Qu'est-ce qu'une carte de développement ?

Il nous faut d'abord définir clairement ce qu'est une carte de développement et la différence entre celle-ci et un ordinateur monocarte (SBC). Les fabricants conçoivent généralement des cartes de développement pour exploiter les fonctionnalités d'un microcontrôleur, bien que le terme s'applique désormais aussi à d'autres composants. Un microcontrôleur est un circuit intégré doté d'un processeur, de mémoire vive (RAM), de mémoire flash et de broches d'entrée/sortie permettant l'interaction avec le monde extérieur. C'est un véritable mini-ordinateur, conçu pour permettre aux développeurs de contrôler facilement des composants externes tels que des LED, des petits moteurs, etc. Un SBC offre également ces fonctionnalités, mais la principale différence réside dans le fait que le processeur, la RAM et le stockage sont intégrés sur des circuits distincts de la carte. De plus, la carte comporte des interfaces pour la connexion à des claviers ou des écrans.
Le microprocesseur d'un SBC nécessite un système d'exploitation, tandis qu'un microcontrôleur utilise un environnement de développement intégré (IDE) fourni par le fabricant. Souvent, les fabricants conçoivent des cartes de développement avec un microcontrôleur pour mettre en valeur les fonctionnalités d'autres composants, tels que des capteurs ou d'autres circuits intégrés connectés. Ces cartes sont appelées « cartes de démonstration » ou « kits d'évaluation ». Lorsqu'elles sont assemblées pour atteindre un objectif concret, ces cartes sont appelées « conceptions de référence ».
Certaines cartes ne servent pas principalement à la conception matérielle, mais plutôt à fournir un accès à des données réelles afin que les développeurs de logiciels puissent créer et perfectionner des algorithmes pour des applications d'intelligence artificielle ou d'apprentissage automatique. Ces conceptions ne correspondent pas forcément à la finalité initiale des cartes de développement, mais le terme est désormais utilisé pour tout matériel employé dans le développement matériel et logiciel de produits électroniques.

La
première carte de développement de microcontrôleur à avoir attiré l'attention des ingénieurs a été lancée en 2006. Il s'agissait d'une carte de prototypage, devenue par la suite Arduino (Figure 1), qui a rapidement été adoptée par une nouvelle catégorie de concepteurs électroniques, notamment les amateurs et les ingénieurs passionnés. Arduino a jeté les bases du succès commercial d'autres ordinateurs monocartes (SBC) et plateformes de microcontrôleurs qui ont suivi. En 2008, Beagleboard a fait son apparition : une plateforme de développement open source et économique, bénéficiant du soutien de la communauté. 2012 a été l'année du Raspberry Pi, le premier ordinateur monocarte. À l'instar de Beagleboard, il a été conçu comme une plateforme de formation à faible coût pour permettre aux étudiants d'apprendre la programmation. L'attrait du Raspberry Pi ne s'est pas limité aux étudiants ; il a rapidement été adopté par les passionnés et les ingénieurs professionnels.

Figure 2 : La carte de développement de microcontrôleur Arduino.

Actuellement
, on distingue deux grandes catégories d'ordinateurs monocartes (SBC) : les SBC propriétaires et les SBC open source. Les SBC propriétaires sont généralement conçus pour les applications grand public et subissent les mêmes tests de qualité que les autres produits de ce type. Ils sont intégrés à des équipements électroniques ou montés en rack. Avec les SBC open source, les utilisateurs ont accès à la conception matérielle, à la distribution et au code source. Ils peuvent ainsi rapidement comprendre le fonctionnement du logiciel et du matériel et personnaliser la conception selon leurs besoins.
Les cartes de développement et les SBC actuelles sont disponibles avec une grande variété de processeurs, des processeurs x86 (AMD et Intel) utilisés dans l'environnement informatique traditionnel aux processeurs ARM utilisés dans les applications mobiles et industrielles. Linux et ses dérivés (Ubuntu, Fedora, Debian, etc.), Android et Windows CE sont les systèmes d'exploitation les plus courants sur les SBC. Les cartes de développement à microcontrôleur ne nécessitent pas de système d'exploitation et sont programmées à l'aide d'un environnement de développement intégré (IDE) fourni par le fabricant. Les cartes mères et les ordinateurs monocartes (SBC) ont évolué et intègrent désormais la connectivité sans fil (Wi-Fi ou Bluetooth) ainsi que les interfaces vidéo et audio les plus récentes. De ce fait, certains SBC offrent des fonctionnalités équivalentes à celles de nombreux ordinateurs et tablettes.

L'avenir : les cartes de développement comme produit final.
À l'origine, les fabricants d'outils de développement souhaitaient que ces outils constituent un argument de vente pour leurs microcontrôleurs auprès des clients potentiels (un concept connu dans le secteur sous le nom d'« intégration au design » ou de profit lié à la conception). Leur raisonnement était le suivant : en simplifiant le travail des ingénieurs pour la mise en service d'un composant et en leur offrant un accès facile à toutes ses fonctionnalités, ils seraient bien plus enclins à choisir ce microcontrôleur – ainsi que ses modules complémentaires – pour leur prototype, ce qui générerait davantage de commandes si le composant en question était retenu pour la production en série. Cette stratégie est pertinente lorsqu'il n'existe pas de différence significative entre les spécifications techniques des différents fournisseurs. Cependant, certains fabricants ont constaté que cette méthode a fini par être victime de son propre succès : ils ont réalisé qu'ils devaient encore réduire le travail nécessaire à l'utilisation de leurs produits par les ingénieurs, si bien que la carte de développement est devenue le facteur de différenciation, en particulier pour les produits très similaires à ceux de la concurrence.
Les exigences des ingénieurs concepteurs sont telles que, même pour des composants présentant un avantage concurrentiel évident (comme la puissance ou la vitesse), ils attendent des cartes de développement d'une simplicité d'utilisation immédiate.
Les fabricants ont sans cesse relevé la barre en proposant des conceptions de référence intégrant un microcontrôleur et d'autres circuits intégrés (généralement des capteurs). Initialement, l'objectif était de fournir des indications sur la manière de connecter les dispositifs afin de simuler les fonctions électriques d'un produit final, sans tenir compte de facteurs tels que le format, la taille ou la facilité de fabrication. Cependant, certains fabricants ont poussé ces conceptions plus loin, en créant de véritables prototypes et, dans certains cas, des produits finaux pleinement fonctionnels.
Des conceptions de référence comme la plateforme de capteurs de santé (HSP) de Maxim Integrated (désormais intégrée à Analog Devices) illustrent cette évolution. La version initiale consistait en une petite carte de développement dotée de divers capteurs (température, pression, accéléromètre, bipotentiel, etc.) pour des applications de santé et de bien-être, et pouvait être configurée avec un microcontrôleur. Les versions suivantes, HSP2.0 et HSP3.0, présentaient des facteurs de forme conçus pour être portés au poignet et une apparence très similaire à celle d'autres appareils portables sur le marché (Figure 3).

Image 3 : Le HSP3.0 de Maxim Integrated.

Grâce à cela, les développeurs pouvaient évaluer la fonctionnalité de leurs capteurs en conditions réelles. Autre élément important : ces conceptions permettaient un accès illimité aux données des capteurs (une caractéristique absente des autres appareils portables de fitness et d’entraînement). L’objectif était de faciliter le développement d’algorithmes d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique afin d’apporter une valeur ajoutée à l’application.
En démontrant que son matériel facilitait l’accès aux données, Maxim espérait inciter les développeurs à intégrer tout ou partie de ses circuits intégrés dans les capteurs de leurs produits. Maxim a poussé cette stratégie jusqu’à développer le MAX HEALTH BAND (pour le poignet) et le MAX ECG MONITOR (pour la poitrine), deux appareils portables de santé et de fitness entièrement finalisés et opérationnels. Bien que l’idée ne fût pas de les vendre directement aux consommateurs, les entreprises pouvaient conclure un accord avec Maxim pour commercialiser ces produits sous leur marque, moyennant le versement d’une licence.
Un produit de ce type – pleinement fonctionnel et entièrement développé – a le potentiel d’attirer une nouvelle clientèle d’entreprises, plus large et moins technophile. Thingy:91, de Nordic Semiconductor, est un autre exemple de plateforme de développement où le matériel est presque secondaire par rapport à l'objectif principal : fournir aux développeurs l'accès aux données nécessaires à la création des logiciels et algorithmes qui leur permettront d'exploiter pleinement le potentiel du matériel. De toute évidence, cette approche les présente comme la solution la plus simple pour créer de nouveaux produits et tirer parti des algorithmes. Nombre d'autres fabricants adopteront probablement cette stratégie à l'avenir.

Utilisation accrue des cartes de développement dans les produits industriels
L'adaptation des cartes de développement et des SBC pour une utilisation dans les produits commerciaux devient plus courante, mais une autre tendance croissante est leur utilisation dans les applications à forte valeur ajoutée et à faible volume, c'est-à-dire les produits finaux industriels tels que les PLC, qui doivent se conformer à des réglementations plus strictes que leurs équivalents commerciaux.

Image 4 : Contrôleur logique programmable (PLC).

Tests sur cartes pour applications industrielles :
De nombreuses cartes SBC actuelles sont des conceptions entièrement validées, leurs composants ayant été initialement conçus pour des produits finaux ayant passé avec succès les tests de qualité correspondants. Ceci s'explique également par le fait que, dans les conceptions open source, un grand nombre de concepteurs et de programmeurs examinent, mettent à jour et évaluent constamment les cartes et les logiciels.
Désormais, les tests sur les cartes SBC sont effectués par des entreprises de conception et de fabrication de haute qualité, et ces cartes doivent satisfaire aux mêmes exigences de contrôle qualité que les autres produits finaux, ce qui leur permet d'obtenir les certifications CE ou FCC. Ce processus de test peut facilement être étendu aux exigences des produits industriels.
En revanche, les cartes de développement de microcontrôleurs fournies par les fabricants ou des tiers sont souvent adaptées à un usage commercial, mais elles ne subissent généralement pas les mêmes tests rigoureux que les produits industriels. Par conséquent, les fabricants ne peuvent pas les recommander, dans leur forme actuelle, pour ces applications.
Bien que certaines cartes contiennent des composants de qualité industrielle, elles sont généralement de qualité commerciale et ne peuvent fonctionner qu'à température ambiante. En règle générale, les prototypes de cartes de développement sont testés à température ambiante pendant plusieurs jours ou semaines, mais cela dépend du fabricant, car il n'existe pas de normes établies. L'exigence de qualité principale des fabricants est que leurs cartes fonctionnent de manière fiable à température ambiante. Les acheteurs doivent donc être conscients qu'il est très improbable qu'elles aient été testées dans des conditions de température ou d'humidité extrêmes. De plus, elles ne sont généralement pas soumises à des tests de résistance aux contraintes impliquant des vibrations ou des chocs importants.
Par conséquent, l'objectif principal lors du choix d'une carte de développement pour des applications industrielles est la réduction des risques. Dans ces environnements, les composants de la carte doivent présenter des caractéristiques thermiques appropriées. Il serait judicieux d'effectuer un test de résistance simultané sur plusieurs cartes à haute température pendant plusieurs jours. Il en va de même pour l'humidité si la carte est destinée à être utilisée dans un produit qui sera exposé à des niveaux d'humidité élevés. Lorsque la carte est destinée à des applications soumises à de fortes vibrations, elle doit être montée sur un banc de test afin de vérifier sa durabilité.

En conclusion
, grâce aux ordinateurs monocartes (SBC) et aux cartes de développement à microcontrôleur, les petites entreprises disposent d'une méthode pratique pour commercialiser rapidement leurs produits sans avoir à développer de nouveaux logiciels. Elles peuvent ainsi se concentrer sur l'innovation logicielle et, de plus en plus, sur le développement d'algorithmes d'apprentissage automatique et d'intelligence artificielle. Les cartes de développement et les SBC sont désormais utilisées dans un domaine bien plus vaste qu'initialement prévu et ont profondément marqué l'histoire récente de l'industrie électronique. Elles deviennent de plus en plus performantes, intelligentes et réactives, tout en restant facilement accessibles aux professionnels comme aux amateurs.

Distributeur agréé
Mouser Electronics