În ultimii ani, semnificația termenului “placă de dezvoltare” s-a pierdut în multitudinea de termeni utilizați pentru a descrie plăcile hardware folosite în scopuri de dezvoltare, inclusiv “plăci demonstrative (demo)”, “kituri de evaluare” și “proiecte de referință”.
În acest articol explicăm semnificația termenilor “placă de dezvoltare” (figura 1) și explicăm în ce fel diferă de “rudele” lor apropiate – computerele pe o singură placă (SBC). Prezentăm evoluția lor din trecut până în prezent și analizăm unele tendințe privind modul în care acestea ar putea evolua în viitor.
Figura 1: Inginer care lucrează la o placă de dezvoltare
Ce este o placă de dezvoltare?
Pentru început, este necesară o definiție clară a ceea ce înseamnă o placă de dezvoltare și a diferențelor dintre acestea și un computer pe o singură placă (SBC). O placă de dezvoltare este, de obicei, creată de producătorul unui microcontroler pentru a evidenția caracteristicile acestuia (deși termenul este adesea aplicat acum și altor tipuri de componente). Un microcontroler este un circuit integrat care conține un procesor, o anumită cantitate de memorie RAM, o memorie flash și are funcționalități IO care îi permit să se conecteze cu lumea reală – acesta funcționează efectiv ca un computer în miniatură găzduit într-o capsulă, scopul său fiind acela de a oferi dezvoltatorilor o modalitate convenabilă de a se conecta la acesta și de a controla componente externe precum becuri, mici motoare etc. Un SBC oferă, de asemenea, această funcționalitate, principala diferență fiind că unitatea centrală, memoria RAM și memoria flash sunt fiecare conținute în circuite integrate separate pe placă, iar interfețele permit conectarea la o tastatură și/sau la un afișaj.
Figura 2: Placa de dezvoltare cu microcontroler Arduino
Microprocesorul de pe un SBC necesită un sistem de operare, în timp ce un microcontroler este gestionat cu ajutorul unui mediu de dezvoltare integrat (IDE) furnizat de producător. În multe cazuri, producătorii creează, acum, plăci de dezvoltare care includ un microcontroler, dar al căror scop principal nu este acela de a demonstra caracteristicile microcontrolerului în sine, ci pe cele ale senzorilor sau ale altor circuite integrate cu care acesta se conectează. Este vorba despre “plăci demonstrative”, “kituri de evaluare” sau, dacă au fost asamblate pentru a permite ca întregul set de componente să îndeplinească un scop concret, “proiecte de referință”.
Rolul anumitor plăci nu este în primul rând de a dezvolta hardware, ci de a oferi acces la datele din lumea reală de care dezvoltatorii de software au nevoie pentru a crea și perfecționa algoritmii necesari pentru aplicațiile de inteligență artificială și de învățare automată. Deși este posibil ca acestea să nu se conformeze definiției și scopului inițial al unei “plăci de dezvoltare”, acestea sunt acum înțelese în mod colectiv ca referindu-se la orice parte hardware care poate fi utilizată în dezvoltarea hardware și software a unor noi produse electronice.
Trecut
Prima placă de dezvoltare cu microcontroler care a captat atenția comunității de ingineri a fost lansată în 2006. Această platformă de prototipare, care a devenit ulterior cunoscută sub numele de Arduino (figura 2), a fost rapid adoptată de o nouă categorie de proiectanți electroniști care includea entuziaști, pasionați și ingineri DIY (do-it-yourself). Arduino a pus bazele succesului comercial al SBC-urilor și al platformelor ulterioare bazate pe microcontrolere și a fost urmat la scurt timp, în 2008, de Beagleboard, care a pus la dispoziția inginerilor o platformă de dezvoltare cu costuri reduse, cu sursă deschisă și sprijinită de comunitate. În 2012 a fost lansat Raspberry PI – primul computer pe o singură placă. La fel ca Beagleboard, acesta a fost gândit ca o platformă educațională menită să ofere o modalitate ieftină prin care studenții să învețe cum să scrie coduri de program. Atractivitatea Raspberry PI a depășit cu mult sfera studenților și a fost adoptată rapid atât de pasionații amatori, cât și de inginerii profesioniști.
Prezent
În prezent, există două categorii principale de SBC-uri – cele proprietare și cele cu sursă deschisă. SBC-urile proprietare sunt, de obicei, create pentru a fi utilizate în aplicații finale și au fost supuse aceluiași tip de testare și asigurare a calității ca și produsele finale. Ele sunt fie integrate în echipamente electronice, fie instalate într-o configurație de montare în rack. SBC-urile cu sursă deschisă oferă utilizatorilor acces la proiectarea și configurația hardware și la orice cod sursă pe care îl folosesc. Acest lucru le permite utilizatorilor să învețe rapid și ușor cum funcționează software-ul și hardware-ul și apoi să adopte designul pentru a corespunde cerințelor lor.
Astăzi, plăcile de dezvoltare și SBC-urile vin cu o mare varietate de tipuri de procesoare. Acestea variază de la procesoarele bazate pe x86 din spațiul tradițional al PC-urilor (AMD și Intel) până la procesoarele ARM utilizate în aplicații industriale și mobile. Linux și derivatele sale (Ubuntu, Fedora, Debian etc.), Android și Windows CE, sunt cele mai utilizate sisteme de operare pe SBC-uri. Plăcile de dezvoltare cu microcontroler nu necesită un sistem de operare și sunt programate prin intermediul unui IDE furnizat de producător. Atât plăcile de dezvoltare cu microcontrolere, cât și SBC-urile au evoluat pentru a include conectivitate wireless (Wi-Fi, Bluetooth) și cele mai recente interfețe audio și video, ceea ce înseamnă că unele SBC-uri au acum caracteristici echivalente cu cele întâlnite pe multe PC-uri și tablete.
Viitor: Plăcile de dezvoltare devin produse finale
Inițial, producătorii au creat instrumente de dezvoltare cu intenția de a le utiliza ca ajutor în marketing, care să îmbunătățească șansele de vânzare a microcontrolerelor lor către potențialii clienți (ceea ce, adesea, se numește “Design-in” în cadrul industriei). Producătorii sperau că, prin minimizarea volumului de muncă necesar inginerilor proiectanți pentru a pune în funcțiune o parte a produsului în laborator și prin facilitarea accesului și a cercetării caracteristicilor acestuia, ar fi destul de probabil ca designerii să aleagă microcontrolerul și componentele auxiliare pentru a fi utilizate în prototiparea inițială a produsului și, în cele din urmă, ar conduce la comenzi de volum mai mare în cazul în care dispozitivul ar urma să fie utilizat în producția de masă. În cazul produselor unde nu există o diferență semnificativă între specificațiile tehnice ale componentelor provenite de la furnizori diferiți, aceasta este o abordare prudentă. Pentru producători, însă, acest demers a fost, în anumite privințe, victima propriului succes. Aceștia și-au dat seama că trebuie să continue să reducă volumul de muncă pe care trebuie să îl depună un inginer pentru ca acesta să se “apropie” de produsele lor – placa de dezvoltare devenind elementul cheie de diferențiere. În special pentru produsele care sunt, în mare parte, similare cu cele ale competitorilor.
Figura 3: HSP3.0 de la Maxim Integrated
Așteptările inginerilor proiectanți au crescut în așa fel încât, chiar și în cazul componentelor care au un avantaj competitiv clar identificabil (de exemplu, în ceea ce privește puterea sau viteza), aceștia se așteaptă ca plăcile de dezvoltare asociate să aibă un nivel de accesibilitate plug’n’play.
Producătorii și-au îmbunătățit și mai mult oferta cu ajutorul proiectelor de referință care constau dintr-un microcontroler și alte componente electronice (de obicei, senzori). Inițial, acestea erau destinate să ofere un ghid pentru modul în care dispozitivele ar putea fi interconectate pentru a emula funcționalitatea electrică a unui produs final, fără a se pune prea mult accent pe factorul de formă, dimensiunea proiectului sau simplificarea fabricației. Cu toate acestea, unii producători au dus proiectele de referință la nivelul următor pentru a crea prototipuri de produse cu drepturi depline și chiar produse complet viabile.
Proiectele de referință privind platforma de senzori în domeniul sănătății HSP (Health Sensor Platform) ale companiei Maxim Integrated (care acum face parte din Analog Devices) pot fi folosite ca exemplu pentru a trasa această evoluție. Versiunea inițială a acestor proiecte de referință a fost o placă de dezvoltare de mici dimensiuni care includea un set de senzori (temperatură, presiune, accelerometru, biopotențial etc.) adecvați pentru utilizarea în aplicații de sănătate și fitness și care puteau fi configurați cu ajutorul unui microcontroler. Variantele ulterioare, HSP2.0 și HSP3.0, au avut factori de formă care au permis ca dispozitivele să poată fi purtate la încheietura mâinii și să semene foarte mult cu alte dispozitive purtabile disponibile pe piață (figura 3).
Acest lucru a permis dezvoltatorilor să evalueze funcționalitatea senzorilor lor în scenarii din lumea reală. De asemenea, este important de remarcat că aceste proiecte au oferit dezvoltatorilor de software acces liber la citirea senzorilor (informații care nu sunt ușor accesibile de la alte dispozitive purtabile pentru sănătate și fitness). Scopul acestei abordări a fost acela de a permite dezvoltarea de algoritmi de învățare automată și de inteligență artificială care să adauge valoare aplicației.
Demonstrând modul în care hardware-ul lor facilitează accesul ușor la date, Maxim a sperat că dezvoltatorii de produse vor alege unele dintre circuitele integrate (sau chiar toate) din soluția lor de senzori pentru a fi utilizate în produsele lor. Maxim a extins această abordare până la dezvoltarea produselor MAX HEALTH BAND (încheietura mâinii) și MAX ECG MONITOR (curea toracică), ambele proiectate și construite în totalitate pentru a fi dispozitive purtabile pentru aplicații de sănătate și fitness complet viabile. Deși nu erau destinate vânzării directe către consumatori, companiile puteau încheia un acord cu Maxim pentru ca aceste produse să fie comercializate sub marcă proprie în schimbul unei plăți de redevențe.
A oferi un produs complet funcțional în această manieră, în condițiile în care toată munca de dezvoltare a fost deja făcută, are potențialul de a atrage o bază nouă și mai largă de clienți non-tehnici din mediul de afaceri. Thingy:91 de la Nordic Semiconductor este un alt exemplu de platformă de dezvoltare în care hardware-ul joacă un rol aproape secundar în ceea ce privește misiunea de a oferi dezvoltatorilor acces la date; aceștia trebuie să dezvolte software-ul și algoritmii care să permită realizarea valorii intrinseci a hardware-ului (și, în acest fel, să devină alegerea potrivită pentru a fi utilizată în noile proiecte de produse care utilizează acești algoritmi). Probabil că o asemenea abordare va fi adoptată de un număr și mai mare de producători în viitor.
Creșterea gradului de utilizare a plăcilor de dezvoltare în produsele industriale
Figura 4: Controler logic programabil
Adaptarea plăcilor de dezvoltare și a SBC-urilor pentru a fi utilizate în produse comerciale a devenit din ce în ce mai frecventă, dar o altă tendință emergentă este utilizarea lor în aplicații cu volume mai mici, dar cu valoare mai mare − produse finale industriale, cum ar fi controlerele logice programabile, care sunt supuse unor standarde mai exigente decât echivalentele lor comerciale.
Plăci de testare pentru aplicații industriale
Multe dintre SBC-urile de astăzi au devenit în mod inerent proiecte complet verificate, deoarece componentele pe care le conțin au fost inițial dezvoltate pentru a fi utilizate în produse finale și, prin urmare, au fost testate și au calitatea asigurată. Acest lucru se datorează, de asemenea, faptului că proiectele cu sursă deschisă sunt revizuite în mod constant de o armată de proiectanți și programatori competenți care actualizează și evaluează plăcile și software-ul pe care îl utilizează.
Testarea plăcilor SBC se realizează în prezent prin intermediul unor firme de proiectare și producție de înaltă calitate, iar acestea sunt supuse aceluiași grad riguros de control al calității ca orice alt produs final, permițându-le, astfel, să obțină chiar și certificări CE sau FCC. Acest flux de testare poate fi extins cu ușurință pentru a satisface cerințele produselor industriale.
Pe de altă parte, plăcile de dezvoltare cu microcontroler furnizate de producători sau de terți, deși sunt, de obicei, adecvate pentru utilizarea în produse comerciale, nu sunt supuse acelorași niveluri riguroase de testare necesare produselor industriale. Acest lucru înseamnă că producătorii nu le recomandă, în prezent, pentru utilizare imediată (în forma lor actuală) în asemenea aplicații.
În timp ce unele plăci includ componente de calitate industrială, acestea sunt, de multe ori, doar de calitate comercială, fiind proiectate pentru a opera numai la temperatura camerei. Prototipurile plăcilor de dezvoltare sunt supuse, tipic, unor teste la temperatura camerei timp de câteva zile sau săptămâni, dar acest lucru variază în funcție de producător, deoarece nu există standarde stabilite. Principala cerință de calitate pentru producători este ca plăcile lor să funcționeze în mod fiabil la temperatura camerei și, prin urmare, cumpărătorii ar trebui să fie conștienți că este puțin probabil ca acestea să fi fost testate la temperaturi extreme sau în condiții critice de umiditate. De asemenea, acestea nu sunt testate nici pentru a rezista la solicitări asociate cu vibrații sau șocuri intense.
Prin urmare, principalul obiectiv atunci când se stabilește ce placă de dezvoltare să se utilizeze într-o aplicație industrială este reducerea riscurilor. Atunci când selectați o placă pentru utilizarea într-o aplicație industrială, componentele plăcii trebuie să corespundă unui nivel adecvat de temperatură. De asemenea, are sens să se testeze simultan mai multe plăci la temperaturi ridicate pentru o perioadă de câteva zile. Similar, dacă se planifică să se utilizeze o placă de dezvoltare într-un produs care se va confrunta cu o umiditate ridicată, acestea trebuie evaluate în condiții comparabile. În cazul în care o placă este destinată utilizării într-o aplicație cu vibrații ridicate, aceasta trebuie montată într-un stand de testare pentru a fi supusă unui test de vibrații.
Concluzie
SBC-urile și plăcile de dezvoltare cu microcontrolere oferă companiilor mici o modalitate facilă de a lansa rapid pe piață proiectele lor fără a suporta cheltuielile de dezvoltare pentru un hardware nou. Acestea le permit să se concentreze pe inovația software și, din ce în ce mai mult, pe dezvoltarea algoritmilor de învățare automată și de inteligență artificială. SBC-urile și plăcile de dezvoltare și-au lărgit atribuțiile cu mult dincolo de ceea ce fusese prevăzut inițial pentru ele și au avut un impact real asupra istoriei recente a industriei electronice. Acestea continuă să devină tot mai puternice, mai inteligente și mai receptive, rămânând în același timp ușor accesibile atât inginerilor profesioniști, cât și pasionaților de electronică.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter