Mikrokontrolery i IoT - dobry zestaw startowy to dzisiaj podstawa

Dostępność i możliwości funkcjonalne zapewniane przez narzędzia projektowe dla mikrokontrolerów mają potencjalnie największy wpływ na rozwój tego sektora rynku. Płytka zawierająca mikrokontroler oraz inne specyficzne dla niej chipy, takie jak układ komunikacyjny, konwerter zasilający oraz czujniki, w praktyce stanowi większą część platformy sprzętowej dla popularnych aplikacji.

Projektant oszczędza mnóstwo czasu z jej użyciem, bo może pracę zacząć natychmiast, ponosi mniejsze ryzyko projektowe, opierając się na sprawdzonym rozwiązaniu oraz chroni się przed pomyłkami, które jak wiadomo zdarzają się wszystkim. Często zysk na czasie jest jeszcze większy, bo producent zestawu daje w komplecie oprogramowanie, biblioteki kluczowych procedur, stosy komunikacyjne lub narzędzia do konfiguracji.

W innym przypadku trzeba by je tworzyć samemu lub samemu implementować kod ogólnie dostępny, a to znowu oznacza czas i pieniądze oraz niepotrzebne ryzyko. Nawet jeśli zestaw startowy, płytka ewaluacyjna lub testowa nie są za darmo, to per saldo i tak praca z ich użyciem się opłaca, bo dzisiaj czas inżynierski jest kosztowny.

Zestawy projektowe są dzisiaj w centrum uwagi rynku mikrokontrolerów także dlatego, że ogólnie liczba nowości, technologii, które warto znać i stosować, szybko się zwiększa. Nie ma już chyba fachowców, którzy samodzielnie byliby w stanie zrealizować cały skomplikowany projekt. Nikt nie zna się na wszystkim, obowiązuje specjalizacja i dzielenie się zadaniami. Wykorzystanie zestawów jest elementem takiej wspólnej pracy.

Coraz więcej narzędzi projektowych

Rys. 1. Zestawienie rocznych wzrostów i spadków obrotów w okresie 2013-2015 dla krajowych dostawców mikrokontrolerów i narzędzi projektowych

Na skutek opisanych zjawisk w ostatnich trzech latach asortyment i dostępność w sieci sprzedaży płytek projektowych znacznie się polepszyła. Przełomem było pojawienie się komputera Raspberry Pi, ale dużo dobrego przyniosła wcześniej także platforma Arduino. One wielu biznesmenom otworzyły oczy.

Zestawy projektowe są też wdzięcznym materiałem do szkoleń i warsztatów, stając się bazą do tego, aby w ciągu jednego dnia przygotować przynajmniej szkielet aplikacji. Nierzadko uczestnicy szkoleń mogą zabrać ze sobą wykorzystywane zestawy po to, aby pracować na nich dalej. To, że inżynierowie są tym zainteresowani, widać po dużej frekwencji na szkoleniach.

Kolejny ważny trend zmieniający rynek mikrokontrolerów jest taki, że zestawy projektowe, nawet te darmowe lub oferowane za symboliczne sumy, mają całkiem spore możliwości. Producenci dotują takie konstrukcje, instalując tam kosztowne elementy, takie jak FPGA lub nowoczesne czujniki MEMS itp.

Działania te mają na celu popularyzację nowych technologii i sztandarowych produktów, bo wiadomo, że w handlu detalicznym (katalogowym) nie wszystko pojawia się od razu ani też nie dzieje się automatycznie. Tylko producent jest w stanie wypuścić na rynek zestaw ewaluacyjny równolegle z premierą nowego mikrokontrolera i taka możliwość jest wykorzystywana.

Nie da się ukryć, że w dzisiejszych czasach, gdy na rynku pojawia się miesięcznie grubo ponad setka nowych półprzewodników, dotarcie z informacją o nich i skłonienie inżynierów do testów nie jest zadaniem banalnym. Interesujący, pomysłowy i bogato wyposażony zestaw, zawierający mikrokontroler, układ komunikacyjny, czujniki, wyświetlacz, jest niczym magnes przyciągający uwagę.

Otrzymana za darmo płytka startowa nierzadko jest przyczyną zainteresowania daną architekturą studentów i pracowników biur projektowych, którzy później mogą podjąć decyzję o większym zaangażowaniu właśnie w tym, znanym już kierunku. Wiadomo, że grono projektantów jest inercyjne i zmiany w wykorzystywanych architekturach układów programowalnych nie są częste.

Miniaturyzacja i montaż SMT

Tabela 1. Przegląd ofert krajowych dostawców mikrokontrolerów i narzędzi projektowych

Ostatnią kwestią wpływającą na szybko rosnącą popularność zestawów projektowych jest miniaturyzacja. Wraz z rosnącym znaczeniem elektroniki konsumenckiej na rynku duża część wolumenu produkcyjnego producentów chipów trafia do urządzeń produkowanych masowo. Wytwórcy ograniczają więc liczbę dostępnych obudów, nierzadko wyłącznie do tych najmniejszych, jak BGA i QFN.

Jeszcze kilka lat temu były one zarezerwowane dla złożonych układów cyfrowych, takich które stanowią jądro systemu cyfrowego (procesor, układ graficzny, matryca programowalna), ale widać, że obecnie montowane są w nich także układy średniej skali integracji, na przykład kontrolery zasilaczy, wzmacniacze operacyjne, układy komunikacyjne.

Montaż płytki prototypowej wymaga skorzystania z procesu SMT, co nie zawsze jest możliwe, łatwe, tanie i szybkie. Dlatego płytka ewaluacyjna, nawet jeśli zawiera jedynie chip i złącze, jest dla konstruktora tak samo cenna, jak dekadę temu bezpłatne próbki przysyłane przez Maxima.

Miniaturyzacja i coraz większa złożoność projektów zmuszają też konstruktorów do sięgania po płytki wielowarstwowe. O ile płytkę dwuwarstwową można zlecić stosunkowo niedrogo i wykonać w parę dni, o tyle 4-warstwowa to już wyraźnie większy wydatek i dłuższy termin realizacji, bo nie każdy wytwórca PCB zajmuje się obwodami wielowarstwowymi.

Projektować aplikację razem z klientem

Rys. 2. Ankietowani specjaliści w większości ocenili warunki biznesowe na rynku w pierwszym kwartale jako dobre. Podobne odczucia towarzyszyły pytaniom o tendencje w koniunkturze

Skoro mikrokontroler jest centralną częścią prawie każdej aplikacji, wybór tego, a nie innego układu przez konstruktora staje się zagadnieniem kluczowym dla rynku dystrybucji. Wiele działań obliczonych jest na to, aby nie czekać na pytanie ofertowe, ale podejmować takie działania, aby jak najwięcej układów z listy BOM pochodziło z własnej oferty handlowej.

W praktyce oznacza to właśnie opisane wyżej mechanizmy, a więc prowadzenie szkoleń i warsztatów, przekazywanie próbek chipów i zestawów startowych, dokumentacji i konsultacje inżynierskie. Ukierunkowany szkoleniami konstruktor, wzbogacony o narzędzia, z większym prawdopodobieństwem zdecyduje się na proponowany chip w projekcie, a potem jego decyzja zaowocuje sprzedażą. Strategia tych działań jest jasna - ofertę trzeba prezentować klientom jak najwcześniej, najlepiej gdy rysują schemat.

Dostępność narzędzi projektowych oraz nowości ze świata mikrokontrolerów dostrzegli dystrybutorzy katalogowi. W ostatnich trzech latach wszystkie firmy tego typu znacznie rozbudowały swoje oferty, nawiązały współpracę z producentami narzędzi i zaczęły je intensywnie promować. To znak, że na mikrokontrolery patrzy się przez pryzmat narzędzi, a nie chipów.

Wersje specjalizowane pod aplikacje

Rys. 3. W strukturze obrotów osiąganych przez firmy ze sprzedaży mikrokontrolerów trudno wyróżnić jakąś dominującą grupę, bo rozkład na poszczególne kategorie wygląda na równomierny

Mówiąc ogólnie, mikrokontroler tym różni się od mikroprocesora, że jest w stanie funkcjonalnie pracować bez konieczności dołączania z zewnątrz dodatkowych obwodów peryferyjnych. Patrząc wstecz, nietrudno dostrzec, że wraz z każdą kolejną generacją i nową architekturą mikrokontrolery zawierają coraz więcej obwodów peryferyjnych oraz tracą swój ogólny charakter.

Wiele jednostek jest ukierunkowanych do pracy w określonych aplikacjach i zawiera zestaw obwodów peryferyjnych kompletny z punktu widzenia zastosowań aplikacyjnych. Przykładem mogą być układy z obwodami analogowymi przeznaczone do pracy w zasilaczach cyfrowych, jednostki z wbudowanym transceiverem do komunikacji bezprzewodowej lub też mikrokontrolery o bardzo niskim poborze mocy i z wysokorozdzielczym przetwornikiem A/C, a także blokiem obliczeniowym do kalkulacji zużycia mediów.

Wersje specjalizowane kierowane są także do motoryzacji, aplikacji przetwarzających sygnały (z funkcjami DSP i koprocesorem matematycznym), ze sterownikiem ekranu lub przyciskami dotykowymi, kontrolerem wyświetlacza i tak dalej. Wymagania rynku są takie, że z czasem będzie ich jeszcze więcej, bo zawsze rozwiązanie maksymalnie zintegrowane będzie w centrum uwagi, nie tylko z uwagi na cenę.

Silnie połączona z tematyką mikrokontrolerów jest komunikacja bezprzewodowa, co wynika z ekspansji aplikacji IoT oraz popularności połączeń tego typu w każdej dziedzinie techniki. Mikrokontrolery z wbudowanymi transceiverami przebijają się coraz częściej w aplikacjach, bo wiedza i doświadczenie projektantów jest znacznie bogatsze niż pięć-dziesięć lat temu, a producenci półprzewodników znacznie lepiej wspierają tych, którzy się decydują na taki krok.

Przy wykorzystaniu projektów referencyjnych, narzędzi i oprogramowania dostarczanego przez producentów ryzyko niepowodzenia jest minimalne, dlatego gdy tylko skala projektu wchodzi w zakres średnich serii, a produkt ma charakter konstrukcji zamkniętej, rozwiązania scalone jednoukładowe stają się konkurencją dla modułów komunikacyjnych.

Takie działanie jest też konsekwencją tego, że na rynku komunikacji bezprzewodowej jest zbyt wiele standardów i ciągle pojawiają się nowe. Inwestycja w konkretne rozwiązanie standardowe oznacza niestety większą komplikację i koszty, a wiele z projektów i aplikacji nie musi mieć takiej zgodności, bo stanowi system zamknięty lub własnościowy.

Moduły radiowe wbudowane w mikrokontrolery działają w bezpłatnych pasmach ISM i mają znakomite parametry. Pozwalają na pracę w różnych pasmach częstotliwości od 433 MHz do 2,4 GHz, mają możliwość pracy w systemie punkt-wielopunkt, umożliwiają ustawianie parametrów, oferują tryby oszczędzania energii. Wartość dodana do aplikacji związana z ich wykorzystaniem jest z pewnością istotna, zwłaszcza w komplecie z mikrokontrolerem.

Niski pobór mocy

Rys. 4. Udział sprzedaży mikrokontrolerów w obrotach dostawców. Dla 53% firm zawiera się on pomiędzy 11 a 35%

Rosnące znaczenie elektroniki mobilnej, sieci rozproszonych, komunikacji bezprzewodowej, a więc urządzeń zasilanych najczęściej z baterii, przekłada się na rynek mikrokontrolerów w tematyce niskiego poboru mocy. Aplikacje zużywające do swojego działania minimalną ilość energii są na topie i co chwila padają jakieś rekordy, np. w zakresie czasu pracy na jednym komplecie baterii.

Nowe technologie pozwalają na usypianie działania procesora i szybkie wybudzanie, automatyczne dopasowanie wydajności do realizowanych zadań, skalowanie napięcia zasilania i inne podobne techniki. Są układy z autonomicznie działającymi układami peryferyjnymi, które mogą samodzielnie wymieniać dane bez udziału procesora.

W zakresie niskiego poboru mocy producenci z pewnością nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa, wraz z kolejnymi rekordami można liczyć na wzrost popularności zasilania energią wolnodostępną (energy harvesting), przed którą widać wielki potencjał i która powinna być głównym źródłem zasilającym dla aplikacji elektroniki noszonej (wearables).

Ceny maleją

Rys. 5. Zestawienie kryteriów o charakterze technicznym o największym znaczeniu dla kupujących mikrokontrolery. Dla odniesienia podano też niską cenę, aby sprawdzić, na ile determinuje ona decyzję projektantów

Mikrokontrolery są coraz tańsze, co może niekoniecznie widać w cenach bezwzględnych, ale z pewnością daje się dostrzec pod względem stosunku ceny do możliwości (wydajność, pamięć, układy peryferyjne). Funkcjonalność, jaką dostaje się za symbolicznego dolara jest bardzo duża i niemożliwa do osiągnięcia w jakimkolwiek rozwiązaniu bazującym na elementach dyskretnych.

Wydajność i zasoby sprzętowe wielu mikrokontrolerów 32-bitowych dostępnych na rynku od firm, takich jak Microchip, Atmel, TI oraz oczywiście ARM, są na tyle imponujace, że można na nich zainstalować "duży" system operacyjny, jak Linux lub Android.

Projektanci przez cały czas szukają oszczędności na najdroższych układach stosowanych w modułach elektronicznych, stąd wynika prawdopodobnie zapotrzebowanie na tanie mikrokontrolery, które nie muszą być uniwersalne. To zapewne też przyczyna, dla której jednostki 8-bitowe cały czas znajdują chętnych, bo takiego mikrokontrolera opłaca się użyć nawet do prostych funkcji logicznych.

Kolejną odsłonę możliwości integracji i obniżki cen przynoszą układy SoC (system na krzemie) zawierające w jednym chipie praktycznie całą aplikację (procesor, pamięć, komunikację).