Narzędzia i zestawy startowe dla mikrokontrolerów, oprogramowanie EDA

Ostatnia dekada przyniosła ogromną ekspansję mikrokontrolerów, które stały się centralną jednostką i najważniejszym podzespołem dla wielu aplikacji. Ten wzrost popularności układy te zawdzięczają znakomitym parametrom, jak wydajność, energooszczędność, które dostępne są razem z bogatymi układami peryferyjnymi za niewielkie sumy. Zainteresowanie narzędziami, oprogramowaniem, płytkami startowymi i ogólnie zestawami deweloperskimi wynika też z tego, że proces prototypowania staje się niestety znacznie bardziej złożony.

Przyczyna leży w dominacji montażu SMT w produkcji elektroniki i tego, że domyślną obudową dla wielu złożonych podzespołów elektronicznych są wersje bezwyprowadzeniowe. Takie elementy wymagają do montażu użycia normalnych urządzeń składających się na proces SMT, a więc nadruku pasty, ułożenia elementu i lutowania w piecu. Konieczna jest też normalna płytka drukowana z soldermaską i pokrytymi polami lutowniczymi.

Taką płytkę można bez problemu zamówić, to samo dotyczy usługi montażu prototypu, niemniej nie od razu. Usługi ekspresowe są kosztowne i nie zawsze dostępne, przez co konstruktor musi się zmierzyć z problemem, czy warto inwestować w prototypowanie. Do tego dochodzi problem z dostępnością chipów. Generalnie nowe układy wytwarzane są w kilku rodzajach obudowy i nie zawsze ta, na której nam zależy, może być dostępna w postaci próbek inżynierskich.

Obroty dostawców oprogramowania projektowego

Obroty dostawców narzędzi projektowych i oprogramowania EDA (po lewej) nie dają jasnych wniosków na temat dominującej grupy lub statystycznie średniej sprzedaży. Największa grupa 38% firm ma sprzedaż między 0,5 a 5 mln zł, co pozwala sądzić, że już daje się w oparciu o tę tematykę zbudować specjalizację firmy. Przekonują o tym też dane na drugim wykresie (po prawej), gdzie pokazano, jaką część sprzedaży firmy przynoszą narzędzia i oprogramowanie. Jak widać, dla połowy firm jest to drobny dodatek (do 10% obrotów) albo (dla 38%) specjalizacja przynosząca minimum połowę sprzedaży. To w Polsce normalne, bo mimo dość szerokiego ujęcia tematyki narzędzi projektowych, nasz rynek jest stosunkowo niewielki, a same produkty niekiedy na tyle specjalistyczne, że potencjalnych klientów nierzadko liczy się na palcach.

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. Nawet jeśli jest ich kilka, to nie należy oczekiwać, że na liście znajdą się wersje inne niż SMT.

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. W najprostszym przypadku płytka daje dostęp do wyprowadzeń, często zawiera także obwody zasilania, złącza i niezbędne elementy zewnętrzne, w wersji maksimum zestaw startowy zawiera podstawowy układ aplikacyjny i pole umożliwiające dodanie własnej specyficznej części warstwy sprzętowej.

Przegląd ofert krajowych dostawców narzędzi, zestawów startowych dla mikrokontrolerów i oprogramowania EDA

Bezsprzecznie taka płytka jest w pewnym sensie już prototypem i pozwala na szybką weryfikację koncepcji układowej, testowanie oprogramowania. Dzięki zestawom deweloperskim prototypowanie jest tym, czym było dawniej, dlatego w praktyce każda premiera nowego układu (takiego istotnego) powiązana jest z wydaniem płytki. Przygotowuje ją producent albo dystrybutorzy lub partnerzy, niemniej dla klienta nie ma to znaczenia, kto jest autorem konstrukcji.

PROJEKTOWANIE ELEKTRONIKI TO DZISIAJ WYZWANIE

Projektowanie elektroniki staje się kosztowne i coraz trudniejsze. Projektant musi znaleźć kompromis dla wielu przeciwstawnych zagadnień technicznych i utrzymać koszt w założonym budżecie. Do tego dochodzą badania, certyfikaty i konieczność spełnienia norm. A wszystko to trzeba zapewnić w krótkim czasie, przez co swoboda konstrukcyjna jest dzisiaj znacznie mniejsza niż kiedyś. Obecnie liczy się bliska współpraca z dystrybutorem lub producentem zapewniająca transfer wiedzy oraz rozwiązania, które ograniczają ryzyko pomyłki, wybrania produktów lub technologii nieoptymalnych lub nieperspektywicznych.

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. Czas, jaki zostaje na analizę potencjału danych technologii, jest już mały i nie należy oczekiwać, że w przyszłości będzie lepiej, bo tempo rozwoju całej elektroniki rośnie, a dodatkowo na rynku jest wiele rozwiązań równoważnych od strony technicznej i technologii podobnych do siebie.

Główni odbiorcy oprogramowania i narzędzi projektowych

Główni odbiorcy to producenci elektroniki profesjonalnej, a więc firmy wytwarzające specjalistyczne i niszowe aplikacje z dużym wkładem myśli inżynierskiej. Ale niewiele słabiej oceniono uczelnie wyższe i placówki badawcze, które jak wynika z ankiet, są ważnym i liczącym się na rynku odbiorcą narzędzi i programów. Na dole wykresu uplasowało się wojsko, co na pierwszy rzut oka może wydawać się zaskakujące, niemniej chodzi o to, że instytuty wojskowe i ośrodki mogą być kwalifikowane w drugiej pozycji, a dodatkowo w tym przypadku na rzecz wojska pracują zwykle firmy zewnętrzne, także uwzględnione wcześniej.

To, na co warto postawić, nierzadko determinują dostępne narzędzia, oprogramowanie i platformy referencyjne. Bo skoro różnice po stronie technicznej rozwiązań są minimalne, a z punktu widzenia aplikacyjnego nierzadko są one nieznaczące, to kryteria wyboru danego rozwiązania przenoszą się w obszar wsparcia pracy projektanta. Dlatego im większe są oczekiwania w zakresie projektu i jego skomplikowanie, im mniej jest czasu na wprowadzenie produktu na rynek, tym znaczenie tego, jakie mamy narzędzia, platformy ewaluacyjne i oprogramowanie, jest większe.

KONSOLIDACJE WPŁYWAJĄ NA RYNEK

Ostatnie lata na rynku elektroniki to czas konsolidacji biznesu, w ramach których miało miejsce wiele przejęć firm produkujących komponenty elektroniczne. Ogólnie procesy te prowadzą do tego, że firmy stają się coraz większe, przez co duzi producenci półprzewodników o szerokiej ofercie są w stanie dostarczyć znakomitą większość podzespołów, w tym mikrokontroler, układy analogowe takie jak przetworniki i wzmacniacze, konwertery zasilające, tranzystory mocy, układy cyfrowe i specyficzne sterowniki (silników, wyświetlaczy).

Konsolidacje biznesu prowadzące do powstawania coraz większych firm zwiększają możliwości w zakresie wsparcia technicznego udzielanego konstruktorom, bo z reguły duża firma ma większe możliwości finansowe i organizacyjne. Oznacza to, że stać je na przekazanie konstruktorom oprogramowania za darmo oraz na znaczące dotowanie zestawów projektowych, przez co nierzadko są one tańsze niż sam chip, na którym bazują.

Zestawy projektowe, starter kity i inne "płytki" stały się tym samym narzędziem marketingu technicznego. Niska cena, często możliwość dostania za darmo wartościowego zestawu od dystrybutora jako próbki, liczne akcje zniżkowe kierowane do uczestników seminariów technicznych i szkoleń są tak naprawdę promocją rozwiązań technicznych i zachętą do tego, aby przekonać się samodzielnie, czy dany komponent się sprawdzi.

Jest to też silny magnes, aby przyciągnąć na spotkanie wielu gości. Nawet jeśli 80% przekazanych w ramach prezentu zestawów trafi na półkę, ta niewielka reszta nadal ma szansę kogoś przekonać. W dzisiejszych czasach decyzje strategiczne na temat inwestycji w konkretną architekturę mikrokontrolerów wypracowywane są w długim czasie, stąd przekonanie konstruktora wymaga wysiłku.

Inżynierowie są z reguły praktykami i rzeczywisty działający zmontowany układ nierzadko przemawia do nich znacznie silniej niż najlepsza prezentacja w formie slajdów. Dlatego zestawy deweloperskie w ostatnich latach stały się silnym orężem w walce o uwagę i zainteresowanie kadry inżynierskiej.

NARZĘDZIA DARMOWE CZY KOMERCYJNE?

Cechą charakterystyczną rynku narzędzi dla mikrokontrolerów, procesorów DSP i układów programowalnych jest duża liczba pozycji darmowych, zarówno jeśli chodzi o platformę sprzętową, jak i oprogramowanie. Pozycje takie tworzą jeden biegun dla rynku, a drugi stanowią zaawansowane wersje komercyjne, relatywnie drogie. Dyskusja, czy lepsze są narzędzia komercyjne, czy też te dostarczane przez producentów gratis lub open source, nie może i pewnie nigdy nie będzie miała rozstrzygnięcia, bo wszystko zależy od konkretnego przypadku: czasu, jakim się dysponuje, ryzyka, jakie jest się w stanie ponieść, skali planowanej produkcji oraz posiadanego doświadczenia i wiedzy.

Na pewno wiele prostych projektów z powodzeniem daje się zrealizować za pomocą bezpłatnych środowisk programistycznych oraz dotowanych zestawów projektowych, bo mają one wystarczające możliwości. Projektanci, którzy tworzą aplikacje profesjonalne, takie, gdzie jakość i niezawodność potwierdzane są badaniami i certyfikatami, duże zespoły projektowe i biura inżynierskie, dla których projekty są główną działalnością, nierzadko preferują dopracowane produkty komercyjne. Im skala działania jest większa, tym koszt narzędzi w przeliczeniu na sztukę jest mniejszy, co sprzyja narzędziom komercyjnym. Niemniej czynników wyboru jest naprawdę wiele.

Ceny narzędzi projektowych

Zdaniem co drugiego ankietowanego dostępne narzędzia projektowe są drogie, ale za to wydajne i uniwersalne, czyli ich wysoka cena odpowiada wysokim możliwościom projektowym. Nieco mniejsza grupa (43%), ale nadal spora, jest zadania, że narzędzia mają dobrze zbalansowane możliwości oraz ceny. Oznacza to, że rynek ma dwa wyraźnie zarysowane bieguny. Jeden tworzą narzędzia darmowe od producentów i open source’owe, drugi to zaawansowane produkty komercyjne. Duże możliwości projektowe darmowych narzędzi wypychają z rynku mierne wyroby, o ograniczonych możliwościach.

Patrząc na te procesy w perspektywie lat, można powiedzieć, że koszt pracy inżynierskiej stale rośnie, na dodatek dobrych projektantów elektroniki zawsze brakuje, zwłaszcza w zakresie układów analogowych. Wydajne narzędzia, które są w stanie przyspieszyć projektowanie, ograniczyć liczbę wykonywanych prototypów i takie, które pozwalają zrobić więcej przy mniejszych zasobach kadrowych, zawsze będą poszukiwane i pewnie z czasem nawet bardziej niż dzisiaj.

Firmy decydują się na płatne oprogramowanie także wówczas, gdy chcą korzystać ze wsparcia technicznego, potrzebują gotowych bibliotek na przykład obsługujących zaawansowane układy peryferyjne, korzystają z systemów operacyjnych, realizują złożone systemy, do tworzenia których przydają się dostępne w płatnych pakietach funkcje optymalizacyjne i analityczne.

TENDENCJE W OPROGRAMOWANIU EDA

Opisane powyżej ograniczenia związane z rosnącymi kosztami projektowania silnie oddziałują na rynek oprogramowania projektowego. Tendencje są takie, aby projektowanie nie kończyło się w momencie przygotowania schematu i zaprojektowania płytki, ale objęło też wirtualne przygotowanie prototypu i poddanie go badaniom.

Fizyczne przygotowanie prototypu przesuwa się tym samym w czasie do momentu, gdy nadchodzi konieczność wykonania badań certyfikacyjnych w laboratorium. Podstawą do tych zmian jest rozbudowa części wizualizacyjnej i symulacyjnej pakietów oprogramowania EDA oraz szybki rozwój osobnych, specjalizowanych pakietów oprogramowania przeznaczonych do symulacji.

Wizualizacja to oczywiście prezentacje trójwymiarowe płytek drukowanych z komponentami, projektowanie mechaniczne obudów i rozwiązań montażowych z możliwością złożenia całości ze sobą (płytki i obudowy). Nowoczesne oprogramowanie EDA pozwala traktować obudowę i elementy mechaniczne podobnie jak podzespoły elektroniczne i dzięki temu wydaje się, że już niedługo typowy koszmar konstruktora, któremu wykonana płytka nie pasuje do obudowy, przestanie spędzać sen z oczu.

Symulacje zawsze były częścią oprogramowania inżynierskiego, ale z reguły dotyczyły płytki i mozaiki połączeń po to, aby była zachowana integralność sygnałów, aby emisja elektromagnetyczna była ograniczana przez projekt, a ciepło właściwie rozpraszane. Te zagadnienia rozszerzane są obecnie na całe urządzenie.

Możliwości, jakie kryją się w zakresie symulacji, są ogromne, bo dzisiaj bez problemu można uzyskać dużą moc obliczeniową niezbędną do szybkich obliczeń bardzo złożonych matematycznie zagadnień. Mamy przetwarzanie w chmurze obliczeniowej, farmy serwerów, które można wynająć i zlecić obliczenia. Pecety też są znacznie bardziej wydajne, co nierzadko daje spore możliwości symulacyjne zwykłym komputerom biurowym.

Potencjał poszczególnych grup narzędzi

Zestawienie, które typy narzędzi cieszą się największym powodzeniem i stanowią główny nurt rynku, zdominowały wyraźnie płytki ewaluacyjne i starter kity, a więc produkty specjalizowane, dostarczane często przez dystrybutorów podzespołów. Druga pozycja przypadła wszystkim produktom, które można dostać bezpłatnie: od dystrybutora, w ramach upominku za obecność na warsztatach lub seminarium itp. Znaczy to, że w realiach krajowej elektroniki sięga się po produkty komercyjne dopiero wówczas, gdy te darmowe przestają wystarczać.

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, która potrafi zaskoczyć niemile nawet doświadczonych projektantów. W tej dziedzinie symulacja przynosi bardzo spektakularne efekty.

Współczesne oprogramowanie symulacyjne pozwala też na łączenie symulacji z rzeczywistymi pomiarami. Współczesne narzędzia do projektowania układów mikrofalowych lub elektronicznych pozwalają dołączyć funkcje odczytujące rzeczywiste wartości z urządzeń pomiarowych. Co więcej, możliwe jest także integrowanie zaimplementowanych algorytmów DSP, np. z LabVIEW lub Matlab, w środowisku do symulacji układów elektronicznych.

IOT I KOMUNIKACJA BEZPRZEWODOWA

Spora część narzędzi i zestawów projektowych przeznaczona jest do aplikacji IoT i komunikacji bezprzewodowej. Ten segment rynku rozwija się dynamicznie, bo w pewnym stopniu jest on specyficzny. Komunikacja bezprzewodowa wymaga zapewnienia zgodności z wymaganiami prawnymi, nierzadko obsługi protokołów. Do tego dochodzą zaawansowane technologie oszczędzania energii, wyłączania bloków, użycia specyficznych modulacji, kodowania danych.

W przypadku komunikacji przez sieć komórkową lub inną sieć o charakterze publicznym trzeba spełnić wymagania techniczne operatora lub dostawcy infrastruktury sieciowej. Komplikacja zagadnień technicznych stojących przed projektantami w tym obszarze jest znacznie większa.

Co się liczy dla klientów przy wyborze produktu?

W zestawieniu najważniejszych kryteriów ofert handlowych decydujących o wyborze produktów warto zauważyć, że na pierwszym miejscu nie wypadła cena, ale możliwości projektowe, jakie ma dane narzędzie. Nie jest to pomyłka ani błąd statystyczny. Wiele firm z tego zestawienia współpracuje z producentami niezależnymi od wytwórców układów scalonych i dystrybutorów komponentów, a więc od tej części rynku, która jest związana z tanimi dotowanymi narzędziami. W tym obszarze ważniejsze są możliwości, uniwersalność oraz wsparcie ze strony dostawcy, a nie cena.

Problemy pogłębia to, że wiele aplikacji IoT to maleństwa o wysokiej skali integracji, wymagające posiadania zaawansowanego parku maszynowego po stronie produkcji. Zapanowanie nad projektem bez wsparcia się nowoczesnym oprogramowaniem i platformami sprzętowymi jest w zasadzie niemożliwe, stąd dostępność rozbudowanych zestawów, narzędzi i oprogramowania staje się dzisiaj często wręcz kluczowa.

W obszarze IoT potrzeba posiadania i pracy w oparciu o oprogramowanie i platformy rozwojowe jest bardzo wyraźnie zarysowana. Wiele modułów komunikacyjnych to złożone konstrukcje zawierające procesor aplikacyjny, pamięć i układy peryferyjne, dające możliwość programowania. Do ich obsługi potrzebne są narzędzia programowe i sprzętowe, podobne jak dla mikrokontrolerów. Zresztą w praktyce zagadnienia komunikacyjne i mikrokontrolery są ze sobą bardzo mocno powiązane, na rynku funkcjonują specjalizowane procesory z wbudowanymi transceiverami BLE lub Wi-Fi.