Сегодня существует множество замечательных многофункциональных отладочных платформ, которые могут использоваться для разработки цифровых приложений на микроконтроллерах, и этот сегмент рынка постоянно развивается. На портале Радиолоцман уже публиковалась статья обзорного характера на данную тему – «Сравнение популярных отладочных платформ», в которой дан краткий обзор платформ Arduino Uno, Arduino Due, MBED, Discovery, Raspberry PI. Теперь на портале Make появилась не менее интересная статья, в которой сравниваются характеристики трех популярных платформ для разработки устройств на микроконтроллерах и даются рекомендации по выбору платформы разработки для конкретной сферы приложений. Материал будет полезен как радиолюбителям и разработчикам, стоящим перед выбором следующей отладочной платформы, так и всем, кто интересуется микроконтроллерами.
Сейчас мы рассмотрим три платформы для разработки встраиваемых приложений: Arduino Uno, BeagleBone, RaspberryPi, сравним их и дадим рекомендации по выбору подходящей для вашего следующего проекта (Рисунок 1). В общем случае, для профессионалов можно порекомендовать все три.
 |
|
| Рисунок 1. | Слева на право: Arduino Uno, BeagleBone, Raspberry Pi. |
Эти три модели были выбраны для сравнения не случайно: все они реально доступны, выполнены в комактном форм-факторе и могут использоваться для создания различных цифровых устройств. Прежде чем мы перейдем к сравнению, представим краткое описание каждой из них.
Плату Arduino Uno с некоторых пор можно считать основным компонентом в сообществе радиолюбителей (Рисунок 2). Сейчас платы Arduino доступны в различных форм-факторах, с различным набором периферии. Большая их часть выполненыа на 8-разрядном микроконтроллере компании Atmel. А не так давно была анонсирована плата Arduino Due на мощном ARM микроконтроллере с ядром Cortex-M3. Для нашего обзора была выбрана Arduino Uno в качестве представителя платформы Arduino. Для нее доступны простая среда разработки и большая база знаний и наработок, что говорит о возможности создания достаточно функциональных приложений.
|
|
|
| Рисунок 2. | Плата Arduino Uno. |
Плата Raspberry Pi является новичком в «игре» – это одноплатный компьютер, позиционирующийся на рынке как дешевое решение для начинающих разработчиков встраиваемых систем (Рисунок 3). Несмотря на скромный вид и низкую стоимость (около 35$), вы получаете реальный компьютер, который может стать основой для множества проектов.
|
|
|
| Рисунок 3. | Одноплатный компьютер Raspberry Pi. |
BeagleBone является, пожалуй, наименее известной из всех трех платформ, но ее возможности заслуживают внимания создателей встраиваемых приложений. Это мощный Linux-компьютер компактных размеров, который поддерживает работу с ОС Android и Ubuntu (Рисунок 4).
|
|
|
| Рисунок 4. | Linux-компьютер BeagleBone. |
Сравнение трех платформ для разработки.
Все три платы имеют определенный функционал и набор периферии, которые делают их ценными для разработчиков и проектировщиков микроконтроллерных систем. Ниже мы постарались сравнить их по некоторым важным параметрам (Таблица 1). Можно заметить, что именно отличия плат делают каждую из них идеальной для разработки определенного типа приложений.
Таблица 1. Сравнение характеристик плат Arduino Uno, BeagleBone, RaspberryPi.
| Платформа | Arduino Uno | Raspberry Pi | BeagleBone |
| Модель | R3 | Model B | Rev A5 |
| Ориентировочная цена | 29.95$ | 35$ | 89$ |
| Габаритные размеры | 7.5 × 5.3 см | 8.5 × 5.4 см | 8.6 × 5.3 см |
| Микроконтроллер | ATmega328 | ARM11 | ARM Cortex-A8 |
| Тактовая частота | 16 МГц | 700 МГц | 700 МГц |
| ОЗУ | 2 Кбайт | 256 Мбайт | 256 Мбайт |
| Flash-память | 32 Кбайт | SD карта | 4 Гбайт (SD карта) |
| EEPROM | 1 Кбайт | - | - |
| Напряжение питания | 7 – 12 В | 5 В | 5 В |
| Минимальное энергопотребление |
42 мА (0.3 Вт) | 700 мА (3.5 Вт) | 170 мА (0.85 Вт) |
| Цифровые линии ввода/вывода |
14 | 8 | 66 |
| Аналоговые входы | 6 (10-битный АЦП) |
- | 7 (12-битный АЦП) |
| Каналы ШИМ | 6 | - | 8 |
| Интерфейс TWI/I2C | 2 | 1 | 2 |
| Интерфейс SPI | 1 | 1 | 1 |
| Интерфейс UART | 1 | 1 | 5 |
| Инструменты разработки |
Arduino IDE | IDLE, Scratch, Squeak/Linux |
Phyton, Scratch, Squeak, Cloud9/Linux |
| Порт Ethernet | - | 10/100 | 10/100 |
| Интерфейс USB Master | - | 2 USB 2.0 | USB 2.0 |
| Видео выход | - | HDMI, композитный | - |
| Аудио выход | - | HDMI, аналоговый | Аналоговый |
Arduino и Raspberry Pi – недорогие платы стоимостью до 40$. BeagleBone предлагается по цене почти трех Arduino Uno. Однако Arduino в 40 раз медленнее и имеет в 128,000 раз меньше оперативной памяти, чем два оставшихся участника. Уже на данном этапе вы можете видеть важные отличия. Arduino и Raspberry Pi – дешевые платы, а Raspberry Pi и BeagleBone – гораздо более мощные.
Кажется, что Raspberry Pi выглядит на данный момент оптимальным решением, но это не совсем так: для работы вам потребуется отдельно приобрести карту памяти SD, а это еще 5 – 10$ к стоимости самой платы. Также, несмотря на одинаковую тактовую частоту, по тестам BeagleBone работает вдвое быстрее Raspberry Pi. И как бы парадоксально это не звучало, Arduino является оптимальным выбором, по крайней мере, для новичков. Основной причиной этому является операционная система Linux, под управлением которой работают платы Raspberry Pi и BeagleBone. Это «причудливое» ПО превращает платы в крошечные компьютеры, которые способны выполнять несколько программ одновременно и могут программироваться на различных языках. Разработка же приложений на Arduino очень проста из-за отсутствия многозадачности и программирования на языке низкого уровня Си++.
Заметим интересную особенность Raspberry Pi и BeagleBone: возможность запускать программные приложения с карты памяти (SD-карта для Raspberry Pi, microSD – для BeagleBone). Это означает, что вы можете иметь различные конфигурации ОС, приложения, сборки и образы ОС на разных картах памяти, и выбор того или иного проекта осуществляется просто заменой карты памяти. Таким же образом можно сменить операционную систему.
Выбор платформы для разработки
Для новичков, мы рекомендуем Arduino. На сегодняшний день сообщество Arduino - это множество пользователей, огромное количество учебных материалов, готовых решений и проектов, которые можно использовать в своих приложениях. Кроме того, Arduino предлагает самый простой способ взаимодействия с внешней периферией.
Изначально платформа Arduino разрабатывалась с целью обеспечения простого подключения различных датчиков и исполнительных механизмов к микроконтроллеру без дополнительных внешних схем, поэтому для разработки простых приложений и устройств не потребуется глубоких познаний в электронике. Если вы прежде не использовали Arduino, то стоит приобрести и попробовать. Это будет действительно большой опыт, который пригодится при создании серьезных и сложных проектов.
Для компактных устройств мы рекомендуем платформу Arduino. Все три тестируемые модели плат для разработки являются малогабаритными. Единственный отрицательный момент присущ Raspberry Pi – установленная в слот карта памяти SD делает плату больше остальных участников теста (Рисунок 8).
Как мы заметили выше, существует очень много вариаций плат Arduino (Рисунок 5), но у всех есть две общие черты: используется определенный микроконтроллер компании Atmel и программный загрузчик (bootloader) Arduino, который реализует базовые функции платы. Для компактных устройств (возможно, не требующих применения печатной платы) вы можете приобрести этот дешевый микроконтроллер и запрограммировать в него загрузчик с помощью любого программатора AVR микроконтроллеров.
 |
|
| Рисунок 5. | Представители аппаратной платформы Arduino имеют различные размеры и форм-фактор. |
Для разработки приложений, требующих подключения к сети Интернет, мы рекомендуем BeagleBone или Raspberry Pi. Оба устройства работают под управлением ОС Linux, имеют порты Ethernet и USB (Рисунок 6). Посредством USB можно подключать модули беспроводной передачи данных и, таким образом, реализовать функции беспроводной передачи данных и подключение к сети Интернет (Рисунок 7). К тому же, ОС Linux имеет множество встроенных программных компонентов, предоставляющих расширенные сетевые функции.
 |
|
| Рисунок 6. | Arduino Uno, BeagleBone, RaspberryPi. Порт Ethernet имеется только у BeagleBone и RaspberryPi. |
 |
|
| Рисунок 7. | Миниатюрные адаптеры Wi-Fi могут подключаться непосредственно к платам BeagleBone и RaspberryPi. ОС Linux поддерживает данные типы устройств. |
На платформе Arduino тоже можно реализовать приложения с поддержкой обмена данными по Ethernet с помощью плат расширения, именуемых Shield, однако сетевая функциональность таких приложений будет очень ограничена. Приобретение отдельных плат расширения также потребует дополнительных финансовых затрат.
Для приложений и систем взаимодействующих с внешними датчиками и исполнительными механизмами мы рекомендуем Arduino или BeagleBoard. Любой вариант аппаратной платформы Arduino подразумевает простое подключения внешних сенсоров и взаимодействие с ними. Для радиолюбителей доступно нескольких вариантов плат с напряжением питания 3.3 В и 5 В, что упрощает подключение внешней периферии. Напряжение питания платы BeagleBone составляет 3.3 В, поэтому в случае подключения некоторых типов внешних устройств необходимо использовать дополнительные резисторы или схемы согласования логических уровней. И Arduino, и BeagleBone имеют интерфейс аналого-цифрового преобразователя (разрешение АЦП, встроенного в микроконтроллер на плате BeagleBoard, несколько выше), что говорит о возможности подключения различных аналоговых датчиков.
С учетом сказанного, важно отметить, что многие современные датчики снабжены цифровыми интерфейсами I2C или SPI. Все три платы поддерживают этот тип последовательного интерфейса и реализовать взаимодействие с ним можно довольно легко.
Для устройств с батарейным питанием мы рекомендуем Arduino. Такое решение связано с тем, что Arduino имеет наименьшее энергопотребление, однако с точки зрения соотношения вычислительной мощности на Ватт BeagleBoard является явным лидером. Тем не менее, преимущество Arduino в том, что ее работоспособность сохраняется в широком диапазоне питающего напряжения. Таким образом, в качестве источника питания платы можно использовать различные типы элементов питания, работосопособность микроконтроллера сохраняется даже в случае, когда элементы питания израсходовали свой ресурс.
Для приложений с графическим пользовательским интерфейсом рекомендуется использовать Raspberry Pi. Одноплатный компьютер Raspberry Pi действительно можно выделить в отдельную категорию, поскольку плата снабжена выходом HDMI (Рисунок 8). Это означает, что вы можете подключить к плате мышь и клавиатуру, а саму плату подключить непосредственно к телевизору. Таким образом, вы получаете полнофункциональный компьютер, который идеально подходит для применения в торговых терминалах и киосках. Мы ради интереса в ходе тестирования установили на Raspberry Pi программные инструменты разработки для Arduino, написали небольшую программу и запрограммировали плату Arduino через интерфейс Raspberry Pi.
 |
|
| Рисунок 8. | Одноплатный компьютер размером с кредитную карту может подключаться непосредственно к телевизору. |
Заключение
Arduino – это достаточно функциональная и гибкая платформа разработки встраиваемых приложений с огромными возможностями для взаимодействия с внешним миром. Она прекрасно подойдет для изучения микроконтроллеров и может служить основой для небольших проектов. Raspberry Pi будет оптимальным выбором для приложений, требующих наличия дисплея, графического пользовательского интерфейса и подключения к Интернет.
В платформе BeagleBone идеально совмещена гибкость Arduino, производительность процессора платы Rapberry Pi и ОС Linux (и на самом деле, производительность выше, чем у Raspberry Pi). Имея достаточное количество входов/выходов, BeagleBone обеспечивает простое подключение к сети и позволяет реализовать web-сервер.
