Entwicklung eines Multisensor-Evaluierungsarrays

Ich begann meine Karriere bei SpaceX mit der Entwicklung von Raumfahrtelektronik, mit Schwerpunkt auf den Auswirkungen ionisierender Strahlung. Im Orbit können hochenergetische Teilchen jede Schaltung empfindlich stören. Deshalb mussten sämtliche Bauteile und Platinen hier auf der Erde in Strahlungsanlagen getestet werden.

Das Problem war der Zeitpunkt. Eine fertige Avionikeinheit zu testen war häufig „zu spät“. Bei einem Fehlschlag drohte eine Startverzögerung. Klüger war es, Bauteile früher zu prüfen, noch bevor sie in die Entwicklungsbibliothek aufgenommen wurden. Bei Tausenden Bauteilen in einem Raumfahrzeug bedeutete das, jedes Jahr Dutzende spezialisierte Testplatinen zu entwerfen.

Quelle: Strahlungstestplatine der ESA

Das betrifft nicht nur die Luft- und Raumfahrt. Automobil-, Medizin- und Halbleiterunternehmen benötigen ähnliche Platinen für Umwelt- und Zuverlässigkeitsprüfungen. Sie sind nicht besonders schwierig, aber zeitaufwendig: Der Entwurf dauert oft Wochen. 

Das war einer der Anstöße zur Gründung von Quilter. Unser Ziel ist die allgemeine Automatisierung des PCB-Designs. Doch uns wurde klar: Wenn wir mit solchen Platinen beginnen, können wir die Zeitpläne von Hardwareunternehmen erheblich beschleunigen, lange bevor Quilter die anspruchsvollsten Platinen bewältigt.

Um das zu demonstrieren, baute Ben Jordan unser eigenes Array mit 32 Sensoren, einem FPGA und Live-Visualisierung. Es ist genau die Art zusätzlicher Testhardware, die jedes F&E-Team benötigt und die Quilter in Stunden statt Tagen erzeugen kann.

Ben Jordan CID+ Leitender Elektronikingenieur

Ben bringt über 20 Jahre EDA-Erfahrung mit, darunter 16 Jahre bei Altium. Als leitender Elektronikingenieur bei Quilter entwirft er reale Platinen, die funktionieren müssen. 

Die Designs, die zum Engpass werden

Diese Platine charakterisiert 32 MEMS-Beschleunigungssensoren parallel. Sie gehört zu den unverzichtbaren, aber zeitaufwendigen Prüfvorrichtungen, Inbetriebnahmeplattformen und Evaluierungssystemen, die jedes Hardwareteam bauen muss.

• 32x MC3479-Beschleunigungssensoren mit digitalem Kompass über I²C
• Lattice-MachXO2-FPGA mit einem Soft-RISC-V-Kern in der programmierbaren Logik
• Power-Management-IC von Linear Technology mit drei Schaltreglern
• USB 2.0 (480 Mbps) mit integriertem JTAG
• TFT-Display für Echtzeitvisualisierung über SPI
• Fast 100 Abblockkondensatoren

Zusatzplatinen blockieren Projekte überall:

• Prüfvorrichtungen zum Testen von Sensoren vor Produktionsentscheidungen in Millionenhöhe
• Inbetriebnahmeplatinen zur Validierung neuer Halbleiter
• Charakterisierungsplattformen zum Aufbau von Zuverlässigkeitsdaten
• Verbindungsplatinen zum Zusammenführen von Teilsystemen

Aus einer „zweitägigen“ Layoutaufgabe werden wochenlang wartende Teams und verspätete Markteinführungen.

Entwerfen mit Quilter

Ben brauchte ungefähr 30 Minuten, um das Design für Quilter vorzubereiten.

Für die mechanischen Gegebenheiten vorplatziert:

• USB-Steckverbinder und Strombuchse (Zugang am Rand erforderlich)
• TFT-Display-Stiftleiste (begrenzte Kabellänge)
• LED-Array und Schalter (Ausrichtung an der Frontplatte)
• Befestigungsbohrungen (Gehäusekompatibilität)
• Raster aus 32 Beschleunigungssensoren (4×8-Array mit unterschiedlichen Ausrichtungen zum Vergleich)

Für physikalische Optimierung unplatziert gelassen:

• Lattice-MachXO2-FPGA und sämtliche unterstützende Schaltungen
• Power-Management-IC von Linear Tech mit drei Reglern
• Fast 100 Abblockkondensatoren
• Alle diskreten und passiven Bauteile
• Speicherkondensatoren
• Architektur der Stromverteilung

Er platzierte weniger als 20% der Bauteile manuell. Alles andere – FPGA-Beschaltung, Regler und fast 100 Abblockkondensatoren – blieb unplatziert. Quilter erkannte die Arraystruktur, bewahrte die Testabsicht und optimierte den Rest.

Zwei Stunden später

Quilter lieferte mehrere vollständige Entwürfe. Ben wählte eine sechslagige Variante mit einem einzigen Laminierzyklus. Sie war weder die günstigste noch die schönste, aber die pragmatischste:

• Ein Laminierzyklus = kürzere Durchlaufzeit, geringere Kosten
• Durchgängige Ebenen zwischen Signallagen = inhärente Signalintegrität
• Breite Herstellerkompatibilität
• Alle physikalischen Randbedingungen validiert

„Ein menschlicher Künstler könnte bemängeln, dass es nicht handgeroutet aussieht. Das ist mir egal. Mir ist wichtig, dass es funktioniert und ich weitermachen kann.“ – Ben Jordan

Die Nachbearbeitung war minimal: dichteres Via-Stitching und Bereinigung des Bestückungsdrucks, zusammen weniger als eine Stunde Arbeit.

Von Gerber-Dateien zu funktionierender Hardware

Fünf Platinen wurden im Ausland gefertigt und bestückt: sechs Lagen, abgedeckte Vias. Alle außer dem für die Fehlersuche geopferten Exemplar ließen sich einschalten, liefen kontinuierlich und lieferten saubere Charakterisierungsdaten. Die Auslandsbestückung hielt die Kosten niedrig, doch jeder lokale Schnellfertiger hätte diese Platine problemlos innerhalb weniger Tage liefern können. 

Fertigungsrealität:

• 5 Platinen im Ausland gefertigt und bestückt
• 6 Lagen, verfüllte und abgedeckte Vias
• Gesamtkosten: unter 600 US-Dollar
• Keine Fertigungsstopps oder Rückfragen

Mit angeschlossenem Display und geladener Firmware erwacht das vollständige System zum Leben. Das FPGA initialisiert den TFT-Controller über SPI, prüft Registerlesevorgänge und aktualisiert die Anzeige laufend. Der Logikanalysator bestätigt korrektes Timing und die Befehlsreihenfolge: Hardware, Firmware und Routing verhalten sich genau wie entworfen. Die Platine startet, misst, kommuniziert und visualisiert Sensordaten in Echtzeit.

Nebenaufgabe

Ein Schaltplanfehler blieb unbemerkt: Ein Regleranschluss war offen statt mit Masse verbunden. Quilter setzte den Schaltplan genau um.

Die Korrektur erforderte Präzisionsarbeit:

• Dremel mit Mikrobohrer durch die Leiterplatte
• Löten unter dem Mikroskop
• Haardünner Draht von Anschluss 19 zur Massefläche
• Eine Platine für die Diagnose geopfert
• Vier Platinen erfolgreich modifiziert

Erkenntnisse

Diese Platine entstand im Januar ’25. Wir lernten viel daraus und haben Quilter verbessert.

Die wichtigste Erkenntnis war, der Platzierung von Abblockkondensatoren deutlich mehr Aufmerksamkeit zu widmen, besonders bei dichten Designs. Wir haben die Darstellung des platzierbaren Raums und die zentralen Optimierungsalgorithmen stark verbessert. Dadurch erreichen Abblockkondensatoren selbst bei sehr beengten Designs eine hervorragende Nähe zu ihren Anschlüssen. Unten sehen Sie beispielsweise ein RP2040-Design, bei dem die Zuordnungen der Abblockkondensatoren violett markiert sind.

Ein weiterer Schwerpunkt war die Verbesserung der Stromverteilung. Als wir dieses Sensorarray bauten, routeten wir die Versorgung noch mit dicken Leiterbahnen. Besser sind jedoch deutlich größere Versorgungspolygone, um die Induktivität zu minimieren. Quilter kann deshalb jetzt Polygone für Versorgungsnetze erzeugen, zusätzlich zu einer eigenen Versorgungsebene:

Der Zeitmultiplikatoreffekt

Ein professioneller Entwickler wie Ben, der Altium bestens kennt, hätte diese Platine in wenigen Tagen entwerfen können. Doch aus meiner eigenen SpaceX-Erfahrung weiß ich: Fachleute dieses Kalibers haben selten Zeit für solche Projekte. In Wirklichkeit ist das PCB-Layoutteam mit flugkritischen Designs ausgelastet. Die Aufgabe fällt daher an den Schaltplanentwickler oder Testingenieur, dessen Schwerpunkt üblicherweise nicht auf Layout liegt. So dauern solche Platinen am Ende eine Woche statt nur ein paar Tage. 

Statt Zeit ins Layout zu investieren, konnte Ben sich auf alles andere konzentrieren, was für die Inbetriebnahme nötig war:

• HDL für das FPGA: Kundenspezifische Logik zur gleichzeitigen Anbindung von 32 I²C-Bussen
• RISC-V-Implementierung: Softprozessor in der programmierbaren FPGA-Logik
• Bare-Metal-Treiber: Direkte Hardwaresteuerung für maximale Leistung
• Display-Controller: 40-MHz-SPI-Schnittstelle mit Echtzeitvisualisierung
• Mechanische Konstruktion: In Fusion 360 entworfenes, 3D-druckbares Gehäuse
• Schutzsystem: Robuste Halterungen gegen TFT-Beschädigungen

„Ich konnte mit der Firmwareentwicklung weitermachen … die hat ehrlich gesagt viel mehr meiner Zeit beansprucht.“

Das ist die entscheidende Erkenntnis. Das Schwierige ist nicht, Leiterbahnen zu routen, sondern Systeme zum Laufen zu bringen: Herstellerdokumentation lesen, FPGA-Timing verstehen, robuste Treiber erstellen. Das ist die Arbeit, die Produkte tatsächlich zur Auslieferung bringt.

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