EL206: Entwicklung resilienter Elektroniksysteme

Nach Teilnahme des Lehrmodules kennen die Studierenden den Entwicklungsprozess elektronischer Geräte und Systeme im Detail und können eine Entwicklungsplanung entsprechend dem gesamten Produktlebenszyklus inklusive Anforderungsmanagement, Design, Entwicklung, Verifikation, Qualifizierung und Verwendung erstellen.

Die Studierenden sind in der Lage, elektronische Geräte basierend auf eingebetteten Systemen für industrielle Anwendungen zu entwickeln. Sie verstehen die Zusammenhänge in System-on-Chips (SoCs) und können weiterführende Anwendungen damit entwickeln. Sie kennen die Umgebungseinflüsse (u.a. Temperatur, Feuchte, Vibration, EMV/ESD, Vakuum, Strahlung) und deren Effekte auf Hardware und Software. Sie können elektronische Systeme hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit unter industriellen und anspruchsvollen Umweltbedingungen bewerten.

Die Studierenden können Entwicklungsprozesse strukturieren, modellieren und dokumentieren. Sie können geeignete Methoden zur Analyse und Verifikation von Anforderungen anwenden und moderne Werkzeuge für Schaltungsentwurf, Simulation, Layouterstellung und Testplanung nutzen. Sie können aus Entwurfs- und Testergebnissen auf Systemzuverlässigkeit schließen und technische Risiken bewerten. Die Studierenden beherrschen grundlegende Methoden der Zuverlässigkeitsanalyse (FMEA, FTA, Derating, FDIR) sowie des Konfigurationsmanagements und der Produktsicherung. Sie können eine Gerätespezifikation ableiten, Designentscheidungen technisch begründen und Entwicklungs- und Testpläne erstellen. Zur Verifikation und Validierung der Ergebnisse wenden die Studierenden Analyse- und Testverfahren an.

Die Studierenden können selbstständig an komplexen Entwicklungsaufgaben arbeiten, ihre Arbeitsschritte planen, Entscheidungen treffen und Ergebnisse verantworten. Sie verstehen technische und organisatorische Zusammenhänge im Produktentstehungsprozess.

Die Studierenden können in Teamarbeit mit 2 – 3 Teammitgliedern ein vollständiges technisches System entwickeln und Verantwortlichkeiten für Teilbereiche untereinander aufteilen. Sie verstehen die Notwendigkeit technischer Kommunikation und kennen Peer-Review-Prozesse.

Das Lehrmodul besteht aus seminaristischem Unterricht, Tutorübungen und einem semesterbegleitenden Projekt. Das Modul orientiert sich an der Entwicklung eines elektronischen Systems für einen konkreten Anwendungsfall, z.B. für eine industrielle oder Satellitenanwendung.

Im Projekt werden die theoretischen Inhalte der Vorlesung praktisch angewendet. Ein Evaluationsboard als SoM (System-on-Module) wird in seiner Hard- und Softwarearchitektur analysiert. Methoden des Hardware-Software-Codesigns werden verwendet, um die Funktionalität des SoM zu erweitern. Dazu entwickeln die Studierenden ein Aufsteck-PCB und integrieren dieses durch die Programmierung des SoC (System-on-Chip) in die existierende Architektur. Durch Peer-Review-Phasen werden Feedback- und Kommunikationskompetenzen gefördert.

Abschnitt A Entwicklungsprozess, Methoden, Systems Engineering

• Produktlebenszyklus und Produktphasen
• Anforderungs- und Verifikations-Engineering
• Machbarkeits- und Kostenanalysen, Preisbildung, Markteinführung
• Spezifikation, Konzeptentwurf, Entwicklungsplanung
• Design-Analysen, Produktsicherung und Zertifizierung (z. B. CE)
• Zuverlässigkeitsanalysen (Ausfallraten, WCA, Derating, FDIR, FMEA, FTA)
• Konfigurationsmanagement, Schnittstellenkontrolle

Abschnitt B Technische Entwicklung, Engineering

• Analyse von Umgebungsbedingungen und Ableitung spezifischer Anforderungen
• Auswirkung von Umgebungsbedingungen auf elektronische Systeme und Daten
• Autonomer Betrieb, Erkennung von Abweichungen im Ablauf
• System-on-Chip (SoC) und System-on-Module (SoM) Überblick
• Bewertung des Evaluationboards bzgl. Hardware- und Softwarearchitektur
• Leiterplattenentwurf (Schaltplan, Layout, DRC, BoM, Fertigungsdaten)
• Programmierung SoC/SoM-basierter Systeme: Prozessorarchitektur (CPU/FPGA), IP-Integration, Busarchitekturen (AMBA, AXI), SoftCores und deren Integration
• Mechanik, Struktur und Thermal Design elektronischer Baugruppen und Gehäuse

Abschnitt C Verifikation und Test

• Testplanung: Testbarkeit (DfT), Ableitung von Testanforderungen, Definition von Akzeptanzkriterien
• Testaufbau, Testdurchführung und Verifikation von Anforderungen (Testsetup, Testprozedur)
• Testdatenauswertung und Visualisierung

Praktische Umsetzung, (Projektarbeit)

In Teams von 2 – 3 Studierenden wird ein elektronisches Gerät entwickelt und realisiert. Dazu erhalten die Teams eine SoC-basierte Entwicklungsplattform (z. B. PolarFire SoC Discovery Kit). Sie erstellen eine Spezifikation und ein Design, entwickeln eine Erweiterungsplatine im MikroBus Formfaktor und integrieren die zusätzliche Funktionalität in HW und SW. An der entwickelten HW/SW Baugruppe wird die Verifikation der Anforderungen durchgeführt.

Grundlagen der Elektronikentwicklung und Programmierung aus dem Bachelorstudium, Kenntnisse über die Funktionsweise von Mikrocontrollern, FPGAs, Speichern, Kommunikationsbussen.

• Lienig J., Brümmer H.: Elektronische Gerätetechnik, Springer Vieweg, 2014.
• Schmidt R., et al.: Elektronik Design: Theorie und Praxis, Springer Vieweg, 2024
• Aktuelle SoC-Handbücher (z. B. Lattice, Microchip, Xilinx oder Intel FPGA).