse op het DDR4 geheugen. Op basis van deze analyse en simulatie resultaten concludeerden onze engineers hetzelfde als Erik: “De adresbus en het klok signaal zullen op deze manier hoogstwaarschijnlijk niet gaan functioneren.” Het voordeel van een Signal Integrity analyse is dat niet enkel wordt bevestigd dat er een probleem is, maar aan de hand van simulaties wordt ook duidelijk waar dit probleem vandaan komt. We zien vaak dat een ontwerp troubleshooting nodig heeft doordat een engineer zich vasthoudt aan oude werkwijzen, die nu niet meer toereikend zijn. Dit was ook het geval bij de problemen van dit prototype.

      Met behulp van de simulaties konden wij dan zien dat het gebruik van standaard via’s voor reflectie (ringback) zorgde. Ons advies aan Erik was om in een volgende ontwerpronde gebruik te maken van micro via’s en buried via’s, zodat de reflecties van de signalen door de via geminimaliseerd zouden worden. Een herontwerp van het bord, gebruik makend van een andere PCB stack-up, was de enige manier om van alle problemen af te komen.  

       

      “Sintecs gaf het prototype zoveel meer waarde dan we ons hadden kunnen voorstellen”

      Het resultaat

      Erik ligt toe dat Sintecs niet alleen de DDR4 timing problemen heeft opgelost, maar ook heeft geholpen met het board support package (BSP). Hierdoor kon het bord, welliswaar op lagere snelheid, volledig worden gebruikt. ”Sintecs gaf het prototype zoveel meer waarde dan we ons hadden kunnen voorstellen. Door jullie hulp lukte het ons om stap voor stap, binnen de grenzen van de gestelde deadline, een goed prototype te ontwerpen. Uiteindelijk kregen we de borden werkend en konden we alle onderdelen uit ons prototype testen. Dit leek onmogelijk toen we contact met jullie opnamen. De volgende keer zullen we Sintecs in een eerder stadium van de ontwerpfase vragen om ons, met behulp van Signal Integrity en timing analyses, te ondersteunen bij de ontwikkeling van een nieuw prototype,” sluit Erik zijn verhaal af.

      Vanwege privacy redenen is de naam van onze klant in dit artikel veranderd

      PCB-ontwerp voor het NLR (Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum)

      Het NLR kreeg van de European Space Agency (ESA), een Europese ruimtevaartorganisatie, de opdracht om een demonstrator voor een nieuwe generatie on-board computers voor satellieten te bouwen. De deadline was scherp en de layoutafdeling van het NLR was te druk om dit te kunnen oppakken. Daarom werd het PCB-ontwerp uit nood aan Sintecs uitbesteed.

      Application Engineer Filip Fontaine en R&D Engineer Bert-Johan Vollmuller vertellen namens het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) waarom ze deze opdracht hebben uitbesteed terwijl ze het zelf ook zouden kunnen en ze vertellen over het verloop van de samenwerking met Sintecs.

      FFTC (Fast Fourier Transform Co-Processor)

      NLR ontwikkelt een nieuwe generatie on-board computers voor in satellieten. Deze bevat een snelle FFT-chip, wat een hele nieuwe serie satelliet-instrumenten en data processing van satellietbeelden mogelijk maakt. Een demonstrator bord rond een, door ESA ontwikkelde FFTC chip, moet alle mogelijkheden van de chip aantonen en laten zien dat de FFT inderdaad snel genoeg is voor de komende generatie meetinstrumenten.

      “Voor een demonstrator is het genoeg dat je de key components in space-qualified condities uitvoert”, vertelt Vollmuller. “De FFTC-chip zelf, de FPGA voor de aansturing van de FFTC, en de drie SDRAMs zijn in rad-hard technologie uitgevoerd. De rest, dus dat wil zeggen de power conditioning, de interfaces Space Wire voor command & control en Space Fibre voor data in- en output, kun je in commerciële componenten doen.”

      “Waarom uitbesteden als je het zelf ook kunt”

      Volgens Vollmuller zat het NLR in tijdnood omdat het bord per se aan het eind van 2018 klaar moest zijn. “We hebben zelf de architectuur en het schema ontwikkeld, en de gehele FPGA code geschreven. Het is een complex bord, met kritische timing en erg prijzige componenten. Zo’n rad-hard FPGA kost wel tienduizend dollar. De layout kunnen we in principe in huis, maar we hadden gebrek aan mankracht op onze layout afdeling. We zouden de deadline misschien niet halen, met een ontevreden eindklant als gevolg. Uitlopen op de planning is een nog veel groter drama dan de kosten van de componenten. Die complexe layout moest dus wel in één keer goed.”

      “De interactie tussen ontwerper en layouter, om te komen tot een goede oplossing, is ons goed bevallen”

      Bij het NLR zijn ze gewend om de layout in huis te doen. “Dit werkt prettig, omdat er een sterke wisselwerking is tussen degene die het schema maakt en de layouter. We vroegen ons af hoe dat zou gaan als je het uitbesteedt en waren bang dat je het schema, bij wijze van spreken, over de muur gooit en pas 8 of 10 weken later het eerste resultaat ziet. Gelukkig was dat niet zo”, zegt Vollmuller. Fontaine vult aan: “We hebben gelukkig veel interactie gehad tijdens de layout-fase, bijvoorbeeld over de design-beslissingen rondom de FPGA. Naast de gewone datasheet hoort er een heel dik boekwerk van application notes bij. Sintecs nam regelmatig contact met ons op om na te vragen of een ontwerpkeuze, die wij gemaakt hadden, wel echt zo bedoeld was. ‘Want in de application notes staat wat anders’, was dan de opmerking. In de meeste gevallen konden we zeggen: ‘Nee dat willen we écht zo’, maar een enkele keer dachten we toch ‘oh ja, dat is een goede opmerking, dat moeten we even heel goed nakijken’. Dit hadden we veel liever dan dat de layouter zonder zelf na te denken doet wat wij van hem vragen en dat we er dan later achter komen dat is nog niet klopt. Juist deze interactie tussen de ontwerper en de layouter, om te komen tot een goede oplossing, is ons goed bevallen. Sintecs heeft eigenlijk gedaan wat wij normaal zouden doen als wij zelf de layout zouden doen.”

       

      “De hardware functioneerde direct zonder problemen”

      Het resultaat

      “Omdat er tijdens het layout-proces veel interactie is geweest tussen ons en de layouter van Sintecs hadden wij veel vertrouwen in het bord. We hadden gehoopt dat het eerste doorfluiten van het bord in 1 of 2 dagen gedaan zou zijn, en dat was ook zo. De hardware functioneerde direct zonder problemen”, sluit Fontaine af. “ESA was erg enthousiast dat het project nog vóór het einde van 2018 is afgerond, en daar hebben wij bij het NLR complimenten over gekregen. Niet alleen wij zijn blij, ook onze eindklant is blij.”

      Signal & Power Integrity analyses; “Alles op alles zetten voor 100% betrouwbare hardware”

      Vlak voor de zomervakantie kwam er onverwacht veel druk op een bedrijf in Nederland te staan en deed Thomas een beroep op de expertise van Sintecs: “Signal & Power Integrity analyses”. Het bedrijf waar Thomas werkt ontwikkelt camera’s voor professionele toepassingen en liep tegen een probleem voor het mainboard van een nieuwe camera aan. “In het verleden is een keer met instabiele hardware gewerkt, wat de ontwikkeling van software enorm heeft geremd”, vertelt Thomas. Om dit bij de nieuwe camera te voorkomen was ervoor gekozen om Signal en Power Integrity analyses op het mainboard uit te laten voeren. De partij die dit in eerste instantie zou doen, bleek dit toch niet te kunnen en daarom is Sintecs ingeschakeld.

      PCB photo top

      “Het mainboard; hart van de nieuwe camera’’

      “Het ITOR mainboard wordt gezien als het hart van onze nieuwe camera”, vertelt Thomas. Het verwerken van sensor naar de beeldoutput is de taak van dit mainboard en dan met name hoge beeldresolutie en -snelheid, 100 frames per seconde. Er gaat veel data van het sensorboard naar het mainboard en op dit laatstgenoemde board wordt alle data omgezet, bewerkt en weer naar een specifieke camera output gebracht. Hierbij kun je denken aan Camera Link, HD SDI en eventueel USB3. Het mainboard doet ook aan image processing; er bevindt zich geheugen en beelden worden in dat geheugen gebufferd. “Alles moet realtime gebeuren. Het doel is om een continue output uit de camera te krijgen; met zo weinig mogelijk frame lag”, aldus Thomas.

       

      “Het is absoluut niet prettig als je er continu aan moet twijfelen of je hardware wel werkt”

      Het belang van Signal & Power Integrity analyses

      Volgens Thomas zijn goede Signal & Power Integrity analyses erg belangrijk, met name wanneer je werkt met high speed signalen. “In het verleden is het wel eens voorgekomen dat bleek dat onze hardware niet naar behoren werkte. Dit heeft de ontwikkeling van software toen enorm geremd. Het is absoluut niet prettig als je er continu aan moet twijfelen of je hardware wel werkt. Werk je met high speed, bijvoorbeeld een DDR 4 geheugen, dan wil je de hardware niet op de gok bestellen. Dat moet je gewoon eerst simuleren”, zegt Thomas. “Om dit keer zeker te weten dat we verder zouden werken met betrouwbare hardware hebben we Sintecs gevraagd om deze analyses uit te voeren”. De vraag was of we deze analyses überhaupt konden doen, en zo ja, of we de volgende dag al konden beginnen.

       

      “In twee weken tijd kregen we ontzettend veel feedback; er is een review gedaan en simulatierapporten zijn geleverd en mondeling toegelicht. Echt hele goede punten en veel waar voor ons geld, dat geeft een mooi gevoel!”

      Het resultaat

      De engineers van Sintecs maakten ruimte om snel te kunnen starten. “Wouter is direct begonnen met Signal Integrity analyses op het DDR 4 geheugen en heeft Power Integrity simulaties gedaan. Hieruit werd bevestigd dat we niet ver mis zaten met ons ontwerp en dus verder konden met wat we hadden gemaakt”, vertelt Thomas. Op aanraden van onze engineers zijn enkele schema aanpassingen doorgevoerd en is het PCB-ontwerp geoptimaliseerd. “In twee weken tijd kregen we ontzettend veel feedback; er is een review gedaan en simulatie rapporten zijn geleverd en mondeling toegelicht. Echt hele goede punten en veel waar voor ons geld, dat geeft een mooi gevoel! Daarnaast werd voor ons, door de heldere analyses en rapporten, snel duidelijk hoe alles in elkaar zat”.

      Het resultaat? “Uiteindelijk is ons ontwerp geproduceerd, is de deadline gehaald en werkt alles nu als een trein! Doordat de hardware nu betrouwbaar is en langdurig werkt, kan de focus worden gelegd op de software ontwikkeling, zonder afgeleid te raken door een hardware probleem. We zitten al onder in de trechter. Nog even en dan rolt er een camera uit.”

      De organisatie waar Thomas werkt ontwikkelt camera’s voor professionele toepassingen zoals defensie, de bewaking van terreinen en de medische wereld. In verband met de toepassingsgebieden van deze camera’s zijn wij overeengekomen dat de naam van het bedrijf niet genoemd wordt. Ook is de naam van onze gesprekspartner aangepast.