Zestawy ewaluacyjne, platformy i płytki do urządzeń mobilnych

Projektowanie elektroniki staje się coraz trudniejsze i kosztowne. Projektant musi znaleźć kompromis dla wielu przeciwstawnych zagadnień technicznych, zapewnić spełnienie norm i utrzymać koszty w dostępnym budżecie. To wszystko trzeba zapewnić w jak najkrótszym czasie, przez co swoboda konstrukcyjna jest dzisiaj znacznie mniejsza jak kiedyś. Czas życia układów, rozwiązań, technologii i standardów nieustannie się skraca, przez co w pracach projektowych stale trzeba sięgać po nowości. Nie ma zatem dzisiaj czasu na dogłębną analizę potencjału wszystkich technologii obecnych na rynku, bo tempo rozwoju całej elektroniki rośnie, tak samo jak komplikacja, a dodatkowo jest wiele rozwiązań równoważnych od strony technicznej i technologii podobnych do siebie. Stąd odpowiedź na pytanie, co wybrać, staje się coraz trudniejsza.

Zainteresowanie zestawami projektowymi to pochodna tego, że proces prototypowania staje się bardziej złożony. Miniaturyzacja wymusza użycie zaawansowanego procesu, w tym wysokojakościowych płytek drukowanych, montażu i podzespołów. Do tego dochodzi problem z dostępnością chipów. Generalnie nowe układy wytwarzane są w kilku rodzajach obudowy i nie zawsze ta pożądana może być dostępna w ramach próbek inżynierskich. Wraz z coraz większym znaczeniem elektroniki konsumenckiej na rynku, a więc faktem, że duża część wolumenu produkcyjnego producentów chipów trafia do urządzeń produkowanych masowo, wytwórcy ograniczają liczbę dostępnych obudów.

Ocena problemów z dostępnością komponentów i długim czasem dostaw

 

Długie czasy dostaw są problemem dla co drugiej firmy z tego zestawienia, kolejna co trzecia statystycznie firma także odczuwa problemy z alokacją dostaw, ale nie mają one większego wpływu na prowadzoną działalność. Co dziesiąta firma sygnalizuje, że wiele tygodni oczekiwania na dostawę komplikuje poważnie jej funkcjonowanie. Czyli nie ma jednej uniwersalnej reguły, pod którą podpadają wszyscy dostawcy oraz kategorie produktów. Niemniej większość firm odczuwa negatywnie warunki panujące dzisiaj na rynku. Pocieszające jest to, że w zakresie narzędzi projektowych sytuacja zilustrowana na wykresie i tak jest lepsza niż w innych grupach produktowych.

Aby nie trzeba było czekać na próbki i martwić się o wykonanie prototypu, producenci proponują zestawy startowe. Ich funkcjonalność jest różna i zależy głównie od tego, jakiego układu dotyczą, ale z roku na rok coraz więcej jest wersji zaawansowanych. Dzięki temu, że poza układem aplikacyjnym zostawia się w nich także miejsce na dodanie własnej specyficznej części warstwy sprzętowej, taka płytka jest już w pewnym sensie prototypem i pozwala na szybką weryfikację koncepcji układowej oraz testowanie oprogramowania. Dzięki zestawom deweloperskim prototypowanie jest tym, czym było dawniej, dlatego w praktyce każda premiera nowego istotnego układu powiązana jest z jakąś płytką.

Dla projektantów elektroniki zestawy projektowe mają dużą wartość, bo ograniczają ryzyko błędu i oszczędzają czas. W ten sposób płytka dostarczona przez producenta aspiruje do roli pierwszego prototypu, takiego, gdzie testuje się koncepcję lub sprawdza algorytmy. Oszczędność czasu bywa jeszcze większa, bo dzięki niej kilka etapów składających się na projektowanie można prowadzić równolegle, przede wszystkim pisać oprogramowanie i "szlifować" specyficzną dla aplikacji część hardware.

Wsparcie techniczne w formie "płytki"

Obecnie na rynku funkcjonuje bardzo dużo podobnych produktów i wiele z nich jest do siebie podobnych. Wybór optymalnego rozwiązania staje się niełatwy i czasochłonny, a przecież codziennym kłopotem współczesnego projektanta jest brak czasu. Stale zwiększa się liczba zagadnień technicznych i wymagań, o których trzeba pamiętać. W wyżyłowanych do granic projektach o powodzeniu decydują drobne szczegóły, a często wybiera się nie tyle komponent, co całe środowisko i architekturę, łącznie z oprogramowaniem narzędziowym, zestawami ewaluacyjnymi, a nawet próbkami.

Płytki startowe, zestawy ewaluacyjne, razem ze społecznością inżynierską na forach dyskusyjnych ograniczają zapotrzebowanie na wsparcie techniczne, dlatego producenci i dystrybutorzy wspierają takie działania i bardzo często prowadzą je dla społeczności, a ich specjaliści aktywnie odpowiadają na podające tam pytania. Wiele problemów aplikacyjnych jest wspólnych dla danego zastosowania, stąd jest duża szansa, że temat omówiony na forum okaże się przydatny dla kolejnego użytkownika i nie będzie wymagał kontaktu z inżynierami pomocy technicznej. Gotowa płytka eliminuje ponadto wiele trywialnych błędów projektowych niepowiązanych z tworzoną aplikacją lub też zwykłych pomyłek, które paradoksalnie potrafią być trudne do zauważenia.

Stopień specjalizacji dostawców w zakresie płytek i zestawów projektowych

 

Narzędzia projektowe, takie jak płytki startowe oraz oprogramowanie, nie tworzą wyraźnie wydzielonej grupy produktowej ani też nie są postrzegane jako grupa na tyle wartościowa, aby można było się w takich rozwiązaniach specjalizować. Niemniej 32% firm postrzega je jako istotne dla biznesu, np. wspierające sprzedaż innych komponentów. Znaczenie płytek ewaluacyjnych cały czas rośnie, bo produkty te zapewniają ogromną oszczędność czasu spędzanego nad projektem.

Duża szybkość projektowania i małe ryzyko

W warunkach polskich zjawisko, aby możliwie jak najwięcej robić we własnym zakresie, zawsze było wyraźnie zarysowane. Teraz, przy rosnących kosztach pracy, dużej konkurencji oraz presji rynku na szybkość, odchodzi ono w przeszłość. Podejście to zmienia się też z każdym kolejnym pokoleniem inżynierów pojawiającym się na rynku.

Bardzo szeroki asortyment komponentów powoduje, że trudniej jest poznać szczegóły poszczególnych rozwiązań. Decyzje strategiczne na temat inwestycji w konkretną architekturę, producenta lub rozwiązanie wypracowywane są w ramach długiej analizy, a przekonanie konstruktora wymaga wysiłku, czasu i cierpliwości. Rzeczywisty układ elektroniczny przemawia do inżynierów znacznie silniej niż prezentacja, dlatego zestawy deweloperskie w ostatnich latach stały się orężem w walce o uwagę i zainteresowanie kadry inżynierskiej. Jest to ważny element marketingu technicznego.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert

 

Najważniejsze kryterium selekcji produktu w obszarze narzędzi projektowych to łatwość rozpoczęcia pracy i korzystania z danego narzędzia lub zestawu. Jest to efekt widocznego na rynku dużego tempa wydarzeń i pracy, które zabierają inżynierom wiele czasu. Na kolejnych dwóch miejscach znalazły się duże możliwości projektowe oraz to, aby były one dostępne w ramach jednego spójnego środowiska, najlepiej takiego wypróbowanego już wcześniej podczas realizacji innych projektów. Niska cena uplasowała się bardzo nisko, dowodzi to, że koszt narzędzi projektowych nie determinuje wyboru produktu, podobnie zresztą jak popularność w środowisku inżynierskim. Jest to trochę zaskakujące, ale tak wyszło w naszych ankietach.

Zestawy łagodzą dolegliwości z dostępnością

O trudnościach z kupnem podzespołów można pisać bez końca, bo nadal na wiele typów elementów elektronicznych trzeba czekać kilkadziesiąt tygodni. Niestety czas alokacji trwa już ponad rok, a skutki dotykają wszystkich. W wielu przypadkach kupowanie podzespołów elektronicznych zmieniło się w ostatnich miesiącach w zdobywanie, a to oznacza wiele dodatkowych problemów, nie tylko związanych z opóźnieniami. W takiej sytuacji zestaw startowy jest w stanie je złagodzić, gdyż jest dostępny jako komplet i z definicji nie jest kupowany przez działy zakupowe do produkcji. Innymi słowy, nie ma problemu z tym, że ktoś wykupi wszystkie dostępne i dzięki temu przynajmniej prace konstrukcyjne mogą być realizowane normalnie.

Braki oznaczają coraz wyższe koszty komponentów. W takiej sytuacji umiarkowane ceny płytek rozwojowych też są pomocą. Koszty zestawów są z reguły mniejsze niż wartość wchodzących w ich skład elementów liczonych po cenach detalicznych – widać to najbardziej w takich wersjach z drogimi chipami (np. FPGA).

Oprogramowanie - większe zainteresowanie możliwościami, a mniejsze ceną

Nieodłączną częścią platform sprzętowych jest oprogramowanie, które dzisiaj stanowi nierozerwalną część wszystkich systemów komputerowych determinującą funkcjonalność. Tworzenie kodu firmware wymaga posiadania kompilatora języka C/ C++ plus szeregu programów narzędziowych pozwalających na symulację i debugowanie programów, wgrywanie i debugowanie. Bardziej złożone systemy wymagają obecności systemu operacyjnego, systemu czasu rzeczywistego lub stosu do realizacji komunikacji. Coraz częściej projektanci wykorzystują zintegrowane środowiska projektowe zawierające komplet potrzebnych programów połączonych ze sobą w jeden zunifikowany system (IDE – Integrated Design Environment). Są one przeznaczone zwykle do obsługi całej rodziny procesorów o wspólnej architekturze i dostępne u producentów chipów (Microchip MPLAB itd.) oraz w firmach niezależnych, np. Keil. Z uwagi na ogromną popularność procesorów z rdzeniem ARM coraz większe znaczenie na rynku mają właśnie środowiska IDE dla tych chipów. Stąd też konkurencja w zakresie oprogramowania narzędziowego wydaje się największa właśnie w zakresie IDE dla ARM, bo jest to produkt uniwersalny i wykraczający poza jedną firmę i producenta.

Ogólnie, rynek oprogramowania projektowego postrzegany jest jako bardzo rozwojowy z uwagi na rosnące zainteresowanie klientów, stały wzrost skomplikowania, miniaturyzację i wiele innych ogólnych trendów w elektronice. Mimo że mamy coraz więcej dostępnych darmowych narzędzi, bibliotek, rynek uznaje się za nienasycony, a stopień konkurencji nie jest duży. Zmiany idą w takim kierunku, aby najważniejszym problemem do rozwiązania był pomysł na aplikację, a nie budowa układu elektronicznego lub pisanie kodu.

Główne zjawiska pozytywne dla rynku

 

Sprzedaż oraz popularność narzędzi projektowych stymulują ich możliwości projektowe i dobra dostępność. Nowe produkty bazujące na innowacyjnych chipach pozwalają na łatwe przetestowanie koncepcji układowej lub możliwości zastosowania i za tę możliwość są cenione. Za czynnik sprzyjający uznano także szeroki asortyment dostępnych produktów oraz to, że często narzędzia są dotowane przez producentów, którzy traktują je jako element marketingu oraz sposób transferu wiedzy do klientów. Zestawy projektowe ograniczają też ryzyko błędu, bo dają do ręki projektantowi układ, który działa i może być w dalszym kroku adaptowany do specyficznej architektury lub rozwiązania.

Aplikacje low-code - czy się przyjmą?

Wiele aplikacji mobilnych nastawionych jest z definicji na współpracę ze smartfonem. Z użyciem Bluetooth lub Wi-Fi umożliwiają one programowanie, wizualizację staniu, sterowanie i podobne udogodnienia w powiązaniu z odpowiednią aplikacją. Jej przygotowanie obecnie jest też coraz łatwiejsze i dostępne dla mniej zaawansowanych użytkowników, dzięki narzędziom ograniczającym szczegółowość programowania (low-code) lub nawet eliminujących taką potrzebę (no-code). W tym drugim przypadku tworzy się ją za pomocą wyspecjalizowanego kreatora, komponując z bloków funkcjonalnych. Z punktu widzenia platform IoT dostępność takich narzędzi online jest cenna, bo jeszcze bardziej ułatwia i przyspiesza realizację projektów.

Rola platform open source takich jak arduino i raspberry pie

Arduino i Raspberry Pi coraz bardziej nadają się do zastosowań półprofesjonalnych. Nowe płytki z 32-bitowymi układami mają naprawdę niezłe możliwości i spore zasoby, aby przechodzić koło nich obojętnie. Coraz więcej producentów mikrokontrolerów wspiera mniej lub bardziej rozwój Arduino. Nawet jeśli nie po to, aby zapewnić sobie większą sprzedaż chipów, to może zapewne dlatego, aby promować je w środowisku inżynierskim i tym samym mieć w nich element marketingowy. Zestawy te bezsprzecznie edukują rynek, pokazują, że można szybko osiągnąć cel na bazie dorobku społeczności.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

W rozwoju rynku przeszkadzają przede wszystkim długie czasy dostaw ograniczające możliwość efektywnego prowadzenia dystrybucji. Jak zwykle problemem jest mocno konkurencyjny rynek, niemniej trzeba odnotować, że wpływ importu indywidualnego z użyciem platform takich jak Aliexpress został ograniczony. Do niedawna można było tam kupować bez płacenia podatków i z darmową wysyłką (dotowaną), co psuło relacje z normalnymi firmami. Teraz to się wyrównało i na tapecie został jedynie problem jakości/podróbek i kiepskich zamienników. Dotyczy to przede wszystkim tanich płytek ewaluacyjnych, zwłaszcza tych standardowych o podstawowych możliwościach lub też bardzo popularnych i bazujących na otwartej architekturze – przykładem może być Arduino.

Płytki chińskie - tanie niemniej często kiepskie

Popularne rozwiązania sprzętowe do projektowania i platformy open source, w tym programatory, interfejsy, moduły komunikacyjne Arduino, ESP, zestawy startowe dla popularnych mikrokontrolerów i dziesiątki innych układów tego typu są wytwarzane przez firmy chińskie i sprzedawane przez tamtejsze sklepy.

W zakresie rozwiązań otwartych ich ceny są konkurencyjne, bo tamtejsze firmy dość swobodnie podchodzą do praw autorskich i sporo płytek jest po prostu podróbkami. Oznacza to, że dystrybucja narzędzi projektowych jest od strony biznesowej trudna z uwagi na konkurencję ze strony prywatnych importerów, którzy sprzedaż realizują najczęściej przez portale aukcyjne i sklepy internetowe.

Równowagę zapewnia jedynie to, że rozwój rynku w zakresie płytek rozwojowych jest na tyle szybki, że starsze rozwiązania szybko wypadają na margines. Czas życia układów, rozwiązań, technologii i standardów nieustannie się skraca, przez co w pracach projektowych nierzadko trzeba sięgać po to, co dopiero wejdzie na rynek lub właśnie się pojawiło.

Istotne znaczenie na rynku płytek projektowych mają

 

Najpopularniejsze zestawy projektowe z reguły dotyczą rozwiązań komunikacyjnych, w tym mikrokontrolerów z modułem komunikacyjnym lub lokalizacyjnym. One stanowią bazę do projektowania aplikacji IoT, inteligentnych rozwiązań obsługiwanych z poziomu smartfona lub podłączanych do chmury/Internetu. Silną pozycję na rynku tworzą ponadto rodziny produktów związanych z Raspberry Pi oraz Arduino.

Komunikacja bezprzewodowa i IoT

Ważną częścią narzędzi i zestawów projektowych są te powiązane z komunikacją bezprzewodową. Zapewnienie bezobsługowości obsługi, możliwości aktualizacji oprogramowania drogą radiową, monitorowania stanu, diagnozowania działania, wysyłania danych do chmury jest główną funkcjonalnością wielu innowacji i sensem bytu IoT.

Nietrudno dostrzec, że w obszarze IoT mamy do dyspozycji coraz bardziej uniwersalne, zaawansowane platformy sprzętowe, które wymagają jedynie konfiguracji, niewielkiej integracji (obudowa, zasilanie, podłączenie czujnika) i tym samym wysiłek projektanta kieruje się w stronę aplikacyjną, integracyjną oraz związaną z analityką danych.

Wraz z postępującym znaczeniem aplikacji IoT, technologii mobilnych na rynku jest coraz więcej rozwiązań, które nadają się do realizacji aplikacji z tego obszaru praktycznie bez konieczności dodawania czegokolwiek z zewnątrz. Nierzadko platforma dostępna w postaci płytki ma na tyle uniwersalne właściwości, że wymaga jedynie wgrania oprogramowania.

Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie oprogramowania projektowego

 

Zdecydowanie ponad wszystkie inne kryteria na czoło wybijają się duże możliwości projektowe, cała reszta, taka jak cena, dostępność aktualizacji, wsparcie techniczne jest na dalszych pozycjach. Czyli w oprogramowaniu inżynierowie oczekują możliwości i potencjału i są w stanie ponieść związane z tym koszty. Można też powiedzieć, że na rynku liczy się najlepszy stosunek możliwości projektowych do ceny, z tym że dawniej kupujący najpierw patrzyli na cenę, a potem analizowali możliwości, a teraz jest odwrotnie.

Mikrokontrolery są kluczowym komponentem zestawów

Ogromna część rynku narzędzi projektowych jest nierozerwalnie związana z mikrokontrolerami, gdyż oparcie funkcjonalności urządzenia na elementach programowalnych daje konstruktorom największą elastyczność i bezpieczeństwo pracy. Projekty elektroniki są coraz bardziej złożone, czas, jaki można poświęcić na ich realizację, stale maleje, dlatego rozwiązania, które dają możliwość wygodnego poprawiania nieuchronnych błędów, są w naturalny sposób preferowane. Im więcej oprogramowania, więcej funkcji realizowanych w czasie rzeczywistym, im większa szybkość działania i liczne operacje na znacznych ilościach danych, tym znaczenie posiadania przez zespół dobrych i wydajnych narzędzi projektowych staje się coraz ważniejszym czynnikiem w pracy projektowej. Silny rozwój rynku mikrokontrolerów sprzyja zatem w największym stopniu popularyzacji rozwiązań i technologii z nimi związanych i jest silnym impulsem rozwojowym dla rynku narzędzi.

Oprogramowanie projektowe zawsze jest poszukiwane

Im bardziej złożona elektronika, tym większe wymagania i potrzeba posiadania zaawansowanego oprogramowania projektowego EDA/ CAD. Z każdym kolejnym rokiem i nową wersją funkcjonalność się zwiększa i obejmuje coraz więcej zagadnień i etapów. Tendencje są takie, aby projektowanie nie kończyło się w momencie przygotowania schematu i zaprojektowania płytki, ale objęło też wirtualne przygotowanie prototypu i poddanie go symulacji. Podstawą do tych zmian jest rozbudowa części wizualizacyjnej i symulacyjnej pakietów oprogramowania EDA oraz szybki rozwój osobnych, specjalizowanych pakietów oraz modułów oprogramowania przeznaczonych do symulacji: elektromagnetycznych, termicznych, integralności sygnałowej i innych. Środowisko projektowe zapewnia obecnie wizualizację płytki w trzech wymiarach, projektowanie mechaniczne obudowy i rozwiązań połączeniowych z możliwością złożenia całości ze sobą (płytki, obudowy, wiązki).

Ważne i poszukiwane funkcjonalności w oprogramowaniu projektowym

 

Różnice pomiędzy poszukiwanymi funkcjami w oprogramowaniu projektowym nie są duże i w zasadzie można powiedzieć, że wszystko jest istotne, a więc łatwość korzystania, duże możliwości projektowe, dostępność narzędzia jako zintegrowane środowisko "wszystko w jednym pakiecie", popularne i uniwersalne.

Liczba narzędzi symulacyjnych szybko rośnie i patrząc na to, co dzieje się na rynku, należy oczekiwać, że tempo to jeszcze bardziej wzrośnie w kolejnej dekadzie. Wiele firm znanych z rynku EDA/ CAM kupuje mniejszych graczy po to, aby włączać do swoich pakietów ich oprogramowanie jako moduły funkcjonalne, które dokupuje się za pomocą licencji lub abonamentu. Rozwój symulatorów i zaawansowanych pakietów przyspieszył wraz z popularyzacją przetwarzania danych w chmurze (cloud computing), gdyż umożliwi to uzyskanie dużej mocy obliczeniowej niezbędnej do szybkich obliczeń złożonych matematycznie zagadnień.

Rozwój oprogramowania symulacyjnego przyspieszył w ostatnich latach, bo okazało się, że symulacje pozwalają przygotować projekt szybciej i taniej niż tradycyjnie było to realizowane przez szereg kolejnych iteracji z doskonaleniem prototypów. Najbardziej znaczący postęp dotyczy zapewne kompatybilności elektromagnetycznej i symulacji cieplnych (rozkładu temperatury, chłodzenia na poziomie systemu). W tych dziedzinach symulacja przynosi bardzo spektakularne efekty. Rozwijają się też zagadnienia łączenia symulacji z rzeczywistymi pomiarami i modelowanie fragmentu sprzętowego jeszcze niedostępnego (m.in. HIL, hardware in the loop).