Zapraszamy do świata uproszczonego prototypowania
| Gospodarka Projektowanie i badaniaJeśli ktoś by kiedyś usłyszał grupę osób dyskutujących o kapeluszach, tarczach, ogonkach i klikach, mógłby pomyśleć, że jest świadkiem rozgrywki w grę fabularną w konwencji fantasy. W rzeczywistości byłaby to jednak raczej drużyna elektroników debatujących nad najlepszym sposobem prototypowania swojego następnego projektu.
Postęp w branży półprzewodników sprawił, że w ciągu ostatnich kilku dekad zaszły wyraźne zmiany w ofercie płytek deweloperskich i ewaluacyjnych dostępnych dla elektroników. Po pierwsze, chipy stały się mniejsze, przez co prototypowanie na płytkach drukowanych z rastrem 0,1 cala stało się niestety przeżytkiem w epoce obudów QFP (quad flat-pack) i QFN (quad flat no-lead) o bardzo małych wymiarach i pozbawionych uciążliwych wystających wyprowadzeń. Po drugie, wielu dostawców mikrokontrolerów poszerzyło swój asortyment o złącza zasilania i czujniki oraz interfejsy bezprzewodowe i sieciowe. Kierując się ceną sprzedaży, projektują oni płytki rozwojowe z systemami złączy „plug and play”. Ułatwia to podłączanie innych produktów półprzewodnikowych i ich testowanie z wybranym mikrokontrolerem.
Dobrym przykładem tego podejścia jest płytka rozwojowa Explorer 16/32 - patrz rys. 1 - firmy Microchip Technology. Model DM240001-2, opracowany początkowo z myślą o 16-bitowych mikrokontrolerach z rodziny PIC24 i dsPIC33, obsługuje także 32-bitowe mikrokontrolery PIC32. Stało się to możliwe dzięki podjętej na wczesnym etapie rozwoju decyzji o zastosowaniu technologii Plug-In Module (PIM) umożliwiającej wymianę mikrokontrolera. Te moduły PIM, których typowe wymiary wynoszą 38 x 38 mm (1,5 x 1,5 cala), zawierają minimalną ilość wyposażenia. W przypadku standardowego mikrokontrolera oprócz samego MCU montowane są tylko kondensatory odsprzęgające i niezbędny oscylator krystaliczny. Bardziej złożone urządzenia z większą liczbą opcji mogą zawierać zworki do wybierania interfejsów oraz punkty kontaktowe do sond oscyloskopowych umożliwiających zastosowanie mikrokontrolerów do sterowania silnikiem lub w energoelektronice.
Płytka obsługuje także podstawowy zakres funkcji wejścia/wyjścia w formie alfanumerycznego wyświetlacza LCD, potencjometru, diod LED, kilku przycisków i czujnika temperatury. Szybkie prototypowanie bardziej złożonych zastosowań umożliwia jednak przede wszystkim standardowy interfejs PICtail Plus firmy Microchip. W połączeniu z płytką rozszerzenia PICtail Plus Expansion Board dostępny jest szereg kart realizujących funkcje komunikacji bezprzewodowej i przewodowej, wyświetlaczy e-paper i kolorowych oraz czujników ruchu.
Interfejs ten został też zaimplementowany przez firmę w jej płytce Weather Shield. Karta ta zawiera czujnik wilgotności HTU21D I²C, przemysłowy barometr MS5637-02BA03, cyfrowy czujnik temperatury TSY01 oraz hybrydowy czujnik ciśnienia, wilgotności i temperatury (PHT) MS8607-02BA01. Do płytki dodano sterowniki poszczególnych czujników napisane w języku C, wraz z przykładowymi zastosowaniami. Kod umożliwia testowanie czujników i przesyłanie wyników do wyświetlacza LCD mikrokontrolera Explorer 16/32. W zestawie znajduje się także bardzo przejrzysta instrukcja z opisem montażu i objaśnieniem funkcji przykładowego kodu zastosowania.
W przypadku wielu czujników i modułów podłączenie do mikrokontrolera, w tym także za pośrednictwem skomplikowanych rozwiązań z Wi-Fi lub Ethernetem, wymaga tylko prostego interfejsu szeregowego, takiego jak SPI. Mimo to branża nigdy tak naprawdę nie uzgodniła jednolitego przypisania styków ani wymiarów obudowy, aby ustandaryzować rozwiązania prototypowania dostępne na rynku. Pewną zmianę podejścia w tym względzie może jednak zapowiadać przyjęcie standardu mikroBUS przez firmę Microchip i innych dostawców mikrokontrolerów, w tym NXP. Ten otwarty standard opracowany przez firmę MikroElektronika określa funkcje 16 styków interfejsu oraz wymiary płyty i jej opisy. Płyty firmy MikroElektronika oparte na tym standardzie znane są pod nazwą Click boards.
Wszystkie płytki mają szerokość 25,4 mm (1000 mils), a ich długość wynosi 28,6 mm/1125 mils (rozmiar mały), 42,9 mm/1690 mils (rozmiar średni) lub 57,15 mm/2250 mils (rozmiar duży). Oznacza to możliwość dobierania obszaru prototypowania lub powierzchni dostępnej na anteny lub złącza bez zmiany interfejsu. Standard ten obsługuje złącza SPI, UART i I²C, a także styki przeznaczone na sygnały analogowe i PWM, linię przerwania i styk resetowania. Określa także styki zasilania +5,0 V i +3,3 V.
Najnowsza płytka Explorer 16/32 zawiera także dwa zestawy złączy obsługujących płytki mikroBUS Click, zapewniając deweloperom jeszcze szerszy zakres opcji prototypowania z oferty firmy MikroElektronika. Gdyby to było za mało, dostępna jest również płytka PICtail Plus Expansion Board z dwoma dodatkowymi złączami.
Jedną z takich płytek jest Hall Current 2 Click - patrz rys. 2 - z czujnikiem hallotronowym ACS711 firmy Allegro Microsystems. Płytka ta mierzy prąd do +/-12 A przy napięciu stałym lub zmiennym do 100 V. To konkretne urządzenie wykorzystuje interfejs I²C do konfiguracji i pomiarów cyfrowych, a także styk analogowy stanowiący zastępcze wyjście. Dzięki wbudowanemu przetwornikowi analogowo-cyfrowemu (ADC), pomiar przekazywany jest do mikrokontrolera w postaci wartości 12-bitowej z czułością ustawioną na poziomie 110 mV/A. Zaimplementowane są także wyjście przerwania i wejście resetowania, które umożliwiają korzystanie z obwodu wykrywania zwarć czujnika ACS711. Jeśli zatem wystąpi przetężenie, mikrokontroler jest w stanie wykryć zwarcie i zresetować urządzenie.
Zastosowania płytek prototypowych nie ograniczają się do prostych zadań pomiarowych i komunikacyjnych. Takie płytki jak Grid-EYE click umożliwiają deweloperom korzystanie z termowizji [4] dzięki 64 wyjściom matrycy podczerwieni 8 x 8 Panasonic AMG8853. Czujnik ten jest w stanie mierzyć temperatury od -20 do +100°C z odległości 5 m. Jest też wyposażony w wewnętrzny termistor, eliminujący wpływ temperatury powietrza na wyniki pomiaru. Wyposażenie nawet 8-bitowych mikrokontrolerów w tę zaawansowaną funkcję termowizyjną nadal wymaga tylko prostego interfejsu I²C.
Na drugim końcu skali znajdują się takie urządzenia jak Raspberry Pi 3 Model B+ z 64-bitowym czterordzeniowym procesorem, kartą graficzną i obsługą wszystkich funkcji Linuksa, które stanowią bardzo atrakcyjną platformę prototypowania. Dzięki dostępności oprogramowania do dowolnych zastosowań, jakie można sobie wyobrazić, Raspberry Pi stanowi idealne rozwiązanie do testowania pomysłów i koncepcji na digitalizację zastosowań przemysłowych i współdziałanie z chmurą. W porównaniu z czysto sprzętowymi zaprogramowanymi płytkami rozwojowymi MCU Raspberry Pi zawiera jednak dość ograniczoną liczbę interfejsów. W 40-stykowym złączu znajduje się jeden interfejs I²C i SPI, wraz z 17-cyfrowymi we/wy. Ponadto biblioteka Python umożliwia korzystanie z cyfrowych styków w formie wyjść PWM (modulacja szerokości impulsów).
Chcąc skorzystać z tego interfejsu i ewentualnie uzyskać wejście analogowe, deweloperzy mogą wybrać jedną z wielu nakładek HAT, czyli płytek rozszerzenia podłączanych do złącza 40-stykowego. Jeśli np. układ ma sterować silnikami lub silnikami krokowymi, najlepszym rozwiązaniem będzie Adafruit DC and Stepper Motor HAT - patrz rys. 3. Płytka ta jest w stanie sterować dwoma jedno- lub dwubiegunowymi silnikami krokowymi lub czterema silnikami DC albo dowolną ich kombinacją.
Silniki zasilane są z ich własnego wejścia DC o napięciu od +5,0 do +12,0 V, podczas gdy pozostałe obwody mają napięcie stałe +3,3 V dostarczane przez Raspberry Pi. Oprócz dwóch wbudowanych sterowników silnika Toshiba TB6612FNG jest także sterownik NXP PCA9685 z 16 kanałami 12-bitowych sygnałów PWM, z których 12 jest wykorzystywanych do sterowania silnikiem pod kontrolą I²C. Pozostałe cztery poprowadzone są do złącza i mogą posłużyć do innych celów. Nakładki można łączyć w stos o wysokości 32 sztuk, aby sterować maksymalnie 64 silnikami krokowymi lub 128 silnikami DC.
Na zakończenie naszego przeglądu platform prototypowania chcielibyśmy przyjrzeć się jeszcze ofercie Arduino. Wykonane w standardowej architekturze pasującej zarówno do 8-, jak i 32-bitowych MCU płytki rozszerzenia są nazywane tarczami. Większość tarcz dostosowanych jest raczej do wymiarów wzoru Arduino UNO, a nie do wydłużonych modeli Arduino MEGA lub Due. Setki tarcz można znaleźć w ofercie zarówno samej firmy Arduino, jak i innych producentów, którzy konstruują je na podstawie standardowego projektu PCB.
Ostatnio firma Arduino wprowadziła na rynek węższe płytki o nazwie Arduino MKR przeznaczone do zastosowań bezprzewodowych Internetu Rzeczy (IoT). Nieco krótsze i mniej więcej o połowę węższe niż UNO płytki Arduino MKR również są obsługiwane przez różne nakładki. Deweloperzy, którym potrzebny jest np. most między magistralą CAN a chmurą, mogą rozbudować płytkę o Arduino MKR CAN Shield - patrz rys. 4. Sterowanie interfejsem CAN zawierającym układ MCP2512 Microchip odbywa się za pośrednictwem interfejsu SPI. Użyty został transceiver firmy NXP w postaci modelu TJA1049T/3. Na płytce znajduje się mały przełącznik umożliwiający włączenie lub wyłączenie rezystora podciągającego zależnie od ogólnej konfiguracji sieci.
W obliczu postępującej miniaturyzacji podzespołów elektronicznych testowanie urządzeń i tworzenie prototypów za pomocą urządzeń, których prawie nie da się już lutować, może wydawać się trudne. Powstają jednak standardy, które pozwalają do pewnego stopnia przezwyciężyć te problemy. Najważniejsze technologie, od łączności bezprzewodowej do przewodowej i od sterowania do pomiarów, można pozyskać w formie płytek z wyposażeniem zdatnych do integracji z rozmaitymi mikrokontrolerowymi płytkami rozwojowymi. Nawet jeśli wymiary nie pasują do siebie, obsługa widocznych i nadających się do lutowania złączy 0,1 cala pozwala nam wszystkim korzystać z takich płytek prototypowych.
Mark Patrick, Mouser Electronics
źródło: Mouser Electronics
