L'uso di schede di sviluppo per microcontroller come computer monoscheda

I fornitori di semiconduttori supportano i microcontroller con schede di sviluppo, come le schede di valutazione e quelle dimostrative. Queste schede consentono agli ingegneri di familiarizzare prima di tutto con il microcontroller target e in secondo luogo di assistere nello sviluppo dell'hardware e del firmware per il microcontroller. Queste schede vanno dalle più semplici con ingressi/uscite per uso generale (GPIO), mediante connettori a basetta, a schede sofisticate con tastiere e display LCD. Con l'ampia varietà di schede di sviluppo disponibili, alcuni ingegneri le scelgono per l'acquisto in volume finalizzato all'uso in applicazioni industriali.

Tuttavia, a differenza dei computer monoscheda (SBC) di qualità industriale, spesso le schede di sviluppo non sono sottoposte a rigorosi test di controllo della qualità (QA) da parte del produttore per garantirne il funzionamento continuativo in condizioni industriali. Le schede di sviluppo sono generalmente sottoposte a QA solo a temperatura ambiente e in condizioni di bassa umidità. Ciò solleva questioni di affidabilità e di idoneità per un'applicazione ad uso continuativo. Se le schede di sviluppo utilizzano comunque componenti hardware e semiconduttori testati e destinati per l'uso commerciale o industriale, gli ingegneri devono capire che hanno specifiche diverse rispetto agli SBC industriali e sapere quali test eseguire prima di approvare una scheda per l'uso continuativo.

Per risolvere queste problematiche, questo articolo discuterà i limiti di queste schede, come determinare correttamente la loro idoneità per l'applicazione finale e quali problemi deve considerare un ingegnere nella scelta di una scheda di sviluppo per l'uso continuativo dell'applicazione. Esaminerà poi due schede di sviluppo di STMicroelectronics e Infineon Technologies e spiegherà come possano essere usate in un'applicazione per l'uso continuativo.

Garanzia di qualità per SBC industriali

Gli SBC industriali di serie sono il modo più diffuso per controllare le apparecchiature elettromeccaniche industriali, nonché per gestire i nodi di Internet delle cose (IoT) e IoT industriale (IIoT). Un SBC è già popolato di componenti testati ed è fornito con la documentazione completa per l'uso. Un SBC progettato su misura è una buona opzione se il volume è abbastanza alto e se non esistono SBC di serie capaci di fornire le funzionalità necessarie al giusto prezzo. Tuttavia, una soluzione già collaudata può comunque essere superiore a un SBC personalizzato, in quanto velocizza lo sviluppo e abbatte il time-to-market.

I produttori di SBC sottopongono le nuove schede a una lunga serie di rigorosi test di controllo qualità prima di rilasciare il progetto per la produzione. Gli SBC specificamente progettati per l'uso industriale sono sottoposti a rigorosi test di controllo qualità per garantire che possano operare in modo affidabile nell'applicazione finale. Per un'applicazione industriale comune con temperature comprese tra -40 e +85 °C, vengono selezionati semiconduttori e hardware di grado industriale classificati in base alla temperatura. I componenti sono montati su una scheda elettronica con materiale che funziona anche nell'intervallo di temperatura nominale. Per alcune applicazioni, la tropicalizzazione può essere applicata all'SBC per proteggere la scheda da umidità, polvere e particelle ambientali, nonché dalla fuoriuscita di sostanze chimiche.

Il QA iniziale di un nuovo SBC industriale comprende la prova al banco dei limiti superiori e inferiori di corrente e tensione. Dopo questo test di base, il nuovo SBC viene sottoposto a un ciclo di QA completo e viene testato per il funzionamento completo negli estremi di temperatura caldo e freddo, così come negli estremi di umidità e di vibrazioni. Il produttore del nuovo SBC industriale può anche condurre le prove di sollecitazione, testando il prodotto per giorni in condizioni estreme. Ogni guasto, piccolo o grande, viene registrato e fatto risalire diligentemente alla sua causa radice. I test non superati possono determinare la sostituzione dei componenti o la riprogettazione di un SBC. I test di controllo qualità possono richiedere settimane o mesi. Solo quando il progetto SBC è pienamente qualificato, il produttore rilascia la scheda per la produzione. Ogni singolo SBC ora in produzione viene sottoposto a test rapidi alla fine della linea di produzione, che di solito richiedono meno di un minuto.

Ma i test non si fermano nemmeno dopo aver rilasciato l'SBC in produzione. Il produttore dell'SBC industriale può estrarre a caso un SBC dalla linea di produzione e sottoporlo a un ciclo di QA completo su base trimestrale o annuale per garantire il mantenimento dei criteri di qualità.

Spesso questi risultati di QA sono a disposizione dei clienti. Inoltre, il produttore di SBC invierà ai clienti un avviso di modifica tecnica (ECN) per qualsiasi modifica apportata, ad esempio ogni volta che i componenti della scheda vengono sostituiti.

Schede di sviluppo per microcontroller

Le schede di sviluppo utilizzate per supportare i microcontroller sono fornite sia dai produttori di microcontroller, sia dai fornitori di strumenti di terze parti. Le schede di valutazione sono semplici schede utilizzate per studiare il microcontroller in generale ed esaminarne il funzionamento di base. Le schede dimostrative, come dice il termine, dimostrano il funzionamento del microcontroller e sono spesso più sofisticate, dotate di LED lampeggianti, interruttori e un display LCD. Le schede di sviluppo sono utilizzate per lo sviluppo di hardware e firmware.

In realtà, le definizioni di scheda di valutazione, dimostrativa e di sviluppo non sono standardizzate e spesso nell'uso comune si sovrappongono notevolmente. Il nome della scheda è meno importante delle sue caratteristiche ed è più facile raggruppare tutte le schede sotto il termine di "schede di sviluppo".

Test della scheda di sviluppo per l'uso industriale

Le schede di sviluppo rilasciate dai produttori di microcontroller o fornite da terzi sono sottoposte a test meno rigorosi rispetto agli SBC industriali. Di solito i componenti sono di tipo commerciale, ma alcune schede includono componenti di tipo industriale. Le schede di sviluppo sono progettate per funzionare solo a temperatura ambiente. I primi prototipi di schede di sviluppo saranno sottoposti ai test a temperatura ambiente per giorni o settimane, sebbene questo dipenda molto dalle preferenze del produttore. L'unico requisito di qualità per le schede di sviluppo è che funzionino a temperatura ambiente. È lecito supporre che la scheda non sia stata testata a temperature estreme, in condizioni di elevata umidità, vibrazioni o urti.

L'obiettivo principale nel determinare quale scheda di sviluppo utilizzare in un'applicazione industriale è la riduzione del rischio. Per questo motivo, è importante valutare prima di tutto il produttore della scheda, in particolare la politica di fine vita (EOL) del produttore e la storia produttiva delle schede di sviluppo. Il più grande incubo di un ingegnere è acquistare in volume una scheda perfetta e rendersi conto che sarà presto fuori produzione a causa del programma EOL. Se il produttore ha assicurato nel tempo il mantenimento della produzione, si può procedere all'acquisto in tutta tranquillità. Ma se il produttore nel tempo ha messo fuori produzione molte schede, l'approvvigionamento potrebbe essere rischioso.

Quando si decide se utilizzare o meno una scheda di sviluppo in un'applicazione industriale, esaminare i componenti sulla scheda e assicurarsi che siano tarati per i livelli di temperatura appropriati per l'applicazione finale. Se la scheda è destinata a un ambiente industriale in cui sono presenti anche operatori umani, i componenti di tipo commerciale sono probabilmente adeguati per l'applicazione. Eventuali connettori o altri componenti hardware associati devono essere esaminati con cura per verificare che siano montati saldamente. Tutte le viti non saldate devono essere controllate con un avvitatore: se sono lente, potrebbe essere sintomo di un processo di QA incostante.

Se i componenti della scheda e la costruzione sono accettabili, sarà una buona idea sottoporre contemporaneamente tre o più schede ai test di sollecitazione ad alta temperatura per vari giorni. Per avere una buona idea della ripetibilità della produzione, ogni scheda testata dovrebbe essere acquistata separatamente nel tempo, in modo da campionare diversi lotti di produzione. Qualsiasi avaria è un brutto segno, e a meno che il produttore non la possa spiegare come un'eccezione alla regola, si dovrà selezionare una scheda di sviluppo diversa.

Se la scheda deve essere utilizzata in un ambiente ad alta umidità, deve essere testata in un ambiente con il livello di umidità equivalente. Le schede di sviluppo non sono progettate per l'uso in ambienti con umidità elevata. La tropicalizzazione può essere applicata sulla scheda CS per proteggerla dall'umidità, a condizione che i connettori e i punti di contatto elettrici siano accuratamente protetti dal rivestimento.

Controllare anche presso il produttore se esiste un ECN per ogni cambiamento della scheda. Spesso questo non è il caso con le schede di sviluppo, quindi per essere sicuri, tutte le schede acquistate dovranno essere verificate visivamente per identificare eventuali componenti diversi.

Se la scheda deve essere utilizzata in un ambiente ad alte vibrazioni, deve essere montata in un telaio di prova e sottoposta ai test di vibrazione. Al termine del test deve essere esaminata visivamente per verificare la presenza di crepe o deformità. Le viti e gli attacchi devono essere controllati per verificarne l'allentamento. Qualsiasi guasto o difetto è grave e deve escludere la scheda da ogni considerazione.

Scheda di sviluppo per l'uso continuativo

Di seguito sono riportati due esempi di schede di sviluppo che possono essere adatte per applicazioni industriali ad uso continuativo. I produttori non hanno certificato queste schede per l'uso industriale continuativo: spetta all'ingegnere eseguire i test opportuni per qualificare una scheda per una particolare applicazione finale.

Il noto fattore di forma Arduino ha portato alla nascita di molte alternative da parte dei produttori. Ad esempio, NUCLEO-L4P5ZG di STMicroelectronics si basa su un microcontroller Arm® Cortex®-M4. Un esame del layout della scheda mostra le sue numerose caratteristiche (Figura 1). NUCLEO-L4P5ZG ha un set di connettori su basetta che rende disponibili all'applicazione tutti i GPIO del microcontroller.

Figura 1: NUCLEO-L4P5ZG di STMicroelectronics è una scheda Nucleo compatibile con Arduino con funzionalità di base che rende disponibili tutti i pin GPIO ai connettori su basetta. Ha tre LED programmabili dall'utente, un pulsante utente e un pulsante di reset. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Un importante vantaggio della scheda NUCLEO-L4P5ZG è che i GPIO sono compatibili con molte altre schede compatibili con Arduino della linea Nucleo di STMicroelectronics. Ciò significa che sono disponibili alternative compatibili con Nucleo di altri produttori, nel caso il prodotto andasse fuori produzione. La scheda è dotata di tre LED e di un pulsante sotto controllo firmware, oltre che di un pulsante di reset cablato. I LED possono mostrare un semplice stato e un pulsante di reset forzato permette alla scheda di riprendersi rapidamente dopo un blocco firmware. Ha un connettore USB On-The-Go (OTG) Full Speed sotto controllo firmware e un connettore Micro-USB per la programmazione e il debug. La scheda CS bianca rende più facile la dispersione del calore in ambienti caldi. NUCLEO-L4P5ZG è adatta per applicazioni in cui è necessario gestire gli I/O, ad esempio con sensori, interruttori e attuatori.

Un altro esempio di scheda di sviluppo per un possibile utilizzo applicativo è il kit Relax KITXMC47RELAXV1TOBO1 di Infineon Technologies. Anche questo si basa su un Arm Cortex-M4 e ha un set completo di piazzole Arduino senza connettori su basetta (Figura 2). Il kit Relax è una buona scelta per un'applicazione in rete o un nodo IIoT di base con un connettore RJ-45 per la connessione di rete Ethernet. Ha due pulsanti e due LED sotto controllo firmware e un pulsante di reset.

Figura 2: Il kit Relax KITXMC47RELAXV1TOBO1 di Infineon Technologies ha tutti i GPIO disponibili per i fori di contatto sulla scheda CS. Supporta l'interfacciamento seriale mediante connettori Ethernet e USB e può espandere la memoria utilizzando uno slot per schede microSD. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Il kit Relax di Infineon dispone anche di uno slot per schede microSD. Questo semplifica il cambiamento di firmware o dati applicativi per schede diverse semplicemente inserendo una diversa scheda di memoria flash microSD. Il kit è adatto per applicazioni in rete robuste che necessitano di monitorare sensori, interruttori e attuatori di controllo e la scheda microSD è utile se i cambiamenti firmware o dei dati sono frequenti, ed è più efficiente rispetto alla riprogrammazione della scheda.

Conclusione

Le schede di sviluppo per microcontroller possono essere utilizzate come schede per applicazioni industriali purché siano scelte e testate accuratamente prima di utilizzarle nell'applicazione finale. L'ingegnere deve eseguire rigorosi test hardware prima dell'uso e valutare attentamente il produttore per verificare l'affidabilità della fornitura, comprese le politiche EOL. Con l'enorme scelta di schede di sviluppo disponibili, un ingegnere può trovare facilmente una scheda che abbia superato il QA interno per l'utilizzo in un'applicazione industriale.