Lab401 hat vor kurzem sein DigiLab-Gerät veröffentlicht - ein "Zauberstab" zum Basteln von Elektronik für den Flipper Zero.

Genau wie bei dem Lab401 LightMessenger-Zubehör lüften wir den Vorhang für das "Making-of" - wir tauchen tief in jeden Schritt ein, von der Konzeption bis zum Vertrieb.

Dies ist Teil 3 unserer Serie "Produktherstellung mit Lab401".

• In Teil 1 haben wir unseren Ansatz und unsere Methodik für die Entwicklung, Herstellung und Markteinführung von Produkten erläutert.
• In Teil 2 haben wir den Weg der Herstellung des LightMessenger beschrieben.

Wenn Sie sich für die Herstellung von Elektronik interessieren oder wissen wollen, was hinter der Markteinführung eines Produkts steckt, sollten Sie sich diese Artikel ansehen!

Ein großes Lob an @tixlegeek, den Ingenieur hinter diesem Projekt.

Was ist das DigiLab?

Das DigiLab ist ein Gerät, das an den Flipper Zero angeschlossen wird. Es ist ein elektronisches Multitool, mit dem Benutzer elektrische Signale mit geringer Leistung analysieren und untersuchen können: Es kann verschiedene Aspekte von Signalen erkennen und sie in kinetisches Feedback in "Echtzeit" übersetzen: Audio, Licht, Vibration usw.

Außerdem ermöglicht es die einfache und intuitive Erkennung, Identifizierung und direkte Manipulation von I²C- und SPI-Geräten.

Im Kern handelt es sich um eine "magische Sonde", die das Signal verarbeitet und aufspaltet, gepaart mit einer High-Level-Anwendung, die alles anzeigt.

Es ist nicht dazu gedacht, spezielle Präzisionswerkzeuge zu ersetzen: Es soll eine digitale Nase für Elektronik sein - das erste Werkzeug, an das man sich wendet, wenn man sich mit Elektronik beschäftigt.

Kennen Sie das, dass einige "einfache" Aufgaben in Wirklichkeit ärgerlich schwierig sind? Zum Beispiel: Ist das CAN_HI oder CAN_LO? Gibt es ein Signal auf dieser Leitung? Ist das 9600 Baud oder 38400 Baud? oder Warum kann ich nicht einfach die Register eines Temperaturmoduls auslesen, ohne einen verdammten Arduino zu programmieren und mit der "verbesserten" Arduino IDE zu kämpfen?

Das DigiLab löst all diese Probleme, und zwar auf eine wirklich saubere, einzigartige und intuitive Weise.

Schritt 0: Was werden wir bauen?

Zunächst begannen wir mit einer Brainstorming-Sitzung. Mit dem LightMessenger hatten wir die Hardware-, Software- und API-Architektur des Flippers kennengelernt, und wir waren bereit, ein Gerät zu entwickeln, das die Hardware des Flippers weiter verbessert.

Einer der Hauptgründe, warum der Flipper Zero so beliebt geworden ist, ist seine Vielseitigkeit. Er wurde nicht entwickelt, um für jede einzelne Aufgabe der Beste zu sein: Für fast jede Funktion gibt es andere, bessere Geräte: RFID, RF, SDR, usw.). Es wurde entwickelt, um vielseitig zu sein: ein bisschen von allem zu können.

Wir wollten mit dem DigiLab der gleichen Designlogik folgen - und ein vielseitiges Werkzeug für Elektronikbastler bauen. Die Idee war einfach: ein Zauberstab für digitale Elektronik. Wir wollten die Stärken des Flippers nutzen und eine eigene Schaltung entwickeln, die den Flipper zu dem Werkzeug macht, zu dem man zuerst greift, wenn man mit Elektronik experimentieren will.

In den Worten von tixlegeek:"Als Elektronik-Tüftler habe ich versucht, mir das Werkzeug vorzustellen, das ich gerne in der Praxis hätte - etwas, das schnelle Einblicke gibt, ohne dass man ein Oszilloskop oder einen sperrigen Aufbau braucht. Daraus entstand das Konzept des "Zauberstabs".

Wir wollten keine teuren Geräte ersetzen, sondern ein vielseitiges Werkzeug entwickeln, mit dem man die meisten Aufgaben erledigen kann, ohne das Oszilloskop, den BusPirate usw. herauszuholen.

Entwurf

Wie bei früheren Produkten mussten wir mehrere Faktoren berücksichtigen, die das Design einschränken. Beim LightMessenger mussten wir uns an physische, finanzielle und logistische Beschränkungen halten, die unsere technischen Entscheidungen beeinflussen würden. Beim DigiLab kamen noch weitere technische Einschränkungen hinzu - was wir vorhatten, würde die Hardware des Flippers an ihre Grenzen bringen.

Alles in allem:

• Technische Herausforderungen Die Elektronik würde komplizierter sein. Wir wollten in der Lage sein, Frequenzen in "Echtzeit" zu sehen und zu verarbeiten und auch "Echtzeit"-Heterodyning (Umwandlung einer Frequenz in eine andere - damit die Benutzer die Frequenzen in ihren Schaltungen hören und auf dem Bildschirm sehen können) durchzuführen. Er musste Spannungen von bis zu 12 V sicher unterstützen (ohne die GPIO-Ports des Flippers zu gefährden) und außerdem eine ziemlich komplexe Schnittstelle haben.

• Mechanische Robustheit
  Das Add-on wird von echten Menschen benutzt, die große Hände haben und manchmal nicht gerade sanft damit umgehen. Daher mussten wir ein robustes Modul entwickeln, insbesondere unter Berücksichtigung der GPIO-Beschränkungen des externen Ports des Flipper Zero.

• Entwicklung
  Der Code muss klar und zugänglich bleiben, damit jeder ihn verstehen und mitarbeiten kann.

• Produktion
  Jedes Element muss mit leicht verfügbaren Komponenten hergestellt werden können.

• Kosten
  Der Ansatz war, einfach und effizient zu bleiben. Wir priorisieren das Notwendige, um sicherzustellen, dass das Endprodukt zu einem vernünftigen Preis erhältlich ist.

• Ästhetik
  Die Ästhetik wird oft leicht übersehen, aber sie trägt wesentlich zum Benutzererlebnis bei. Wir wollten die gleiche lustige und eigenwillige Designästhetik wie bei früheren Projekten beibehalten und gleichzeitig sicherstellen, dass sie ergonomisch ist.

Prototypen und Regie

Von tixlegeek:

Zunächst habe ich Skizzen angefertigt und mit Pappmodellen gebastelt, um ein besseres Gefühl für das Tool zu bekommen:

Parallel dazu habe ich einen Leiterplatten-Prototyp bestellt. Das Ziel war es, die Elektronik und die Komponenten zu testen und zu sehen, wie alles zusammenpasst.

Zunächst hatte ich überlegt, einen ESP32 zu verwenden, um die Signale zu verarbeiten und webbasiertes Feedback zu geben. Aber nachdem wir das mit dem Team besprochen hatten, wurde uns klar, dass das nicht der eigentliche Sinn des Projekts war - also wurde die Idee fallen gelassen.

Wenn das Gerät eigenständig wäre, könnte es sich selbst zerstören. Im Endprodukt wird alles direkt vom Flipper Zero erledigt.

Anschlüsse, Messfühler und Probleme.

Ich habe mit einer Vielzahl von Geräten gearbeitet, von denen jedes sein eigenes Zubehör mitbringt - einige mehr als andere. Wenn es darum geht, Messfühler an eine Leiterplatte anzuschließen, gibt es definitiv gute und schlechte Methoden, aber in der Praxis wird es oft zu einem Albtraum aus Steckern, Buchsen und nicht passenden Anschlüssen.

Wir wollten einen Mittelweg zwischen Preis, Praktikabilität und Robustheit finden. Außerdem wollten wir dem Benutzer nicht vorschreiben, wie er das Werkzeug zu benutzen hat - wir wollten die Dinge so offen wie möglich halten.

Wir haben eine lange Reise hinter uns, um herauszufinden, wie wir das DigiLab am besten praktisch gestalten und gleichzeitig die Kosten niedrig halten können. An einem Punkt versuchten wir es sogar mit Bananensteckern, aber sie erwiesen sich als viel zu sperrig.

In der Diskussion mit dem Team waren wir uns einig, dass SMA der richtige Weg ist - es ist klein, weit verbreitet und erfüllt alle mechanischen Anforderungen. Wir haben viel Zeit damit verbracht, die Rohstoffmärkte auf der Suche nach einem bestehenden Produkt zu durchforsten, aber wir haben nichts gefunden.

$34 dafür ... wenn Sie ein Kabelhersteller sind ... hier öffnet sich ein Markt!

Wenn wir SMA als einschränkendes Element verwenden würden: das nächstgelegene Produkt, das wir gefunden haben, kostet ~$34 pro Kabel - weit außerhalb unserer Preisspanne. Wenn wir bei den Steckern flexibel waren, gab es Tausende von Multimeter-Kabeln - aber alle mit sperrigen Bananensteckern. Wir haben tatsächlich einen Prototyp mit Bananensteckern getestet. Bei unseren Tests stellte sich heraus, dass diese nicht nur hässlich waren, sondern auch einen riesigen mechanischen Hebel auf eine empfindliche Leiterplatte ausübten. Auf lange Sicht würde dies die Leiterplatte zerstören.

Letztendlich haben wir uns für eine Sonderanfertigung entschieden: Die Vorteile waren, dass wir die Sonden genau so gestalten konnten, wie wir sie haben wollten (kompakt, hübsch, nützlich), und dass wir den SMA-Anschluss verwenden konnten. Das bedeutete natürlich, dass wir Werkzeuge für die Sonden bauen und eigene Kabel anfertigen mussten - aber wir sind mit dem Ergebnis zufrieden und froh, dass wir in diesem Punkt nicht nachgegeben haben.

Das einzige Teil, das zwischen dem Prototyp und dem Endprodukt unverändert blieb, war die Sondenspitze. Sie ermöglicht es den Benutzern, (buchstäblich) in einem Schaltkreis herumzustochern, wie mit einem Stift, wenn sie wollen. Gleichzeitig ist sie abnehmbar, so dass man einen Draht als Halterung einsetzen kann, was dem Benutzer die Freiheit gibt, genau zu entscheiden, was er braucht - oder sie ganz zu entfernen. Wenn der Benutzer die Sonden anschließt, kann er das Gerät im 'Desktop'- oder 'Labormodus' verwenden.

Wir glauben, dass wir eine Lösung gefunden haben, die in ihrer Einfachheit elegant ist.

Ästhetisches Design

Von tixlegeek:

Als ich mit der Arbeit an der Grafik für dieses Produkt begann, wusste ich bereits, welche Geschichte ich erzählen wollte. Der LightMessenger hatte den Ton angegeben, und das DigiLab musste diesem Weg folgen. Ich hatte eine klare Vision: ein Kind mit einem Sieb auf dem Kopf, das mit einem behelfsmäßigen Signalblaster Außerirdische abwehrt. Man denke an Commander Keen und Herz der Finsternis in der düsteren Welt einer Informationsdystopie.

Ich skizzierte eine Reihe von Konzepten und setzte sie in Illustrationen um, von denen einige auf dem Karton des DigiLab landeten.

Produktionsreife Prototypen

Nach Wochen (und vielen Iterationen) hatten wir endlich eine funktionierende Hardware, einen soliden Formfaktor und ein Produkt, auf das wir stolz waren. Das war aufregend, aber eigentlich nur ein Drittel der Geschichte. Die Hardware allein bedeutet nichts ohne die Software, und darüber hinaus mussten wir auch noch Produktionstests entwickeln.

Wir führten ein schnelles PCB-Prototyping mit JLCPCB durch.

Der Code

Der Code war anfangs ein Albtraum - ich suchte nach den schnellsten und zuverlässigsten Möglichkeiten, Signale abzutasten und anzuzeigen. Das Digilab teilt die abgetasteten Signale in zwei Teile auf: eine niederfrequente analoge Darstellung und eine saubere Darstellung von Schwingungen um 0 V. Die Idee war, Frequenzen und Spannungen zu messen und die Software einige nützliche Metriken berechnen zu lassen.

Am Ende habe ich dafür eine eigene Software geschrieben, die Ringpuffer, statistische Analysen und ein bisschen "Magie" verwendet, damit alles klappt. Angesichts der Hardware-Beschränkungen des Flipper Zero bin ich mit dem Ergebnis sehr zufrieden. Daraus sind mehrere Tools entstanden, jedes mit klaren, praktischen Szenen, so dass der Benutzer kaum darüber nachdenken muss, was im Hintergrund passiert.

Für I²C und SPI gibt es ein datenbankgestütztes Komponentenerkennungssystem, das mehrere Techniken verwendet, um zu erraten, welche Art von Gerät gerade getestet wird. Insbesondere die I²C-App enthält einen netten kleinen Hex-Editor, auf den ich besonders stolz bin - ich glaube, er wird wirklich nützlich sein.

Und schließlich machen die Scope- und Probe-Tools das Beste aus der Hardware und geben dem Benutzer flexible Optionen, um das kinetische Feedback so einzustellen, wie er es möchte.

Testen

Wie beim LightMessenger wollten wir eine 100%ig automatisierte Leiterplattenprüfung. Das bedeutet, dass jede Leiterplatte eine Reihe von Tests durchläuft, die sie bestehen muss. Dies erfordert die Entwicklung und den Bau von Test-Hardware (einer so genannten "Vorrichtung") sowie die Entwicklung der Test-Software.

Natürlich bedeutet dies "mehr Arbeit", und es kann verlockend sein, sich für eine rein visuelle Prüfung zu entscheiden, um Zeit zu sparen oder die Kosten zu senken. Einige PCBA-Fabriken drängen sogar auf eine visuelle Prüfung.

Der Grund dafür, dass eine 100%ige Prüfung wichtig ist, liegt jedoch in der Haftungsverlagerung. Nehmen wir an, Sie entscheiden sich für die Sichtprüfung. Die PCBAs werden fertiggestellt und dann in ein Endprodukt integriert, verpackt und an Ihr Lager versandt. Vielleicht senden Sie Einheiten an Ihre Vertriebshändler, und schließlich bringen Sie das Produkt auf den Markt.

Sie sind am Ende des Produktionszyklus angelangt, und Sie sind erleichtert. Plötzlich erhalten Sie Rückmeldungen von Kunden. Das Gerät versagt in einer bestimmten Situation. Sie holen ein Produkt aus dem Lager und stellen fest, dass ein Bauteil während des Produktionslaufs verkehrt herum gelötet wurde.

Sie rufen in der Fabrik an und beschweren sich. Man teilt Ihnen mit, dass die Sichtprüfung bestanden wurde, und Sie nehmen die Produkte an. Die Verantwortung für die Lösung des Problems hat sich nun vom Werk auf Sie und sogar auf Ihre Kunden verlagert. Die Lösung dieses Problems ist unglaublich teuer, was Zeit, Geld und den Ruf des Kunden angeht.

Wären die Leiterplatten elektronisch getestet worden, wäre der Fehler entdeckt worden, und die Verantwortung für die Lösung des Problems wäre auf den PCBA-Hersteller übergegangen.

Wenn Sie produzieren, sollten Sie Zeit in angemessene Tests investieren.

Für das DigiLab haben wir eine auf dem CH32V003 basierende Prüfvorrichtung gebaut, die alle Funktionen überprüft und dem Hersteller ein einfaches, leicht verständliches Feedback gibt. Es bedurfte einiger Optimierungen und eines klaren Schritt-für-Schritt-Verfahrens, um sicherzustellen, dass es sich reibungslos in den Fertigungsprozess einfügt.

Hier sind ein paar Bilder der Testvorrichtung:

Ich lötete Testpunkte, um Pogo-Pins zu emulieren, und korrigierte mehrere Fehler, die ich bei der ersten Iteration gemacht hatte.

Dann hat unser hauseigener Hersteller die Vorrichtung auf dem Prüfstand mit speziell angefertigter Hardware integriert:

Verpackung

Wir ziehen es vor, eine einfache Verpackung zu verwenden:

• Ungebleichter, unbeschichteter Karton, um den Fußabdruck schädlicher Chemikalien zu minimieren
• Druckfarben auf Sojabasis, um die Umweltbelastung zu minimieren
• Einfache Schaumstoffeinlagen (kein Zuschnitt, etc.), um die Kosten zu minimieren

Wir sind der Meinung, dass dies ein Gleichgewicht zwischen unserem ethischen Engagement und einem angenehmen Unboxing-Erlebnis für den Kunden darstellt. Außerdem sind wir ehrlich zu unseren Kunden - sie zahlen nicht für etwas, das sie wegwerfen werden.

Wir hatten beim LightMessenger gelernt, dass ein paar zusätzliche Zentimeter in der Verpackung am Ende zu zusätzlichen Paletten in der Lieferung führen, und wir wollten dieses Problem beim DigiLab vermeiden.

Deshalb haben wir uns für eine viel schlankere Verpackung entschieden. Wir haben mit verschiedenen Konfigurationen von ungeschnittenem Schaumstoff experimentiert, aber wir konnten keinen zufriedenstellenden Weg finden, um das Gerät, die Sonden und den Messpunkt zu präsentieren. Ohne Ausschnitte schwebten die Dinge in der Schachtel herum. Bei mehreren Lagen ungeschnittenem Schaumstoff könnten die Benutzer die Schachtel öffnen und denken, dass Teile fehlen. Schließlich verwendeten wir zwei Schichten mit einem "intelligenten" Schnitt, so dass man beim Öffnen der Schachtel die Sonden darunter sehen konnte.

Unser Karton.

Fazit

Das DigiLab ist etwas schwierig zu beschreiben: Es bietet eine einzigartige Möglichkeit, Schaltkreise zu "erfühlen", indem es Licht, Ton und Vibrationen nutzt. Wenn man das Gerät in den Händen hält oder es in Aktion sieht, macht plötzlich alles "klick".

Aufgaben, die zuvor schwierig oder etwas umständlich zu testen waren (insbesondere Dinge wie: Ist das CAN_HI oder CAN_LO? Liegt ein Signal auf dieser Leitung? Ist das 9600 Baud oder 38400 Baud?) - sind einfach "magisch" möglich.

Ironischerweise waren wir überrascht, wie nützlich das Gerät ist. Während unserer Tests entdeckten wir mehr und mehr Anwendungsfälle für das Tool und mussten feststellen, dass wir es bei alltäglichen Aufgaben immer wieder einsetzen.

Einer der Überraschungsfavoriten ist der I2C-Explorer. In der Theorie ist die I2C-Manipulation "einfach" oder ein "gelöstes Problem" - man schließt das Modul an eine mit I2C ausgestattete Plattform an und interagiert mit dem Modul. In der Realität bedeutet dies, dass man Code auf einem Arduino schreiben oder mit Treibern auf dem Raspberry PI kämpfen muss. Das ist nicht intuitiv. Mit dem DigiLab wird das Gerät sofort erkannt und identifiziert, und Sie können direkt in den Registern eines Moduls stochern. Wenn man sieht, wie einfach das sein kann, erscheinen einem plötzlich alle anderen Möglichkeiten unglaublich klobig.

Deshalb sind wir wirklich stolz auf das DigiLab. Wir haben ein hochwertiges, quelloffenes Zubehör für den Flipper Zero entwickelt, das gängige Probleme auf einzigartige Weise löst und hoffentlich von Elektronikfreaks überall täglich genutzt wird.

Wenn Sie daran interessiert sind, das Endprodukt, das DigiLab, auszuprobieren, würden wir uns sehr freuen.

Das Gerät ist vollständig quelloffen; bitte schauen Sie sich den Code auf GitHub an.

Herzlichen Dank an

Lab401 und tixlegeek.