Che cos'è una scheda di sviluppo?

Innanzitutto, è necessaria una chiara definizione di scheda di sviluppo e della differenza tra questa e un computer a scheda singola (SBC). I produttori in genere creano schede di sviluppo per sfruttare le funzionalità di un microcontrollore, sebbene il termine venga ora applicato anche ad altri componenti. Un microcontrollore è un circuito integrato con un processore, una certa quantità di RAM, memoria flash e pin di input/output per interagire con il mondo reale. È come un computer in miniatura in un contenitore, progettato per consentire agli sviluppatori di controllare facilmente componenti esterni come luci, piccoli motori e così via. Anche un SBC offre queste funzioni, ma la differenza principale è che la CPU, la RAM e la memoria di archiviazione si trovano su circuiti integrati separati sulla scheda, che contiene anche interfacce per il collegamento a tastiere o display.
Il microprocessore in un SBC richiede un sistema operativo, mentre un microcontrollore utilizza un ambiente di sviluppo integrato (IDE) progettato dal produttore. In molti casi, i produttori creano schede di sviluppo con un microcontrollore per mostrare le funzionalità di altri componenti, come sensori o altri circuiti integrati collegati. Queste schede sono note come "schede dimostrative" o "kit di valutazione". Quando assemblate per raggiungere un obiettivo concreto, vengono definite "schede di riferimento".
Lo scopo principale di alcune schede non è la progettazione hardware, bensì quello di fornire accesso a dati reali, in modo che gli sviluppatori software possano creare e perfezionare algoritmi per applicazioni di intelligenza artificiale o apprendimento automatico. Queste schede potrebbero non corrispondere perfettamente allo scopo originale delle schede di sviluppo, ma il termine è ora utilizzato per indicare qualsiasi hardware impiegato nello sviluppo hardware e software di prodotti elettronici.

La
prima scheda di sviluppo per microcontrollori ad attirare l'attenzione degli ingegneri fu lanciata nel 2006. Si trattava di una scheda di prototipazione che in seguito divenne nota come Arduino (Figura 1), e fu rapidamente adottata da una nuova categoria di progettisti elettronici, inclusi hobbisti e ingegneri amatoriali. Arduino gettò le basi per il successo commerciale di altri computer a scheda singola (SBC) e piattaforme per microcontrollori che sarebbero seguiti. Nel 2008 apparve Beagleboard, una piattaforma di sviluppo open-source a basso costo con il supporto della comunità. Il 2012 fu l'anno del Raspberry Pi, il primo computer a scheda singola. Come Beagleboard, fu progettato come piattaforma di formazione a basso costo per gli studenti che volevano imparare a programmare. L'attrattiva del Raspberry Pi non si limitò agli studenti e presto iniziò ad essere utilizzato da appassionati e ingegneri professionisti.

Figura 2: La scheda di sviluppo per microcontrollori Arduino.

Attualmente
, esistono due categorie principali di Single-Board Computer (SBC): proprietari e open-source. Gli SBC proprietari sono in genere progettati per applicazioni destinate agli utenti finali e sono sottoposti agli stessi test di qualità di altri prodotti di questo tipo. Vengono integrati in apparecchiature elettroniche o montati in un rack. Con gli SBC open-source, gli utenti hanno accesso alla progettazione e alla distribuzione dell'hardware, nonché a qualsiasi codice sorgente che utilizzano. Ciò significa che gli utenti possono apprendere rapidamente il funzionamento del software e dell'hardware e personalizzare il progetto in base alle proprie esigenze.
Le schede di sviluppo e gli SBC odierni sono dotati di un'ampia varietà di processori, dai processori basati su x86 nell'ambiente informatico tradizionale (AMD e Intel) ai processori ARM utilizzati in applicazioni mobili e industriali. Linux e i suoi derivati ​​(Ubuntu, Fedora, Debian, ecc.), Android e Windows CE sono i sistemi operativi più comuni sugli SBC. Le schede di sviluppo basate su microcontrollore non richiedono un sistema operativo e vengono programmate utilizzando un IDE fornito dal produttore. Sia le schede madri che i computer a scheda singola (SBC) si sono evoluti fino a includere la connettività wireless (Wi-Fi o Bluetooth) e le più recenti interfacce video e audio. Ciò significa che alcuni SBC possiedono funzionalità equivalenti a quelle di molti computer e tablet.

Il futuro: le schede di sviluppo come prodotto finale.
L'obiettivo originario dei produttori di strumenti di sviluppo era che questi strumenti rappresentassero un punto di forza per la vendita dei loro microcontrollori ai potenziali clienti (un concetto noto nel settore come "design-in" o profitto derivante dalla progettazione). Il ragionamento era che, riducendo il lavoro necessario agli ingegneri per far funzionare un componente e offrendo loro un facile accesso a tutte le sue funzionalità, questi sarebbero stati molto più propensi a scegliere quel microcontrollore – insieme ai suoi componenti aggiuntivi – per il loro prototipo, generando così più ordini qualora il componente in questione fosse stato scelto per la produzione di massa. Questa strategia ha senso quando non vi sono differenze significative tra le specifiche tecniche dei diversi fornitori. Tuttavia, alcuni produttori hanno scoperto che questo metodo è finito per soccombere al suo stesso successo: si sono resi conto della necessità di ridurre ulteriormente il lavoro richiesto a un ingegnere per utilizzare i loro prodotti, e così la scheda di sviluppo è diventata il fattore di differenziazione, soprattutto per i prodotti molto simili a quelli della concorrenza.
Le aspettative dei progettisti sono diventate così elevate che, persino per i componenti con un chiaro vantaggio competitivo (come potenza o velocità), si aspettano schede di sviluppo con un livello di accessibilità "plug and play".
I produttori hanno continuato ad alzare l'asticella offrendo progetti di riferimento con un microcontrollore e altri circuiti integrati (tipicamente sensori). Inizialmente, l'obiettivo era fornire indicazioni su come collegare i dispositivi per simulare le funzioni elettriche di un prodotto finale, senza considerare fattori come il fattore di forma, le dimensioni o la facilità di produzione. Tuttavia, alcuni produttori hanno portato questi progetti a un livello superiore, creando veri e propri prototipi e, in alcuni casi, prodotti finali pienamente funzionanti.
Progetti di riferimento come la Health Sensor Platform (HSP) di Maxim Integrated (ora parte di Analog Devices) esemplificano questa evoluzione. La versione iniziale consisteva in una piccola scheda di sviluppo con vari sensori (temperatura, pressione, accelerometro, bipotenziale, ecc.) per applicazioni nel settore della salute e del fitness, e poteva essere configurata con un microcontrollore. Le versioni successive, HSP2.0 e HSP3.0, presentavano fattori di forma progettati per essere indossati al polso e un aspetto molto simile ad altri dispositivi indossabili presenti sul mercato (Figura 3).

Immagine 3: L'HSP3.0 di Maxim Integrated.

Grazie a ciò, gli sviluppatori potevano valutare la funzionalità dei loro sensori nel mondo reale. Un altro elemento importante era che questi progetti consentivano un accesso illimitato alle letture dei sensori (una caratteristica assente in altri dispositivi indossabili per il fitness e l'allenamento). L'obiettivo era facilitare lo sviluppo di algoritmi di intelligenza artificiale e apprendimento automatico per aggiungere valore all'applicazione.
Dimostrando che il loro hardware facilitava l'accesso ai dati, Maxim sperava che gli sviluppatori avrebbero scelto di integrare tutti o alcuni dei loro circuiti integrati nei sensori dei loro prodotti. Maxim ha portato avanti questa strategia fino al punto di sviluppare il MAX HEALTH BAND (da polso) e il MAX ECG MONITOR (da torace), due dispositivi indossabili per la salute e il fitness completamente finiti e funzionanti. Sebbene l'idea non fosse quella di venderli direttamente ai consumatori, le aziende potevano raggiungere un accordo con Maxim per commercializzare questi prodotti in cambio della relativa licenza.
Un prodotto di questo tipo, completamente funzionante e con tutto il lavoro di sviluppo completato, ha il potenziale per attrarre una nuova base di clienti aziendali, più ampia e meno incline alla tecnologia. Thingy:91, di Nordic Semiconductor, è un altro esempio di piattaforma di sviluppo in cui l'hardware è praticamente secondario rispetto all'obiettivo principale: fornire agli sviluppatori l'accesso ai dati necessari per creare il software e gli algoritmi che consentiranno loro di sfruttare appieno il valore intrinseco dell'hardware. Chiaramente, questo viene fatto in modo da far apparire Thingy:91 come l'opzione più semplice per creare nuovi prodotti e sfruttare gli algoritmi. È probabile che molti altri produttori adotteranno questa strategia in futuro.

Aumento dell'utilizzo di schede di sviluppo nei prodotti industriali.
L'adattamento di schede di sviluppo e SBC per l'utilizzo in prodotti commerciali sta diventando sempre più comune, ma un'altra tendenza in crescita è il loro impiego in applicazioni di alto valore e basso volume, ovvero prodotti finali industriali come i PLC, che devono rispettare normative più severe rispetto ai loro equivalenti commerciali.

Immagine 4: Controllore logico programmabile (PLC).

Test su schede per applicazioni industriali:
molte schede a singolo circuito (SBC) attualmente in commercio sono diventate progetti completamente verificati, poiché i loro componenti sono stati originariamente progettati per prodotti finali che avevano superato i relativi test di qualità. Questo è dovuto anche al fatto che, nei progetti open-source, un gran numero di progettisti e programmatori rivede, aggiorna e valuta costantemente le schede e il software.
Oggi, i test sulle SBC vengono eseguiti da aziende di progettazione e produzione di alta qualità, e queste schede devono superare gli stessi rigorosi controlli di qualità degli altri prodotti finali, consentendo loro di ottenere le certificazioni CE o FCC. Questo processo di test può essere facilmente esteso per includere i requisiti dei prodotti industriali.
D'altra parte, le schede di sviluppo per microcontrollori fornite da produttori o terze parti sono spesso adatte all'uso commerciale, ma in genere non vengono sottoposte agli stessi rigorosi test dei prodotti industriali. Pertanto, i produttori non possono raccomandarle, nella loro forma attuale, per queste applicazioni.
Sebbene alcune schede contengano componenti di livello industriale, di solito sono solo di livello commerciale e possono funzionare solo a temperatura ambiente. In genere, le schede di sviluppo prototipo vengono testate a temperatura ambiente per diversi giorni o settimane, ma questo dipende dal produttore, poiché non esistono standard definiti. Il requisito di qualità primario dei produttori è che le loro schede funzionino in modo affidabile a temperatura ambiente, quindi gli acquirenti devono essere consapevoli che è altamente improbabile che siano state testate a temperature o livelli di umidità estremi. Inoltre, di solito non vengono sottoposte a test di risposta allo stress che comportino elevati livelli di vibrazione o urto.
Di conseguenza, l'obiettivo principale nella scelta della scheda di sviluppo da utilizzare in applicazioni industriali è la riduzione del rischio. In questi ambienti, i componenti della scheda devono avere caratteristiche termiche adeguate. Sarebbe opportuno eseguire un test di stress simultaneo su diverse schede ad alte temperature per diversi giorni. Lo stesso vale per l'umidità se la scheda è destinata all'uso in un prodotto che sarà esposto ad alti livelli di umidità. Quando la scheda deve essere utilizzata in applicazioni con forti vibrazioni, dovrebbe essere montata in un banco di prova per testarne la durata.

In conclusione
, grazie ai computer a scheda singola (SBC) e alle schede di sviluppo basate su microcontrollore, le piccole imprese dispongono di un metodo pratico per immettere rapidamente sul mercato i propri progetti senza i costi di sviluppo di nuovo software. Ciò consente loro di concentrarsi sull'innovazione del software e, sempre più spesso, sullo sviluppo di algoritmi di apprendimento automatico e intelligenza artificiale. Le schede di sviluppo e gli SBC sono ora utilizzati in un campo molto più ampio di quanto inizialmente previsto e hanno avuto un impatto enorme sulla storia recente dell'industria elettronica. Stanno diventando sempre più potenti, intelligenti e reattivi, pur rimanendo facilmente accessibili sia ai professionisti che agli hobbisti.

Distributore autorizzato
Mouser Electronics