Sonova verkürzt Produktentwicklungszeit

Abstract

Die Herausforderung: Verkürzung der Entwicklungszeit für neue Hörgeräte und Cochlea-Implantate

Die Lösung: Modellbasierte Entwicklungsverfahren mit MATLAB und Simulink zum Aufbau einer wiederverwendbaren Bibliothek aus Komponenten zur digitalen Signalverarbeitung; Verwendung von xPC Target zur raschen Erstellung und Prüfung von Prototypen in Echtzeit

Die Ergebnisse: Aktualisierung von Echtzeitprototypen in wenigen Minuten statt wie bisher zuvor in Tagen | Wiederverwendung von 80% der Softwarebibliotheken in der Plattform | Verbesserung der Softwarequalität

Die Branche für Hörgeräte und Cochlea-Implantate ist von einem enorm hohen Innovationstempo geprägt. Sonova hat im Hörgeräte-Segment konstant rund 70% des Umsatzes mit Produkten erzielt, die seit weniger als zwei Jahren auf dem Markt sind. Modellbasierte Software-Entwicklungsverfahren mit MATLAB® und Simulink® helfen Sonova dabei, den eigenen Wettbewerbsvorsprung zu bewahren. Die Ingenieure von Sonova werden so in die Lage versetzt, neue Plattformen, Funktionen und Produkte noch schneller zu entwickeln.

„Mit modellbasiertem Design können wir in kurzer Zeit neue Algorithmen entwickeln, auf Echtzeitgeräten testen und über unsere Plattformen in einer Reihe von Marken und Produkten einsetzen“, erläutert Raoul Glatt, der bei Sonova für die Software zur digitalen Signalverarbeitung verantwortlich ist. „MATLAB und Simulink werden bei Sonova von Audiologen sowie den Signalverarbeitungs- und Akustikspezialisten als übergreifende Sprache genutzt, um gemeinsam an neuen Funktionen und Produktideen zu arbeiten.“

Die Herausforderung

Um eine neue Funktion der Signalverarbeitung in einem Hörgerät umfassend bewerten zu können, muss die Ausgabe des Systems in der Regel hörbar gemacht werden; es reicht nicht aus, den Verlauf des Ausgangs mithilfe eines Oszilloskops zu beobachten oder numerisch zu analysieren.

Sonova benötigt deshalb eine Methode, um Designideen rasch in Prototypen umzusetzen, welche Signale in Echtzeit verarbeiten und direkt an Hörgeräteschalen mit Mikrofonen und Lautsprechern angeschlossen werden können. Mit einem solchen Echtzeitsystem können Audiologen, Akustikspezialisten und Ingenieure die tatsächlich wahrgenommene Klangqualität beurteilen, die sich durch Werte wie Lautheit, Schärfe, Rauigkeit, Tonhöhe, Fluktuationsstärke und andere objektive Kennzahlen nur bedingt ausdrücken lässt.

Nachdem mithilfe von Prototypen vielversprechende Algorithmen ermittelt und in C-Code implementiert worden sind, hat Sonova noch eine Methode gefehlt, um die Implementierungen zu verifizieren und zur Wiederverwendung in der Plattform so vorzubereiten, dass sie schliesslich übergreifend in Marken und Produktlinien eingesetzt werden können.

Die Lösung

Sonova nutzt  MATLAB und Simulink als Software für modellbasiertes Design, um die Produktentwicklungszeit für ihre Hörgeräte und Cochlea-Implantate zu verkürzen.

Ingenieure von Sonova erforschen und entwickeln mithilfe von Modellierung in Simulink neue Funktionalitäten und Techniken der Signalverarbeitung. Entwicklungen werden in erster Linie durch Addition, Multiplikation und andere einfache Operationsblöcke modelliert. Einige anspruchsvollere Operationen sind auch mit der DSP System Toolbox™ und eingebetteten MATLAB-Funktionsblöcken abgebildet.

Nach Simulationen zur Vorabklärung, erstellen die Ingenieure mithilfe von Simulink Coder™ einen C-Code aus dem Modell. Dieser Code wird dann kompiliert und auf einen Speedgoat-Echtzeitrechner mit xPC Target™ übertragen.

Um mit dem Prototypen Echtzeittests durchzuführen, werden  die I/O-Schnittstellen des Speedgoat-Systems im Akustik- und Audiologielabor an Mikrofone und Lautsprecher eines stereolithografisch hergestellten Hörgeräts angeschlossen. Neben der subjektiven Auswertung der Audioausgabe bietet dies den Entwicklungsteams die Möglichkeit, Daten zur Nachverarbeitung und Analyse per MATLAB und DSP System Toolbox zu erfassen.

Sobald das Simulink-Modell anhand der Ergebnisse der Echtzeittests verfeinert und ausgereift ist, dient es den Ingenieuren als Referenz, um hochoptimierten C-Code für die DSP-Architektur von Sonova zu erzeugen. Bei dieser Architektur handelt es sich um eine proprietäre Lösung zur Minimierung des Stromverbrauchs.

Zudem hat das Team eine MATLAB-Benutzeroberfläche entwickelt, welche die Workflows zur Modellierung in Simulink und Generierung von C-Code integriert. Diese Schnittstelle nutzen die Ingenieure, um Testvektoren zu erstellen und auszuführen, und die Eingänge in das Modell zu stimulieren und dessen Ausgabe zu erfassen.

Dieselben Tests werden dann in C-Code übertragen, um die C-Implementierung zu verifizieren.

Die getesteten und verifizierten Simulink-Komponentenmodelle und ihr entsprechender C-Code werden in die Bibliothek der DSP-Plattform aufgenommen und stehen dann zur erneuten Verwendung in der Produktentwicklung zur Verfügung.

Bei der Produktentwicklung wiederum werden mehrere DSP-Plattformkomponenten integriert, um ein voll ausgestattetes Hörgerät oder Implantat zu erstellen. Für interne Kunden in anderen technischen Abteilungen erstellen die Ingenieure zudem mit Simulink Report Generator™ eine interaktive Webansicht der jeweiligen Simulink-Modelle.

Im gesamten Unternehmen greifen Ingenieurteams auf diese wiederverwendbaren Komponenten zurück, um vollständige Systeme zur Signalverarbeitung in Hörgeräten zu erstellen. Ebenso wie die einzelnen C-Bibliotheken wird auch der vollständig integrierte C-Code mithilfe der MATLAB-Benutzeroberfläche getestet und verifiziert.

Die Ergebnisse

Aktualisierung von Echtzeitprototypen in wenigen Minuten statt wie zuvor in Tagen. „Wir können in Simulink unsere Designideen darstellen, mit Simulink Coder den Code erzeugen und mit xPC Target innerhalb weniger Minuten Echtzeittests durchführen“, erläutert Raoul Glatt. „Ohne die modellbasierten Entwicklungsverfahren würde jeder einzelne Verbesserungsschritt auf einer Echtzeithardware meist Tage in Anspruch nehmen.“

80% der Softwarebibliotheken werden in der Plattform wiederverwendet. „Etwa 80% der mit Simulink entwickelten Bibliotheken kommen in den von uns gebauten Produkten zum Einsatz“, betont Glatt. „Wir verknüpfen unsere Simulink-Referenzmodelle mit dem C-Code, deshalb entsprechen die Ergebnisse unserer Simulink-Bibliothek denjenigen aus der C-Bibliothek. Die Entwicklungszeit für neue Modelle wird deutlich verkürzt, da wir auf optimierte, getestete und verifizierte Bausteine zurückgreifen.“

Verbesserung der Softwarequalität. „Bei den Entwicklungsteams von Sonova, die modellbasiertes Design nutzen, ist die Quote an Softwarefehlern per neuer Funktionen deutlich zurückgegangen“, erläutert Raoul Glatt. „Ausgereifte Software ist für das Innovationstempo und den Erfolg unseres Unternehmens von entscheidender Bedeutung.“

Weitere Informationen

• Dieser Bericht ist in englischer Sprache auf MathWorks publiziert