Hardware Entwicklungsprozess

Martin Bosch

31/08/2020

Es ist immer interessant, mal über den Tellerrand zu blicken – wie wird Hardware in anderen Branchen entwickelt?

Eines der erfolgreichsten Gebiete der Ingenieurstechnik ist die Flugzeugtechnik. Laut der Website planecrashinfo.com ging die Zahl der Unfälle von den 1950ern bis jetzt zurück, obwohl sich die Anzahl der Flüge von 1970 bis heute deutlich erhöht hat (Quelle: gapminder.org). Irgendetwas scheinen die Flugzeug-Ingenieure richtig zu machen.

Unfälle und Passagiere in der Luftfahrt, Quelle: Passagierzahlen von Gapminder.org, Unfälle von <http://planecrashinfo.com/cause.htm>

Die Abnahme der Flugunfälle und steigende Sicherheit haben sicherlich mehrere Ursachen, unter anderem strenge Regulierung und hohe Auflagen bei der Zulassung, Fortschritte in der Ausbildung, Einsatz neuer Technologien und Einsatz von Checklisten (hier unser Blog zu Checklisten).

Ein Aspekt, der zur Qualität der Elektronik beiträgt sind auch die Entwicklungsprozesse. Diese sind in der Luftfahrt mit der RTCA DO-254 / EUROCAE ED-80, Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardware streng reguliert. Diese Norm ist eine Prozessnorm (wie z. B. die ISO 14971 oder die ISO 13485). Das heißt, sie erklärt nicht, wie und was getestet wird, sondern diese Norm formuliert Anforderungen an den Entwicklungsprozess und dessen Verifizierung.

Worum geht es in der DO-254 und welche Anforderungen an die HW-Entwicklung gibt es?

Hardware wird nach der DO-254 unterteilt in einfache und komplexe Systeme. Einfache Systeme können komplett getestet werden und unterliegen nicht den Anforderungen an die Prozesse nach DO-254. Komplexe Systeme können nicht komplett getestet werden, d. h. die Funktionalität und Sicherheit können nicht komplett verifiziert werden. Darunter fallen dann vor allem Systeme, die mit programmierbarer Logik in CPLDs und FPGAs implementiert sind (deshalb auch die HDL-lastige Beschreibung in den nächsten Kapiteln). Um dennoch sicherzustellen, dass das System funktioniert und sicher ist, ist ein Entwicklungsprozess nötig.

In der DO-254 wird der HW Entwicklungsprozess in 5 Schritte unterteilt:

Erfassung von Requirements

Anforderungen an das System werden erfasst und dokumentiert. Die Architektur des Systems (und die Anforderungen auf Systemebene), einschließlich Elementen wie Teststrukturen und Schnittstellen, werden beschrieben und dokumentiert. Es werden Blockschaltbilder, Zustands- und Flussdiagramme erstellt, die mit den Anforderungen übereinstimmen.

Konzeptioneller Entwurf

In dieser Phase kann der Hardwareentwurf mit der HDL-Entwicklung beginnen. Die Ergebnisse dieser Aktivitäten werden überprüft in Reviews und wo möglich durch Automatisierte Tests (in HDL). Die Simulation ist zum einen Teil der Verifikation und Validierung, zum anderen aber auch Bestandteil des Konzept- und Feinentwurfsprozesses.

Ausführlicher Entwurf (detailed design)

In dieser Phase wird der Entwurf synthetisiert und der Place-and-Route-Prozess abgeschlossen.
In der VHDL-Programmierung werden in dieser Phase Bitströme generiert.

Implementierung

Während dieser Phase werden FPGAs programmiert und Prototypen entwickelt, um Tests und Debugging zu ermöglichen.

Übergang der Produktion

In der letzten Phase wird das FPGA bzw. das Board für die Freigabe zur Fertigung vorbereitet. Nachdem das Board und der FPGA vollständig getestet sind, werden die Produktion und Produktionstests validiert. Abnahmeprüfungen und Prüfungen für Produktionsqualität müssen festgelegt werden.

Parallel dazu laufen weitere Prozesse wie Verifizierung und Validierung, Zertifizierung, Prozessüberwachung und Konfigurationsmanagement.

Was können wir in der Medizintechnik daraus lernen?

In der Medizintechnik gibt es für die Hardware im Gegensatz zur Software eigentlich keine Anforderungen an den Entwicklungsprozess.

Das Vorgehen in der Software-Entwicklung für medizinische Produkte ist definiert in der IEC 62304.
Die HW-Entwicklung ist außen vor, da elektrische Sicherheit bei „gefährlicheren“ Geräten mit einer höheren Sicherheitsklassifizierung von einer benannten Stelle geprüft wird, um für den Markt zugelassen zu werden.

Allerdings haben wir bei der MEDtech Ingenieur GmbH und auch andere Medizintechnik-Firmen Entwicklungsprozesse auch für Hardware-Entwicklung spezifiziert. In diesem Entwicklungsprozess verlaufen Entwicklungsprojekte nach einem der DO-254 sehr ähnlichen Prozess, der ebenso klar gegliedert ist. Am Projektbeginn steht die Erfassung von Requirements, anschließend eine Konzeptphase, dann die Entwicklungsphase und schließlich nach Validierung und Verifizierung der Übergang in die Produktion. Zwischen den einzelnen Phasen gibt es Gates, an denen bestimmte Dokumente vorliegen müssen und geprüft werden. Dabei gehen wir entsprechend dem V-Modell von der Systemebene aus und gliedern diese wieder auf in Software, Hardware, Mechanik und womöglich weitere Komponenten.

Wir haben gute Erfahrungen gemacht mit dem Prozess und können dieses Vorgehen nur empfehlen.

Viele Grüße
Martin Bosch

 

Referenzen: https://www.xilinx.com/support/documentation/white_papers/wp401_DO254_FPGA_Designer.pdf


Geschrieben von Martin Bosch

Martin Bosch ist ein Vollblut Hardware-Entwickler, der seine Leidenschaft für Elektronik bei der MEDtech Ingenieur GmbH verwirklicht. Sein Fachgebiet umfasst die Entwicklung von Embedded Elektronik, speziell für medizinische Anwendungen. Dabei liegt sein Fokus auf dem Design von Leiterplatten und Schaltungen, die sowohl Mikrocontroller als auch analoge Schaltungstechnik integrieren. Diese kommen in einer Vielzahl von Geräten zur Anwendung, von Blutanalysegeräten bis hin zu Defibrillatoren.


Weitere Beiträge

  • 25/09/2025
  • Allgemein, Elektrodermale Aktivität, Hardware, Produktion

Darf ich vorstellen? Das ist EDA – unsere Eule für elektrodermale AktivitätDas ist EDA, unsere kleine Eule mit einem besonderen Talent. EDA kann elektrodermale Aktivität (kurz: EDA) messen – ...

Weiterlesen
  • 29/01/2025
  • Allgemein, Hardware, Testen

EinleitungUm bei der EMV Prüfung für die Zulassung neuer medizintechnischer Geräte das Risiko zu reduzieren machen wir gerne Vortests mit den Geräten in der Prototypen Phase. Aktuell unterstützen wir ...

Weiterlesen
  • 12/09/2024
  • Allgemein, Fertigung, Hardware, Qualität

Die Schnellen fressen die Langsamen – die Bedeutung der schnellen Prototypenfertigung in der Elektronikentwicklung Unsere Bestückungsmaschine erlaubt uns kleinere Chargen manuell und wesentlich schneller zu bestücken. In der Elektronikbranche ...

Weiterlesen
Cookie-Übersicht

Die Internetseiten der MEDtech Ingenieur GmbH verwenden Cookies. Cookies sind Textdateien, welche über einen Internetbrowser auf einem Computersystem abgelegt und gespeichert werden.

Zahlreiche Internetseiten und Server verwenden Cookies. Viele Cookies enthalten eine sogenannte Cookie-ID. Eine Cookie-ID ist eine eindeutige Kennung des Cookies. Sie besteht aus einer Zeichenfolge, durch welche Internetseiten und Server dem konkreten Internetbrowser zugeordnet werden können, in dem das Cookie gespeichert wurde. Dies ermöglicht es den besuchten Internetseiten und Servern, den individuellen Browser der betroffenen Person von anderen Internetbrowsern, die andere Cookies enthalten, zu unterscheiden. Ein bestimmter Internetbrowser kann über die eindeutige Cookie-ID wiedererkannt und identifiziert werden.

Durch den Einsatz von Cookies kann die MEDtech Ingenieur GmbH den Nutzern dieser Internetseite nutzerfreundlichere Services bereitstellen, die ohne die Cookie-Setzung nicht möglich wären.

Mittels eines Cookies können die Informationen und Angebote auf unserer Internetseite im Sinne des Benutzers optimiert werden. Cookies ermöglichen uns, wie bereits erwähnt, die Benutzer unserer Internetseite wiederzuerkennen. Zweck dieser Wiedererkennung ist es, den Nutzern die Verwendung unserer Internetseite zu erleichtern. Der Benutzer einer Internetseite, die Cookies verwendet, muss beispielsweise nicht bei jedem Besuch der Internetseite erneut seine Zugangsdaten eingeben, weil dies von der Internetseite und dem auf dem Computersystem des Benutzers abgelegten Cookie übernommen wird.

Die betroffene Person kann die Setzung von Cookies durch unsere Internetseite jederzeit mittels einer entsprechenden Einstellung des genutzten Internetbrowsers verhindern und damit der Setzung von Cookies dauerhaft widersprechen. Ferner können bereits gesetzte Cookies jederzeit über einen Internetbrowser oder andere Softwareprogramme gelöscht werden. Dies ist in allen gängigen Internetbrowsern möglich. Deaktiviert die betroffene Person die Setzung von Cookies in dem genutzten Internetbrowser, sind unter Umständen nicht alle Funktionen unserer Internetseite vollumfänglich nutzbar.

Weitere Informationen erhalten Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Unbedingt notwendige Cookies

Dieses Cookie wird benötigt, um Ihre Cookie-Einstellungen zu merken und weitere Hauptfunktionen zur Verfügung zu stellen

Um Ihnen eine Auskunft über Ihre gespeicherten personenbezogenen Daten hier (https://medtech-ingenieur.de/gespeicherte-daten-2/) geben zu können, benötigen wir einen Cookie, um Sie bei der Datenabfrage identifizieren zu können. Dieser Cookie muss aus Sicherheitsgründen deshalb aktiviert sein. Ein weiterer Cookie wird gesetzt, um diesen Banner nicht erneut anzeigen zu müssen.

Cookie-Name Beschreibung
PHPSESSID Name: PHP session
Anbieter:
Eigentümer der Webseite (MEDtech Ingenieur)
Zweck:
Wir benötigt, um Sie bei der Anfrage von personenbezogenen Daten identifizieren zu können. Das Cookie wird nur gesetzt, wenn Sie eine Anfrage hier (https://medtech-ingenieur.de/gespeicherte-daten-2/) stellen.
Laufzeit: Sitzungsende
Kategorie: Unbedingt notwendige Cookies
moove_gdpr_popup Name: Cookie-Box Einstellungen
Anbieter:
Eigentümer der Webseite (MEDtech Ingenieur)
Zweck:
Wird benötigt, um Ihre Cookie-Einstellungen zu speichern, um den Cookie-Banner nicht erneut anzeigen zu müssen.
Laufzeit: 1 Jahr
Kategorie: Unbedingt notwendige Cookies
comment_author_9c90e388e3e1be4a6c594fa6ac8a3eec
comment_author_email_9c90e388e3e1be4a6c594fa6ac8a3eec
comment_author_url_9c90e388e3e1be4a6c594fa6ac8a3eec
Name: Kommentar Einstellungen
Anbieter:
Eigentümer der Webseite (MEDtech Ingenieur)
Zweck:
Cookie wird angelegt, wenn Sie ein Kommentar auf MEDtech Ingenieur veröffentlichen wollen, um Sie als Autor identifizieren und den aktuellen Status Ihres Kommentars anzeigen zu können. Das Cookie enthält den angegebenen Namen. Das Cookie wird erst gesetzt, wenn Sie der Speicherung Ihrer personenbezogenen Daten zustimmen.
Laufzeit: 1 Jahr
Kategorie: Unbedingt notwendige Cookies
rmp-rate Name: RMP Rate
Anbieter: Eigentümer der Webseite (MEDtech Ingenieur)
Zweck: Cookie wird angelegt, wenn Sie eine Bewertung eines Blogbeitrags mithilfe des Sternebewertungssystems abgeben. Ihnen wird eine anonymisierte ID zugewiesen, um zu erkennen, ob Sie einen Artikel bereits bewertet haben oder nicht. Das Cookie wird nur verwendet, um zu verhindern, dass mehrfache Bewertung abgegeben werden und erst gesetzt, wenn Sie auf einen Stern klicken.
Laufzeit: 1 Jahr
Kategorie: Unbedingt notwendige Cookies
medtech-download-page Name: Download Page
Anbieter: Eigentümer der Webseite (MEDtech Ingenieur)
Zweck: Cookie wird angelegt, wenn Sie den Landing-Page Prozess erfolgreich durchlaufen haben. Dies geschieht nur, wenn Sie einen Content-Download von unserer Website anstreben.
Laufzeit: 1/2 Jahr
Kategorie: Unbedingt notwendige Cookies