Если недавно вы держали в руках комплект разработчика, весьма вероятно, что он совместим с одной из популярных платформ для любителей и профессионалов, таких как Raspberry Pi или Arduino (Рисунок 1). Это неудивительно, учитывая экосистемы, которые выросли вокруг этих популярных платформ. Отчасти это связано с программной инфраструктурой и доступными инструментами и приложениями, но на самом деле все сводится к аппаратной совместимости.
 |
|
 |
|
| Рисунок 1. | Raspberry Pi (а) и Arduino (б) – две самые популярные платформы разработчиков, которые часто превращаются в промышленные продукты. |
Платы расширения, подобные Arduino 4 Relays Shield (Рисунок 2), – вот, что сделало эти платформы такими популярными. Это позволяет третьим сторонам предоставлять разработчикам доступ к периферийным устройствам – от средств беспроводной связи до газовых датчиков. Первоначальные платформы имели стандартные интерфейсы, например, USB, но им обычно не хватало таких функций, как беспроводная связь. Хотя в более поздние версии этих платформ было включено больше связных функций, не было ни одной платы, которая могла бы удовлетворить потребности всех пользователей или поставщиков.
 |
|
| Рисунок 2. | Arduino 4 Relays Shield – это пример периферийной платы, которая может работать с промышленными интерфейсами. |
На 40-контактный двухрядный разъем Raspberry Pi выведено питание 3 и 5 В, а также линии цифрового ввода-вывода, включая выделенные контакты для последовательного порта, SPI и I2C, а также сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Стандартная плата Arduino имеет несколько разъемов, которые делают компоновку платы интересной. Однорядные разъемы расположены с обеих сторон основной платы; Arduino Uno также имеет два 6-контактных двухрядных разъема. По одному краю установлен 18-контактный разъем, по другому – 14-контактный, разделенный на группы из 8 и 6 контактов. Как и в Raspberry Pi, линии цифрового ввода-вывода имеют выделенные контакты для последовательного порта, SPI, I2C и сигналов ШИМ.
Аналоговые сигналы доступны на обеих платформах; их набор зависит от установленного микроконтроллера. С большинством выводов связано более одной функции, хотя одновременно может быть активна только одна. Это приводит к интригующему компромиссу при попытке иметь дело со стеком интерфейсных карт.
Не все интерфейсные карты можно устанавливать друг на друга, и возникает множество конфликтов, например, из-за того, что такие интерфейсы, как SPI, не могут использоваться совместно по умолчанию. Многоточечные интерфейсы, такие как I2C, могут работать с несколькими устройствами, но только при отсутствии конфликтов адресов, что часто бывает с периферийными адаптерами. Наличие фиксированных адресов упрощает программирование, по крайней мере, для поставщика адаптера. Однако это означает, что две платы одного типа не могут использоваться одновременно.
Проблемы прочности конструкции
Некоторые прототипные платы ориентированы на простоту использования, но при этом игнорируются такие вещи, как монтажные отверстия, которые необходимые для стабильных и надежных соединений в промышленных приложениях. Многие периферийные платы просто рассчитаны на использование интерфейсных разъемов, как для электрического соединения, так и для физической фиксации. Как правило, это не имеет большого значения, если система используется на рабочем столе, но может привести к серьезным проблемам в полевых условиях. где платы могут быть подвержены воздействию ударов, вибрации, пыли и т. д.
Потребляемая мощность и источники питания – это области, которые необходимо изучить при переходе проекта к массовому производству. Особое внимание следует уделить питанию основной платы и распределению питания на периферийные устройства.
От макета к серийному продукту
В наши дни разработчики уделяют больше внимания доступности полупроводниковых компонентов. Проблемы с общедоступностью возникают при использовании решений на базе Arduino. Однако при создании нового решения с нуля часто можно использовать целый ряд похожих микросхем-аналогов. Схемы плат для этих платформ легко доступны и распространяются как открытое аппаратное обеспечение. Таким образом, они могут использоваться в качестве основы для заказной печатной платы.
Создание пользовательской печатной платы на основе схемотехники платформ Arduino является разумным подходом, но с платформами Raspberry Pi ситуация иная. Причина в том, что системы на кристалле (СнК), используемые в Raspberry Pi, обычно недоступны для компаний, которые не выпускают свои продукты десятками тысяч или миллионами. Можно получить похожие микросхемы, но потребуются дополнительные аппаратные и программные изменения, и они могут быть значительными.
Одной из альтернатив является использование вычислительной платы Raspberry Pi Compute Module. В этих модульных компьютерах используются те же процессоры, но отсутствуют привычные штыревые контакты, вместо которых для них требуются стандартные гнездовые разъемы (Рисунок 3). Эти модули в настоящее время доступны в двух разных форм-факторах: Compute Module 3+ (Рисунок 3а) и Compute Module 4 (Рисунок 3б). Первый вставляется в разъем SODIMM и имеет два монтажных отверстия, обеспечивающих надежность фиксации.
 |
|
 |
|
| Рисунок 3. | Компьютеры-на-модуле Raspberry Pi Compute 3+ (а) и Compute 4 (б) разработаны для промышленных несущих плат. |
С обратной стороны платы меньшего форм-фактора Compute Module 4 находится пара гнездовых разъемов высокой плотности. Включение беспроводного модуля упрощает разработку некоторых приложений. Модуль имеет размеры всего 40 × 55 мм, обладая при этом большей емкостью памяти, увеличенной производительностью и расширенными функциональными возможностями.
Компания Arduino также пришла к выводу, что предоставление более надежного решения полезно как для производства, так и для создания прототипов. Семейство Arduino Portenta представляет собой систему-на-модуле промышленного класса, которая поставляется с уже предустановленной Linux во флэш-памяти (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Примером платформ Arduino для промышленных приложений может служить Arduino Portenta. |
Как можно было ожидать, эти модули промышленного класса и продаются по ценам промышленного класса. Бесплатных обедов не бывает, но преимущество в том, что сложные аспекты проектирования этих модулей были решены, а поддержка и документация стоят дополнительных затрат.
Разработка несущих плат для этих модульных компьютеров обычно намного проще, чем конструирование пользовательской печатной платы, на которой будет размещаться система-на-модуле. Это может быть просто плата с необходимыми разъемами или с добавлением периферийных микросхем, которые могли быть на периферийных платах в прототипе системы. Несущая плата часто проще и имеет меньшее количество слоев, чем плата с компьютером-на-модуле, поскольку плотность ее обычно ниже.
Проблемы разработчиков
При превращении прототипа в решение для массового производства разработчики должны опираться на свой опыт и знания. С помощью этих платформ можно очень быстро создать рабочий прототип. Можно предположить, что и серийный продукт может быть создан так же быстро. Это не исключено, но чаще бывает по-другому.
Если выбран подход с использованием модульного компьютера, такого как Raspberry Pi Compute Module, процесс проектирования может упроститься. Однако не следует упускать из виду и другие соображения. Например, то, насколько хорошо решаются эти вопросы, часто определяется опытом разработчиков.
Основными проблемами при переходе от прототипа к серийному изделию, как правило, являются аналоговые цепи, питание и связь. Наибольшие сложности могут представлять аналоговые интерфейсы, если у конструктора нет опыта работы в этой области. Помехи, межсоединения и работа аналоговых интерфейсов могут вызвать проблемы с надежностью и точностью, которые могли не проявиться или не были обнаружены в прототипе.
То же самое справедливо и в отношении питания. Для некоторых приложений может быть достаточно обеспечить запас по мощности одного источника питания. Однако все, от всплесков напряжения до шумов, может стать проблемой, когда речь заходит о решении для серийного производства.
Связь также является источником многих проблем, особенно беспроводная. Промышленные и даже офисные и домашние помещения могут быть электрически зашумленными. Хотя тестирование в разных средах с разными проблемами может быть дорогостоящим, необходимо предоставить продукт, который работает и не требует значительной поддержки.
Наконец, не следует забывать, что проектируемое устройство должно быть удобным как в производстве, так и в обслуживании. Обычно решения, основанные на таких платформах, как Raspberry Pi или Arduino, просты и ориентированы на программное обеспечение, добавляемое в систему наряду с несколькими периферийными устройствами, при минимальных требованиях к занимаемому объему. В этих случаях производство и удобство обслуживания не требуют решения каких-то сложных вопросов. С другой стороны, попытка упаковать устройство в ограниченное пространство или наличие каких-то требований по долгосрочной поддержке может потребовать внесения изменений в конструкцию.
Например, промышленный контроллер Iono Pi Max компании Sfera Labs основан на Raspberry Pi Compute Module (Рисунок 5). Одной из особенностей являются два разъема для SD-карт, поскольку они используют этот тип флэш-памяти для операционной системы и данных. Они также добавили сторожевой микроконтроллер. Процессор может выбирать, с какой карты загружается система, чтобы управлять полевыми обновлениями с возможностью отката, если обновление не работает должным образом. Этого нельзя было найти на стандартной платформе, используемой для прототипа.
 |
|
| Рисунок 5. | Универсальный промышленный сервер/ПЛК Iono Pi Max. |
Сокращение времени выхода на рынок всегда было целью разработчиков. Платформы и комплекты средств разработки – это один из способов ускорить процесс проектирования. Кроме того, они могут помочь в устранении ограничений и проблем, связанных с переходом от прототипной платформы к промышленному производству.
