Mikrokontrolery i IoT

Mikrokontrolery są coraz tańsze, co może niekoniecznie widać w cenach bezwzględnych, ale z pewnością daje się dostrzec pod względem stosunku ceny do możliwości. Projektanci przez cały czas szukają też 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). Funkcjonalność, jaką dostaje się za symbolicznego dolara, jest bardzo duża i niemożliwa do osiągnięcia w jakimkolwiek innym rozwiązaniu bazującym na elementach dyskretnych. Dlatego perspektywy dla tego obszaru rynku są znakomite.

Stałym trendem od lat jest to, że funkcjonalność mikrokontrolerów cały czas rośnie. Nowe mają więcej układów peryferyjnych, większą pamięć, lepsze rdzenie zapewniające wydajność i energooszczędność.

Zestawienie najpopularniejszych architektur mikrokontrolerów na rynku polskim

 

W porównaniu z analogicznym zestawieniem sprzed trzech lat AVR-y i PIC-e zamieniły się miejscami na wykresie (niemniej obie te pozycje stanowią ofertę firmy Microchip), znaczenie MSP430 TI zauważalnie się zmniejszyło, a potencjał rozwiązań Renesasa, NXP/ Freescale lub klonów 51 stanowi pomijalny margines. Na wykresie dominują układy ARM Cortex, ale pozycja silniejszych jednostek ARM też jest wysoka. Można powiedzieć, że rynek się polaryzuje. Jeden biegun stanowią układy z rdzeniem ARM Cortex, drugi rozwiązania Microchipa i ST Micro.

Rozwój rynku mikrokontrolerów nie jest też jednokierunkowy. Z uwagi na liczne obszary aplikacyjne rodziny produktów rozwijają się w kierunku dużej wydajności, małej mocy, w obrębie wersji specjalizowanych, np. komunikacyjnych, do przetwarzania sygnałów i sterowania silnikami itd.

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 małym poborze mocy i z wysokorozdzielczym przetwornikiem A/ C, a także blokiem obliczeniowym do kalkulacji zużycia mediów.

Ponieważ nie ma jednego układu pasującego do każdego zastosowania, oferty producentów szybko się rozszerzają, tworząc rodziny zawierające dziesiątki zgodnych pinowo i programowo wersji. Niekiedy jest ich tak wiele, że wybór wariantu w zakresie interfejsów, pamięci, obudowy a także ważnych szczegółów, jak zakres temperatur pracy itd., wymaga posłużenia się arkuszem kalkulacyjnym lub specjalizowanym narzędziem online.

Wiele komponentów w ramach oferty producenta i rodziny zapewnia też łatwość migracji. Czyli użycia innego, lepszego chipu, zamiast dotychczasowego, bez konieczności przerabiania mozaiki obwodu drukowanego lub zmiany oprogramowania. Do minusów zaliczyć można to, że wybór jednostki najlepszej do danej aplikacji przestaje być łatwy. Póki wybór układu dotyczy danej rodziny, zestawienie parametrów ma formę jednej strony w arkuszu i daje się jakoś objąć. Wybór się komplikuje, gdy trzeba dobrać układ w ramach jednego producenta, a więc zwykle spośród wielu rodzin. Jeszcze gorzej jest, gdy nawet wybór producenta jest sprawą otwartą. Wówczas wybór to prawdziwa loteria.

SZEROKA OFERTA SPRZYJA INERCJI

Negatywnym czynnikiem dla szybko rozwijającego się rynku jest to, że produkty mało popularne wypadają z produkcji. Koniec wytwarzania pojawia się też szybciej, gdy w ofercie pojawi się podobna, ale lepsza jednostka.

W rzeczywistości takich problemów jest znacznie więcej, stąd wiele firm wiąże się z danym producentem mikrokontrolerów i konkretną architekturą na długo.

Inżynierska inercja negatywnie tym samym wpływa na tempo rozwoju rynku, ale nie należy postrzegać tego zjawiska pejoratywnie. Wyszukiwanie nowych rozwiązań, testy, tworzenie środowiska pracy z nowymi rozwiązaniami, narzędzia, oprogramowanie i co chyba jest najważniejsze – wiedza i znajomość danego rozwiązania mają wartość materialną. Poszukiwanie nowych rozwiązań w zakresie mikrokontrolerów musi być podbudowane solidną argumentacją, np. tym, że to, z czego firma korzysta aktualnie, nie jest wystarczające lub korzyści z nowej platformy będą wymiernie duże.

Skutek jest taki, że firmy zazwyczaj w nowych projektach zostają ze znaną sobie rodziną mikrokontrolerów danego producenta – starają się modernizować produkty w znanej sobie architekturze i zestawie oprogramowania.

Najważniejsze kierunki rozwoju funkcjonalności mikrokontrolerów

 

Lista najważniejszych funkcjonalności mikrokontrolerów branych przy wyborze układu i oczekiwane w nowych wersjach otwierają te związane z zapewnieniem małego poboru mocy, a dalej łatwością komunikacji, możliwością skalowania projektów dzięki zgodności pinowej i programowej oraz dostępności oprogramowania i bibliotek. Duża wydajność jest istotna, ale nie jest najważniejsza i wyraźnie ustępuje wielu innym funkcjom. Cena też jest oczywiście ważna. Patrząc z perspektywy, widzi się, że w wyborze mikrokontrolera liczy się utylitarność, czyli najlepszy stosunek możliwości do ceny.

WSPARCIE TECHNICZNE ZAWSZE JEST POTRZEBNE

Producenci i dystrybutorzy rozumieją rozterki producentów elektroniki oraz ich ciągłe problemy z brakiem czasu i starają się wspierać każde działanie, za którym kryje się realna chęć rozwoju. Darmowe próbki chipów to standardowe minimum, ale miniaturowe obudowy chipów (zwłaszcza te bezwyprowadzeniowe) oraz konieczność posłużenia się procesem SMT w montażu nawet jednej sztuki powodują, że najlepszą platformą do testów nowych rozwiązań są płytki startowe. W ostatnich pięciu latach w tym obszarze zaszły ogromne zmiany, a liczba zestawów dostępnych na rynku jest liczona w tysiącach. W praktyce każdy nowy chip o charakterze systemowym (a więc bardziej złożony) oraz inne układy w małych obudowach, np. bezwyprowadzeniowych, są wprowadzane na rynek razem z zestawem projektowym. Płytki startowe są często traktowane tak samo jak próbki, a więc rozdawane na seminariach, przekazywane klientom w ramach wsparcia technicznego. Ogólnie ma to sens, bo w dzisiejszej sytuacji, gdy czas staje się największym dobrem w pracy inżynierskiej, każde działanie, które go oszczędza i sprawia, że nie trzeba zaczynać od zera, jest doceniane.

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.

Oczekiwania klientów w stosunku do dostawcy

 

Dystrybutor mikrokontrolerów ma dzisiaj coraz więcej obowiązków wykraczających daleko poza działalność handlową, z których najbardziej popularne i oczekiwane przez klientów są bezpłatne próbki chipów, płytki ewaluacyjne oraz oprogramowanie. Pozwalają one na szybkie rozpoczęcie pracy, na wygodne testy nowych rozwiązań i tym samym zapewniają szybszy rozwój produktów. Ważne jest też doświadczenie i kompetencje techniczne inżynierów wsparcia technicznego, którzy są w stanie doradzić przy wyborze produktu i rozwiązać wiele problemów pojawiających się podczas projektowania. Osoby te mają doświadczenie wynikające z pracy z wieloma klientami, znają typowe problemy, wiedzą, które rozwiązania zyskują na popularności, a które powoli wychodzą z rynku, i w tym kontekście są w stanie uchronić klientów przez nieoptymalnym wyborem.

OPROGRAMOWANIE RÓWNIE ISTOTNE JAK HARDWARE

Na szybkość projektowania ma też wpływ czas przygotowania oprogramowania i z reguły jest to zagadnienie bardziej istotne od warstwy sprzętowej. To dlatego, że wiele aplikacji składa się z mikrokontrolera razem z niewielkim otoczeniem układów pomocniczych i peryferyjnych i od strony układowej są one stosunkowo proste. To jest normalne działanie, bo konieczność minimalizacji kosztów prowadzi do tego, aby koszt materiałowy zdefiniowany przez listę BOM był jak najniższy. Z uwagi na to korzystniej jest implementować więcej funkcji użytkowych w oprogramowaniu, bo związane z nim wydatki nie dotyczą każdej wytworzonej sztuki.

Te procesy sprawiają, że rola oprogramowania firmware cały czas się zwiększa. Staje się ono bardziej rozbudowane i złożone, a czas jego przygotowania (napisania) jest coraz dłuższy.

Podobnie jak zestawy startowe, projekty aplikacyjne lub gotowe rozwiązania dostarczane przez działy wsparcia technicznego producenta i dystrybutora ułatwiają budowę części sprzętowej, takie same zjawiska można dostrzec w zakresie oprogramowania. Podstawą są zintegrowane środowiska typu IDE, ale największą pomoc zapewniają gotowe kawałki kodu, biblioteki procedur lub nawet gotowe rozwiązania z otwartą licencją, które wystarczy przerobić pod swoje potrzeby. Takie zasoby też się bardzo szybko zwiększają i mają duży wpływ na tempo rozwoju rynku i na akceptację nowych rozwiązań. Poza oprogramowaniem darmowym na rynku jest jeszcze wiele narzędzi płatnych związanych np. z grafiką, interfejsem użytkownika. Konieczność pracy od zera jest chyba bardzo rzadkim przypadkiem.

KOMUNIKACJA I NIEWIELKIE POTRZEBY ENERGETYCZNE

W ostatnich latach rynek elektroniki szybko się zmienia i znaczenia nabierają aplikacje przenośne, rozwiązania IoT oraz systemy rozproszone, np. telemetryczne sieci pomiarowe. Wiele takich rozwiązań zasilanych jest z akumulatorów i baterii jednorazowych, stąd potrzeby związanie z zapewnieniem jak najmniejszego poboru mocy stają się bardzo istotne.

Drugim istotnym trendem jest komunikacja bezprzewodowa. Elektronika mobilna, urządzenia klasyfikowane jako IoT muszą mieć możliwość wywymiany danych, dostępu do Internetu lub możliwość gromadzenia danych w chmurze obliczeniowej. Stąd komunikacja jest i będzie w przyszłości ważnym obszarem determinującym możliwości mikrokontrolerów.

Mówiąc ogólnie, duża wydajność mikrokontrolerów jest w sprzeczności z niskim poborem mocy. Ale ostatnio na rynku pojawiły się mikrokontrolery, które mają dwa rdzenie – jeden wydajny, a drugi energooszczędny, co pozwala programiście używać ich w zależności od tego, co jest potrzebne w danej chwili. To przykład wyłomu w tej ogólnej regule.

EWOLUCJA, A NIE REWOLUCJA

W zakresie popularnych mikrokontrolerów, technologii i rozwiązań w ostatnich latach nie pojawiły się jakieś przełomowe koncepcje. Rynek jest zdominowany przez architekturę ARM Cortex-M, która stale wzbogaca się o nowe wersje, zarówno takie, gdzie nacisk położono na wydajność, jak i te koncentrujące się na zagadnieniach energooszczędności.

Na rynku pojawiają się też często jednostki specjalizowane jako systemy na krzemie (SoC). Najczęściej dotyczy to integracji mikrokontrolera i układu radiowego, rzadziej z FPGA lub obwodami audio. SoC-e to korzystne rozwiązania które są implementowane m.in. w urządzeniach medycznych, systemach oświetleniowych, grach elektronicznych oraz IoT. Za ich pomocą można zamknąć całą warstwę sprzętową aplikacji w jednym układzie, stąd tam, gdzie liczy się cena, miniaturyzacja, jest to korzystny wybór.

Oprócz nowoczesnych, bogato wyposażonych i wydajnych mikrokontrolerów 32-bitowych na rynku cały czas zgodnie egzystuje grupa procesoprocesorów 8-bitowych, o nieporównywalnie mniejszych zasobach, funkcjonalności i liczbie układów peryferyjnych, ale za to bardzo tanich i znakomicie nadających się do realizacji prostych układów sterowania. Do wielu zastosowań i aplikacji 8 bitów całkowicie wystarcza, a przy niskich cenach takich jednostek, zaczynających się od ułamka dolara za sztukę, wykorzystuje się je jako proste układy czasowo-logiczne.