I kit di sviluppo per MCU mirati alle applicazioni abbattono il time-to-market

Molti fornitori oggi realizzano kit di sviluppo per MCU mirati ad applicazioni specifiche. Diversamente dai kit più generici, che si rivolgono principalmente ad attività educative generali e tipicamente includono esempi con semplici LED lampeggianti, i kit di sviluppo mirati offrono hardware e software sufficienti per costituire un buon punto di partenza per un progetto reale. I kit mirati per il controllo di motori, la misurazione intelligente dell'energia, il monitoraggio negli strumenti medicali, l'elaborazione audio e numerose altre applicazioni, possono ridurre drasticamente il tempo di immissione dei prodotti sul mercato.

Allo scopo di realizzare questo tipo di kit, i produttori hanno scelto diverse strategie, ciascuna con vantaggi e svantaggi. Alcuni fornitori realizzano una scheda specifica con hardware ottimizzato; altri creano schede madri MCU molto generiche con numerosi moduli aggiuntivi che possono essere usati per realizzare bundle mirati ad applicazioni specifiche. Con la comprensione di queste strategie e dei relativi vantaggi e svantaggi, è possibile scegliere più oculatamente il kit di sviluppo idoneo per i requisiti del vostro progetto. Dopo la descrizione delle strategie più diffuse per i kit di sviluppo, esamineremo alcuni tipici progetti di esempio per capire come sono implementati con alcuni kit di sviluppo già disponibili.

Approccio basato su piattaforma modulare

L'approccio basato su piattaforma è una strategia diffusa per i produttori che la utilizzano principalmente per i suoi vantaggi economici. In genere, come punto di partenza viene usata una scheda MCU generica dotata di una minima parte di hardware dedicato già su scheda. La scheda possiede numerosi connettori di interfaccia standard per implementare tutte le varie periferiche e gli I/O generici dal dispositivo. Lo standard meccanico per i connettori di interfaccia permette di creare schede aggiuntive facilmente innestabili per varie periferiche. Per la connessione Ethernet basta procurarsi il modulo apposito aggiuntivo che converte il connettore di interfaccia, oltre a tutti i componenti elettromagnetici necessari o altri componenti dello strato fisico, in uno spinotto Ethernet. Queste schede di breakout di interfaccia possono essere molto economiche, pur garantendo una notevole configurabilità.

Molti produttori forniscono anche moduli aggiuntivi per dispositivi accessori. Serve un accelerometro? Probabilmente è disponibile come scheda aggiuntiva. La maggior parte delle schede aggiuntive sono anche dotate di driver e delle routine software di esempio necessarie per aggiungere le funzionalità desiderate a un sistema esistente. In alcuni casi il codice di esempio è effettivamente parte del progetto di riferimento, il che rende ancora più facile stabilire un buon punto di partenza per il proprio progetto.

È facile capire come i produttori traggano vantaggio dall'approccio basato sulla piattaforma. Le schede aggiuntive possono essere utilizzate in molteplici progetti di riferimento per spalmare i costi di sviluppo su più applicazioni di destinazione. L'impegno volto allo sviluppo di driver, ai test e alle funzioni di alto livello può essere sfruttato anche su più applicazioni, in genere con modifiche minime. Quando un produttore aggiunge alla scheda aggiuntiva alcuni dei dispositivi accessori, ad esempio convertitori analogici, memoria, componenti dello strato fisico o anche componenti passivi, ne possono derivare ulteriori potenziali opportunità di vendita, che possono aiutare a giustificare il costo di sviluppo delle varie schede, del firmware e del materiale di supporto.

Un esempio di piattaforma modulare: il Tower System di Freescale

Un esempio di approccio basato su piattaforma è chiaramente illustrato dal Tower System di Freescale. L'approccio modulare (Figura 1) utilizza una o due schede laterali per collegare una scheda principale e fino a tre schede aggiuntive. Le schede principali sono anche dotate di connettore innestabile dall'alto in modo che i moduli compatibili innestabili, come tastierini, accelerometri o touchpad rotanti, possano essere aggiunti senza occupare gli slot su una costosa scheda aggiuntiva. Da notare che la scheda laterale può avere ulteriori connettori, in modo che, se richieste ulteriori funzionalità, possano essere utilizzate schede periferiche montate lateralmente, come quelle per LCD. L'approccio di progetto modulare facilita la creazione di un sistema con pressoché qualsiasi combinazione di funzioni.



Il Tower System può essere utilizzato con una grande varietà di moduli controller/processore con MCU e MPU a 8, 16 e 32 bit di Freescale. Questi moduli controller sono ottimi punti di partenza facili da usare per il progetto. Molte periferiche, tra cui connettori USB e di porta seriale, sono native del modulo controller in modo tale che solo le periferiche specifiche per l'applicazione richiederanno l'uso di schede aggiuntive.

Il Tower System include del software che consente di sfruttare driver di basso livello e API, nonché stack USB, RTOS, TCP/IP e file system. Sono anche disponibili routine di esempio complete e progetti di riferimento in modo che la creazione del proprio software possa essere un processo modulare simile a quello messo in atto per creare la piattaforma hardware.

Un progetto dimostrativo completo di server Web (TWR-K60F120M-KIT) è facilmente realizzabile utilizzando i componenti hardware e software per il Tower System. Il sistema può creare le pagine Web usando gli stack del software modulare forniti per ciascuna funzione chiave. Le schede aggiuntive di sensori possono facilmente trasformare il server Web in un sistema remoto di controllo e misurazione basato su rete. Un sistema remoto di controllo a sensore può essere prototipato e testato utilizzando l'idoneo fattore di forma del Tower System, anche se alquanto ingombrante, dato che in genere esistono poche limitazioni sui sensori remoti per test sul campo. È possibile effettuare un ampio ventaglio di test e l'implementazione modulare fa sì che le interfacce dei sensori e dei controlli possano essere riconfigurate o scambiate per convalidare diverse combinazioni funzionali. La flessibilità dell'approccio modulare è il punto di forza che emerge quando occorre testare numerose configurazioni del sistema sia in prove di laboratorio che sul campo.

L'approccio dedicato

L'approccio dedicato per la creazione di una piattaforma di sviluppo mirata è fondamentalmente diverso dalla sua implementazione hardware. L'approccio dedicato fornisce l'hardware necessario per l'applicazione interessata, con molte meno capacità di schede aggiuntive rispetto all'approccio con la piattaforma modulare. Dal punto di vista del produttore, l'approccio dedicato può richiedere uno sforzo maggiore, dato che uno sviluppo tramite l'approccio modulare molto spesso può sfruttare moduli sviluppati precedentemente. Il vantaggio per il produttore, tuttavia, è che il sistema target può avvicinarsi molto di più al progetto finale. In effetti, il progettista può utilizzare alcuni dei layout di schede (che sono tipicamente forniti dal produttore) e la distinta base direttamente nel progetto destinato alla produzione. Se il produttore recupera la maggior parte dei componenti nella distinta base, ci sono buone probabilità che il progettista finirà con lo specificare tutti i dispositivi del produttore nel prodotto per la produzione finale.

Un'area di applicazione che utilizza tipicamente l'approccio dedicato è quella per la realizzazione di controlli di motori. Le applicazioni con esigenze di alta potenza sono spesso dedicate, dato che i requisiti di layout per i componenti ad alta potenza, come i TRIAC di pilotaggio del motore, i convertitori di potenza e i relativi condensatori e induttori, sono spesso di importanza fondamentale per un funzionamento affidabile. Il controller per motori universali STEVAL-IHM029V1 da 2000 W di STMicroelectronics (Figura 2) è un buon esempio di questo tipo di approccio. Tutta l'elettronica richiesta per il controllo del motore si trova su una singola PCB. L'ingresso della corrente di rete può variare tra 90 e 250 V_c.a. a 50 o 60 Hz e come uscita viene fornita una singola connessione a un motore universale.



Un MCU a 8 bit STM8S103F2P6 controlla la scheda e gestisce l'algoritmo di controllo del motore. Nella scheda sono inclusi altri dispositivi di STMicroelectronics, nell'ambito di una strategia di piattaforma dedicata che si avvale di componenti associati, tra cui il convertitore di potenza VIPer16LN, il TRIAC T1235H-6I e il regolatore lineare L7905CP. La documentazione della scheda include anche il layout dettagliato (file Gerber) e un certo numero di routine e risultati dei test per le funzioni chiave di controllo del motore come l'avvio graduale, il funzionamento a bassa potenza, il funzionamento ad alta potenza, la commutazione a zero volt e i risultati dei test EMC. Il fattore di forma ridotto del progetto può essere utilizzato facilmente come punto di partenza per un prodotto di produzione, un obiettivo per la maggior parte degli approcci basati sulla piattaforma dedicata.

La scheda dimostrativa descritta sopra per il controllo di motori universali può facilmente essere utilizzata per prototipare un piccolo sistema di controllo di motori, utilizzato ad esempio in un frullatore, un macinacaffè o altri piccoli elettrodomestici. Il fattore di forma molto più contenuto rispetto alle piattaforme di sviluppo modulari permette di creare un prototipo che si avvicina alla dimensione del prodotto finale. Implementando una semplice interfaccia utente con un MCU su scheda, assieme a vari algoritmi di controllo del motore, è possibile realizzare rapidamente un prototipo del sistema. Questo può essere utilizzato per i test di un gruppo mirato o di singoli clienti. Quando si riesce a ottenere un riscontro grazie all'esperienza d'uso di un cliente reale, è possibile individuare le problematiche funzionali che potrebbero non emergere nei test di laboratorio. Oltre a ciò, il riscontro dei clienti può fornire un prezioso quadro approfondito dei modelli d'uso previsti del prodotto. Spesso i clienti desiderano usi nuovi o diversi e ciò può portare a nuove applicazioni o aprire segmenti di mercato completamente nuovi. Si tratta di informazioni preziose, ma disponibili solo quando un sistema funzionante viene utilizzato.

Piattaforme dedicate ma flessibili

Scoprirete che talvolta l'approccio dedicato non viene utilizzato senza una qualche possibilità di configurazione. Ad esempio il kit di sviluppo audio Bluetooth di Microchip PIC32 (Figura 3) con il PIC32MX250F128B-I/ML-ND di Microchip. La scheda principale ha le risorse necessarie per molte applicazioni, ma sono presenti anche due posizioni per schede figlie, nella parte sinistra della scheda, che possono essere utilizzate per funzionalità aggiuntive. La figura illustra la scheda figlia del modulo radio HCI Bluetooth e la scheda figlia amplificatore per uscita linea/cuffia con DAC stereo a 24 bit.


La disponibilità di due schede figlie aggiuntive consente di affrontare ulteriori applicazioni e rende anche disponibile un nuovo dispositivo associato, con il potenziale supporto di standard diversi; la scheda base non richiede riprogettazione per ogni nuovo dispositivo associato. Questa concessione a una certa modularità non è inusuale quando gli standard sono rispettati o quando occorre implementare alcune opzioni comunemente supportate.

Il kit di sviluppo illustrato sopra viene fornito con un programma dimostrativo completo di ogni funzione, oltre a una serie di routine software che possono essere utilizzate per personalizzare un'implementazione specifica. Il software contiene il codice completo che ingloba il supporto per i profili della porta seriale, applicazione di individuazione servizi, distribuzione audio avanzata, controllo remoto A/V e una libreria di decodifica AAC assieme ai protocolli e alle interfacce dei controller associati. La documentazione della suite di codice indica la quantità di memoria flash e SDRAM necessaria per il progetto dimostrativo.

Questo kit è anche fornito con un nutrito set di routine di test e di risultati pubblicati. Tali risultati sono forniti per un'ampia gamma di misurazioni per la distorsione armonica totale per un frame di 1 kHz di un tono ideale non compresso inviato su una porta I²S con o senza stack Bluetooth o DAC audio. Questi tipi di misurazione di sistemi sono particolarmente utili con svariate applicazioni in cui lo sviluppo di test può persino richiedere più tempo dello sviluppo dell'applicazione.

Un esempio illustrativo di progetto che utilizza un kit audio Bluetooth è un controller di streaming audio con funzioni di elaborazione audio digitale. Il controller può eseguire lo streaming dei contenuti su collegamento Bluetooth e riprodurli dal vivo o memorizzarli ad esempio in file MP3, in una memoria flash USB collegata. Un display LCD touchscreen funge da interfaccia utente grafica (GUI) per selezionare le varie voci di menu. Lo spinotto di uscita può essere collegato a un altoparlante, a una cuffia o all'ingresso linea di un impianto audio. I dispositivi della famiglia PIC32MX sono dotati di un'unità dedicata di moltiplicazione/divisione con pipeline separata per moltiplicazione e divisione. Ciò li rende particolarmente efficienti per l'esecuzione di funzioni di elaborazione di audio digitale per aggiungere equalizzazione avanzata e funzioni di effetti ambiente. Le funzioni audio avanzate, in particolare, possono avvantaggiarsi di riscontri da parte dei clienti, dato che possono essere molto soggettive e di difficile quantificazione in una situazione di test esclusivamente in laboratorio. Da notare che il kit, compreso il software per tutte le periferiche, la gestione dei file e le funzioni di codifica audio standard, permette al progettista di concentrarsi sulle funzioni di elaborazione audio a valore aggiunto come differenziatore chiave e obiettivo principale dell'impegno per lo sviluppo del codice.

Oltre che sulle funzioni audio, i test del cliente possono essere eseguiti anche sulla GUI prevista per il prodotto finale. Ciò agevola il feedback fornito dal cliente sul funzionamento della GUI e l'individuazione di errori nascosti e comandi o processi di difficile comprensione. Una GUI facile e intuitiva è difficile da valutare in un test di laboratorio tanto quanto le funzioni audio. Una prova del cliente in una configurazione tipica può fornire molte più informazioni ed è possibile solo se la piattaforma target non sminuisce l'esperienza del cliente durante il test. Le piattaforme più modulari possono essere difficili da usare per ottenere questo tipo di riscontro dettagliato a causa del loro fattore di forma più ingombrante.

Un esempio di progetto di sistema

Uno degli utilizzi più potenti dell'ultima generazione di piattaforme di sviluppo dotate di ogni funzione è quello di creare un sistema funzionante completo come prova del concetto o come prototipo. Le prove sul campo, e magari in ambienti difficili, sono una pratica diffusa per i prototipi di sistemi. Una tipica implementazione può utilizzare più schede, ciascuna ottimizzata per una parte del sistema nel suo complesso. Un esempio di tale sistema di lavoro è stato creato dai tecnici di DigiKey avvalendosi del kit di sviluppo modulare MSP430 LaunchPad di Texas Instruments come elemento fondamentale. È stato abbinato al kit di sviluppo wireless a bassa potenza CC430 per creare un controller di lancio remoto wireless del modello di un razzo, con supporto di streaming video. Questi kit sono illustrati nelle Figure 4 e 5.


Nell'implementazione del sistema, il kit wireless CC430 viene posizionato accanto al razzo e controlla la corrente al sistema di accensione tramite un MOSFET a isolamento ottico. Un kit simile posizionato a diversi metri di distanza dal razzo è collegato a un portatile collegato in Internet. Il portatile, a cui si può accedere in remoto, può inviare caratteri tramite Hyperterminal e un collegamento seriale cablato a un kit wireless CC430. I dati vengono inviati con protocollo seriale tra i due kit CC430. Il kit collegato al portatile controlla un servo che supporta uno smartphone utilizzato per posizionare e inviare in remoto lo streaming video live a DigiKey dove si trova la sala lancio.

Nella postazione di controllo del lancio viene utilizzato un MSP430 LaunchPad di TI con un booster pack tattile capacitivo per creare un'interfaccia utente. L'hardware dell'interfaccia utente è collegato tramite porta seriale cablata a un portatile collegato via Internet al portatile nella postazione remota di lancio. L'utente, tramite il sensore a contatto, può muovere il servo di controllo remoto in modo che la videocamera dello smartphone possa ispezionarne il sito di lancio e verificarne la sicurezza prima del lancio. Quando l'area appare sgombra, è possibile utilizzare il touchpad per inviare il comando di lancio al razzo. Nella libreria video di DigiKey è possibile vedere il sistema e il suo funzionamento.

Riepilogo

Dato che si tratta di componenti di sistemi potenti, quando gli MCU vengono abbinati a kit di sviluppo dotati di piene funzioni e progetti di riferimento pertinenti, è possibile usarli per sviluppare sistemi in tempi record. I fornitori adottano strategie diverse per l'approccio in fase di creazione di queste piattaforme di sviluppo. Comprendendo i vantaggi e gli svantaggi di ognuna di esse, è possibile scegliere più oculatamente la piattaforma che si presta meglio ai requisiti del vostro progetto. Per ulteriori informazioni sui kit di sviluppo per MCU e sugli altri componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.