Smart Player auf Basis eines ARM-Boards

Kunde

Ein europäisches Technologieunternehmen mit einer Serienproduktion-Anlage.

Herausforderung 

Entwicklung eines Smart Players zur Wiedergabe von Audio- und Videostreams vom Internetserver über Ethernet. Der Server sollte auf einem ARM-Board mit der Ubuntu 18.04 Server-Version basieren. Das Gerät war als kleine Platine und Gehäuse für einen Audioplayer mit Unterstützung für Betriebssystem und Treiber geplant.

Das Ingenieurteam von Promwad musste alles Notwendige vorbereiten, um die Produktion beim Kunden zu starten. Der Zielmarkt für den neuen Player: Gewerbliche Räume, Einzelhandelsgeschäfte und Lebensmittelketten.

Lösung

1. Konzeptentwicklung

Unser erster Anwendungsfall war das Starbucks-Café. Das Gerät musste an der Decke montiert werden, um das Decken-Display und die Lautsprecher mit Audio-/Videostreams zu steuern.

Das Gerät zielt auf große Produktionsmengen ab. Daher waren Kostenoptimierung und einfache Fertigung während der gesamten Entwicklung wichtige Faktoren.

2. Hardware-Design

Die entwickelte Hardware-Plattform erfüllte folgende Anforderungen:

• Audio-Stereoausgang
• Videoausgang HDMI 60Hz FullHD
• 10M/100Mbit Ethernet
• Niedrige Kosten

Um ein kostenoptimiertes Design zu erreichen, entschieden wir uns für das Amlogic S805X Quad-Core Cortex A53 64-Bit ARM SoC mit integriertem Audio-DAC, HDMI-Unterstützung und Ethernet PHY.

Wir kommunizierten mit Amlogic und erhielten alle notwendigen Dokumentationen.

^{Abbildung 1. Amlogic S805X SoC}

Die restlichen Komponenten wurden in enger Zusammenarbeit mit unserem Geschäftspartner SIE Connect sorgfältig ausgewählt. Durch die Verwendung chinesischer Komponenten und bekannter Markenlieferanten konnten wir außergewöhnlich niedrige Produktionskosten in unserer Materialstückliste (BOM) erzielen.

Hier einige Beispiele:

• DC-DC-Wandler-IC = 0.08$
• RJ45-Steckverbinder mit Magnetik = 1$
• USB-A-Buchse = 0.035$

Eine weitere Anforderung bestand darin, mehrere Bestückungsoptionen für unterschiedliche Mengen an RAM und Speicher zu implementieren. Wir wählten mehrere pin-kompatible SDRAM-ICs von Samsung und eMMC-Speicher-ICs von Longsys aus.

Um die Anforderungen an die Umgebungsbedingungen zu erfüllen, haben wir eine 3D-Wärmemodellierung mit CAD-Tools durchgeführt. Dies ermöglichte es uns, einen geeigneten Kühlkörper für das Haupt-SoC auszuwählen. Das mechanische Design wurde angepasst, um maximalen passiven Luftstrom ohne Lüfter zu ermöglichen.

Um die thermische Leistung des Kühlkörpers zu überprüfen, entwickelten wir gemeinsam mit dem Softwareentwicklungsteam ein Worst-Case-Ladeskript. In einem Testlabor überprüften wir die Temperaturen in einer Klimakammer.

^{Abbildung 2. Einrichtung des Klimatests}

Wir bestanden die Tests bei maximalen Umgebungstemperaturen und überprüften die Leistung der Audio- und Videowiedergabe über den gesamten erforderlichen Temperaturbereich.

3. Software-Entwicklung

Unsere Softwareingenieure führten das Bring-up des Boards durch, überprüften alle Komponenten und patchten den Linux-Kernel, um den neuen DS1307 i2c-Bus zu unterstützen.

^{Abbildung 3. Die Hardware-Plattform des Geräts}

Wir entwickelten ein Flash-Utility für den Prüfstand, um GXL- und andere Amlogic-Images mit folgenden Funktionen zu überprüfen:

Abbildung 4. Reboot-Hack für Amlogic-CPU-Neustart

• Vollständig automatisierter Flash-Prozess bis zum Ende.
• Paralleles Flashen von bis zu 10 Geräten gleichzeitig.
• Möglichkeit, jedes Gerät auszutauschen und durch ein neues zu ersetzen, wobei der Flash-Prozess für ein anderes unterbrochen wird.
• Komponententests des Geräts: CPU, Speicher, MMC, Ethernet, HDMI, Kernel, Audio, Video, Seriell.
• Manuelle Tests wie LEDs und Audio.
• Protokollierung und Anzeige für defekte Geräte, die einige Tests nicht bestehen.
• Brennen des AmLogic-Modus.
• Reboot-Hack für den Neustart der Amlogic-CPU.
• Das Image wird auf dem Gerät gelöscht.

4. Gehäuse- und mechanisches Design

Das Gerät enthält eine Leiterplatte (PCB) und verfügt über folgende externe Anschlüsse:

• Stromeingang über einen USB-C-Anschluss;
• Ein-/Aus-/Reset-Tastschalter;
• 1 RJ45-Netzwerkanschluss;
• 2 USB Type-A Anschlüsse;
• 1 HDMI-Anschluss;
• Audio über Stereo-RCA-Anschluss (2 Buchsen);
• Der gleiche Audiokanal parallel auf einem 3,5 mm Klinkenanschluss;
• SD-Kartensteckplatz (an der Seite des Geräts);
• 3 grüne/rote LEDs (an der Vorderseite des Geräts).

Während der Entwicklung des Gehäuses haben wir die aktuellen Produkte des Kunden, Analoga und Marktentwicklungen untersucht. Wir haben drei Designoptionen vorgeschlagen. Die erste war ein stilisierter Lautsprecher mit einer Vinyl-Schallplatte in der Mitte.

Abbildung 5. Die erste Version des Gehäusedesigns

Das zweite Gehäuse nahm die Formen eines Kristalls oder Diamanten auf:

^{Abbildung 6. Die zweite Version des Gehäuses}

Das dritte Konzept wirkte leicht und elegant durch seine glänzende und glatte Oberfläche:

^{Abbildung 7. Die dritte Version des Gehäusedesigns}

Anschließend begannen wir mit der mechanischen Konstruktion. Wir entschieden uns, das Gerät in Form von zwei Teilen zu gestalten, die mit vier Schrauben befestigt werden. Unsere Maschinenbauer platzierten unterstützende Gummipuffer am Boden des Gehäuses. Diese Puffer schaffen einen Spalt, der für die passive Kühlung der Elektronik erforderlich ist, zwischen der Stützfläche und dem Gehäuse.

Im nächsten Schritt wählten wir das Gehäusematerial aus. Wir hatten die Wahl zwischen Metall und Kunststoff. Nach der thermischen Simulation war klar, dass es nicht notwendig ist, Wärme an das Gehäuse weiterzuleiten, daher benötigten wir kein Metall. Wir konnten eine kostengünstigere und praktischere Option wie Kunststoff mit einem Standard-Kühlkörper verwenden.

Dann entschieden wir uns für die folgenden Fragen: Wo sollten die Löcher am besten platziert werden? Wie viele Löcher sind erforderlich, um die passive Kühlung der Elektronik im Gehäuse sicherzustellen?

Wir führten vergleichende Berechnungen zur passiven Kühlung für vier Perforationsoptionen durch:
 

^{Abbildung 8. Strömungssimulation für das Gehäuse mit Perforationen am Deckel und am Boden}

^{Abbildung 9. Strömungssimulation für das Gehäuse mit Perforation nur an der Unterseite}

^{Abbildung 10. Strömungssimulation für das Gehäuse mit Perforation am Boden (eine andere Art der Perforation)}

^{Abbildung 11. Strömungssimulation für das Gehäuse ohne Perforation}

WWir beobachteten, dass die durchschnittlichen CPU-Temperaturen bei unterschiedlichen Perforationstypen von 119,62 Grad auf 129,3 Grad anstiegen. Die Berechnungsmodelle halfen uns, das optimale Gehäuse auszuwählen. Es war die zweite Option, mit einer großen Perforation am Boden.

^{Abbildung 12. Ausgewählte Option mit Perforation im Boden}

Geschäftswert

Unser Kunde hat ein neues B2B-Produkt: einen Multimedia-Player, der Streaming-Video und -Audio von einem Server abspielt und Daten über Ethernet bezieht. Das Gerät ist sehr kostengünstig, mit passiver Kühlung und nachweislich zuverlässig.

Unser Entwicklungsteam optimierte die Kosten und sorgte dafür, dass das Produkt so einfach wie möglich hergestellt werden konnte, ohne seine hohe Leistung zu beeinträchtigen.