Utilizarea eficientă a soluţiilor COTS (commercial off the shelf) şi kit-urilor de dezvoltare ale producătorilor reduce curba de învăţare pentru implementarea noilor tehnologii şi permite ca produsele embedded să ajungă pe piaţă mai repede, explică Martin Hill de la Microchip Technology.
Cea mai recentă generaţie de microcontrolere (MCU) oferă proiectanţilor o înaltă integrare şi o plajă largă de periferice şi funcţii ce solicită o gamă largă de abilităţi de proiectare pentru o implementare de succes. Vestea bună este că producătorii de MCU, precum Microchip Technology, investesc în resurse care să permită inginerilor să câştige rapid abilităţile de proiectare embedded necesare, sau să reducă semnificativ curba de învăţare pentru implementarea noilor tehnologii.
Microcontrolerele fac să fie nedefinite graniţele odinioară separate între ingineria software şi cea hardware: tradiţional, inginerii de software proiectau software-ul de aplicaţie pentru microprocesoare, în vreme ce inginerii hardware creau sisteme bazate pe microprocesoare prin combinarea dintre un MCU şi componente externe. Lansarea primului MCU de înaltă integrare a schimbat acest lucru. Acest tip de MCU a înlocuit efortul semnificativ cerut de dezvoltarea unui proiect cu un MCU, memorie externă, periferice, interfeţe şi circuite discrete, cu necesitatea ca inginerii hardware să scrie firmware pentru aplicaţii tip driver.
Microcontrolere şi altele
Acest lucru înseamnă că inginerii embedded trebuie să câştige experienţă în limbaj C şi Assembly dar şi să-şi îmbunătăţească abilităţile existente în ceea ce priveşte proiectarea circuitelor hardware, interfaţarea microcontrolerelor, layout PCB, proiectare pentru producţie şi cunoştinţe detaliate de EMC/EMI şi alte standarde şi aprobări de produs.
Este puţin surprinzător că, totuşi, inginerii embedded caută să câştige în competitivitate şi să aducă produsele noi pe piaţă cât mai repede.
Acesta este motivul pentru care disponibilitatea bibliotecilor software, uneltelor de dezvoltare avansate şi de subsisteme au devenit o parte esenţială a procesului de selecţie pentru MCU.
Acest articol analizează un număr de scenarii şi sugerează strategii bazate pe aplicaţii pentru alegerea microcontrolerului corect şi utilizarea uneltelor şi resurselor producătorului pentru simplificarea implementării şi reducerea timpului până la lansarea pe piaţă.
Estomparea limitelor performanţelor MCU
Microcontrolerele oferă un spectru extrem de larg de putere de calcul şi integrare de periferice, iar plaja de alegere este în continuare lărgită cu miezuri de înaltă performanţă, precum MCU PIC32MX1 şi MX2, fiind oferite în capsule cu număr redus de pini. Dezvoltări ca acestea înseamnă că MCU de înaltă performanţă pătrund în aplicaţii care odinioară erau domeniul unor miezuri consacrate.
Nivele mai înalte de integrare oferă proiectanţilor un echilibru complex: îmbunătăţirea performanţelor precum miezuri mai rapide sau îmbunătăţite pot oferi valori ridicate MIP, dar funcţionalitatea analogică de nivel foarte înalt poate reduce performanţele de timp real.
Desigur că o parte importantă a procesului de selecţie o reprezintă potrivirea dispozitivului, forma şi funcţia. Există şi alţi factori şi decizii care pot avea un impact semnificativ, precum strategie de proiectare, timp până la lansarea pe piaţă, suport din partea distribuitorilor şi cost. Întrebările ce trebuie puse sunt: “Pot soluţiile COTS să ajute la scurtarea timpului până la lansarea pe piaţă?”, şi “Ce strategie de proiectare va oferi cel mai rapid ciclu de proiectare?”.
Bazele proiectelor embedded
Tipic, sistemele embedded necesită o interfaţă cu utilizatorul, display şi câteva forme de conectivitate; aceste elemente de bază nu s-au schimbat peste ani. Complexitatea lor a crescut, în vreme ce costul s-a redus. Acest lucru înseamnă că acum, pentru ca un produs să fie competitiv, trebuie să dispună de un LCD grafic color, interfaţă tactilă şi conectivitate wireless. Există desigur încă motive serioase pentru selectarea unor LCD-uri tradiţionale cu segmente, switch-uri mecanice de interfaţare şi conectivitate cu fire; clienţii şi moda se pot schimba, ceea ce face ca deciziile de design să fie cruciale pentru succesul financiar al produsului electronic proiectat.
Reducerea decalajului de competenţe
Pe o piaţă dinamică, tehnologiile noi şi îmbunătăţite apar odată cu îmbunătăţirea abilităţilor introduse de anteriorul progres tehnologic. Din fericire, soluţiile COTS (commercial off the shelf) pot suporta o dezvoltare rapidă a produsului prin suplinirea lipsurilor de abilităţi. Soluţiile COTS pot lua multe forme. Acestea pot include cod sursă şi unelte de configurare pentru implementarea unui protocol de comunicare, până la un framework dezvoltat software incluzând un RTOS (sistem de operare în timp real), biblioteci suport pentru drivere periferice, analiza de timp a sistemului, optimizate pentru o aplicaţie specifică, precum aplicaţii auto. Devine din ce în ce mai nepractic să se dezvolte un nou proiect prin scrierea întregului program necesar şi să se înceapă dezvoltarea hardware de la zero. Unele industrii precum cea auto, descurajează activ aceste strategii de proiectare prin specificarea uneltelor de dezvoltare software ce trebuie să fie utilizate la dezvoltare. Distribuitorii de semiconductoare şi unelte de dezvoltare îndepărtează tot mai mult proiectanţii de abordarea “numai munca mea” prin furnizarea de exemplu a unui GUI gratuit pentru a uşura depanarea şi reglarea unor aplicaţii specifice precum controlul motoarelor sau interfaţă tactilă.
O altă cale de a atinge o înaltă integrare şi un timp de lansare pe piaţă cât mai redus este de a lega noile periferice de microcontrolere cu alte periferice pentru a forma subsisteme. Aplicaţiile cu ecrane tactile pot fi, de exemplu, implementate cu CTMU (Charge Time Management Unit – unitate de management al timpului de încărcare), sau utilizând o tehnică CVD (Capacitive Voltage Divider – divizor de tensiune capacitiv), iar ambele pot fi legate cu un MUX analogic pentru a forma un subsistem de eşantionare pentru multiple butoane tactile sau cursoare liniare sau rotative tactile. Un alt exemplu ar fi să se utilizeze un port master paralel (PMP) pentru a comanda un panou grafic economic fără controler (LCC) sau utilizarea unui controler grafic integrat. Noile periferice de uz general, precum CLC (Configurable Logic Cell) pot de asemenea să fie utilizate pentru a reduce numărul componentelor externe. Proiectat pentru a se conecta cu o gamă de alte periferice interne, CLC-urile sunt un adaos folositor în kit-urile de unelte ale inginerilor embedded. Comparatoarele de mare viteză şi amplificatoarele operaţionale integrate sunt alte componente foarte utile sistemelor de timp real pentru aplicaţii de surse de tensiune şi de control motoare.
Resurse pentru reducerea timpului de lansare pe piaţă
Notele de aplicaţii, precum şi alte unelte şi soluţii COTS, asigură suport noilor aplicaţii şi periferice şi ajută la sporirea vitezei de lansare pe piaţă prin reducerea necesităţii ca proiectanţii embedded să reinventeze roata. Microchip, de exemplu, oferă una dintre cele mai largi game de resurse de suport, incluzând plăci de dezvoltare şi biblioteci de aplicaţii concentrate pe aplicaţii specifice şi familii de produse. Similar, exemplele de programe se adresează problemelor specifice de la iniţializarea perifericelor la implementarea algoritmilor. Toate aceste resurse pot fi găsite pe website-ul Microchip.
Implementarea unei interfeţe tactile
Strategia de proiectare şi uneltele ce vor fi cel mai utile în reducerea timpului de lansare pe piaţă, vor depinde de provocările specifice prezentate de fiecare proiect.
Să luăm de exemplu provocarea lansată de implementarea unei noi interfeţe tactile care să înlocuiască vechile butoane cu apăsare ale unui dispozitiv electrocasnic de bucătărie, utilizând un PIC16 pentru a comanda un motor şi un LCD cu segmente.
În mod clar, primul pas trebuie să fie reutilizarea pe cât posibil a proiectului existent: dacă programul existent este scris în limbaj de asamblare, scopul trebuie să fie găsirea unei soluţii tactile dezvoltate într-un limbaj de nivel înalt. Acest lucru va asigura un proces de proiectare rapid şi va suplini orice lipsă de abilitate in-house.
Tipic, strategia pentru acest proiect ar trebui să fie după cum urmează:
• Selectarea unui microcontroler din aceeaşi familie generală de produse, care oferă baze de compatibilitate, sau partiţionarea proiectului utilizând două microcontrolere;
• Selectarea unui microcontroler cu perifericele cerute pentru a oferi noua funcţionalitate şi memorie, precum şi suport analogic pentru a reduce numărul de componente;
• Căutarea de soluţii COTS ce utilizează cod C pentru interfaţa tactilă;
• Reutilizarea şi mixarea codului în limbaj de asamblare existent şi a codului C pentru noua funcţionalitate, dar cu partiţionarea proiectului în fişiere separate.
Alternativ, partiţionarea proiectului utilizând microcontrolere separate cu suport de comunicaţie pentru interfaţare între ele;
• După portarea codului, aplicaţia se va rula fără funcţionalitate adiţională şi se va testa comportarea;
• Proiectarea şi depanarea interfeţei tactile utilizând unelte de suport;
• Testarea interfeţei tactile şi integrarea cu aplicaţia completă; retestare;
O soluţie potenţială reală a acestui proiect poate fi:
• Contactare Microchip pentru sfaturi cu privire la aplicaţii specifice;
• Vizitarea Centrului de proiectare tactilă: www.microchip.com/mtouch
• Evaluarea diferitelor opţiuni de ecran tactil utilizând placa de dezvoltare pentru ecrane tactile;
• Utilizarea selectorului avansat de componente Microchip (MAPS) pentru identificarea componentelor potrivite pentru migrarea către noua soluţie;
• Urmarea îndrumărilor de proiectare pentru proiectarea unei interfeţe tactile utilizând nota de aplicaţie Microchip AN1102 şi alte resurse online. Dacă este necesar, se va cere suport suplimentar de la Microchip;
• Utilizarea pachetului software OTS gratuit Microchip CVD Framework, care este o parte a bibliotecii de aplicaţii (MAL), pentru a proiecta şi depana interfaţa tactilă. În această etapă se va selecta o unealtă de depanare potrivită;
• Utilizarea compilatorului C XC8 Microchip şi MPLABX IDE pentru a construi şi depana firmware-ul de aplicaţie combinat;
• Testarea proiectului. Microchip poate asigura asistenţă cu unele testări calitative EMC şi noi sfaturi de proiectare dacă sunt necesare.
Interfaţare cu telefoane inteligente sau tablete
Proiectarea unui nou accesoriu pentru un telefon inteligent sau o tabletă aduce diferite provocări, precum necesitatea de conectare la telefoanele sau tabletele Android® sau Apple®, suplimentar încărcării, controlului sau altor funcţii. Datorită naturii dinamice a acestei pieţe, un ciclu de proiectare rapid este imperativ.
Strategia globală de proiectare poate fi:
• Suport de cercetare de la platformele Apple şi Android;
• Determinarea cerinţelor globale ale aplicaţiei cu privire la resurse şi memorie;
• Căutarea de soluţii COTS pentru interfeţe de telefoane/tablete;
• Luarea în considerare a externalizării dacă nu există abilităţi interne în acest sens;
• Selectarea unui microcontroler care suportă framework-ul software COTS potrivit;
• Dezvoltarea de accesorii şi interfeţe.
Din nou, utilizarea de unelte de dezvoltare şi resurse online poate ajuta la câştigare de timp în acesta ciclu de dezvoltare:
• Vizitarea paginilor www.microchip.com/apple şi www.microchip.com/android
• Contactare Microchip pentru sfaturi asupra cerinţelor aplicaţiilor specifice;
• Obţinerea de licenţe aplicabile direct de la Apple®. Pentru Android® nu este necesară licenţă;
• Alegerea unei plăci de dezvoltare cu demonstraţii relevante;
• Deciderea asupra descărcării de versiuni gratuite, standard şi profesionale ale compilatoarelor C XC16 sau XC32;
• Pentru Android, descărcarea pachetului software gratuit Android Framework COTS care este parte a bibliotecii de aplicaţii Microchip (MAL);
Utilizarea pachetului software potrivit COTS, Compilator C XC şi MPLAB X IDE pentru a dezvolta şi depana interfaţa accesoriului;
• Cererea unui suport suplimentar de la Microchip dacă este necesar.
Dispozitiv de măsurare inteligent
Pe scurt, un nou proiect de dispozitiv de măsurare inteligent ar trebui probabil să includă un display grafic color QVGA, un panou de ecran tactil rezistiv, legătură radio la un senzor aflat la distanţă şi conexiune WiFi la internet. Minimizarea timpului de dezvoltare a software-ului va fi critică, după cum proiectul va avea nevoie de asemenea de un RTOS (sistem de operare în timp real) pentru programarea sarcinilor şi managementul resurselor:
• Utilizarea de limbaj de nivel înalt;
• Utilizarea extinsă de COTS RTOS, protocoale de comunicaţie şi unelte/biblioteci suport;
• Adoptarea unei abordări modulare pentru designul hardware;
• Furnizarea unui traseu clar al proiectării pentru a deveni baza unor produse adiţionale.
Pentru a reduce timpul până la lansarea pe piaţă a dispozitivului de măsurare inteligent, abordarea poate fi:
• Contactarea Microchip pentru sfaturi asupra cerinţelor aplicaţiilor specifice;
• Vizitarea www.microchip.com/rtos pentru îndrumare asupra selecţiei şi suportului RTOS;
• Evaluarea opţiunilor de microcontrolere şi multimedia cu kit-urile de start PIC32, PIC24 sau dsPIC33E cu placă de dezvoltare de extensie multimedia;
• Urmărirea strategiei descrise în nota de aplicaţie AN1264 “Integrarea bibliotecilor Microchip cu sisteme de operare în timp real”;
• Utilizarea multiplelor pachete de programe disponibile în biblioteca de aplicaţii a Microchip sau solicitarea de suport suplimentar de la Microchip;
• Dezvoltarea şi depanarea firmware-ului combinat al aplicaţiei utilizând Compilatorul C Microchip XC16 sau XC32 şi MPLAB X IDE.
Concluzie
Sistemele embedded devin mult mai complexe dar, pentru numeroase proiecte, soluţiile COTS de la compania Microchip permit un timp rapid de lansare pe piaţă, şi chiar şi minimizarea necesităţii ca proiectanţii să-şi asume abordarea curbelor de învăţare introduse cu fiecare nouă tehnologie.
Aceste resurse de proiectare, precum centre de proiectare online, exemple de programe, note de aplicaţii, plăci de dezvoltare şi multe altele, au devenit o parte esenţială a uneltelor necesare proiectelor embedded inovative şi un factor critic în selecţia unui microcontroler.
www.microchip.com