Mikrovezérlő-fejlesztőkártyák használata egykártyás számítógépként

A fejlesztő- és a demókártyák olyan megoldások, amelyekkel a félvezetőgyártók a mikrovezérlőiket támogatják. A kártyák segítenek a mérnököknek megismerni a megcélzott mikrovezérlőt, és segítenek a mikrovezérlő hardverének és belső vezérlőprogramjának (firmware-jének) fejlesztésében. A kártyák az egyszerű, tűfejes csatlakozókkal elérhetővé tett általános célú be- és kimeneti kártyáktól (GPIO), a kifinomult billentyűzettel és LCD-kijelzővel ellátott kártyákig terjedhetnek. Mivel sokféle ilyen fejlesztőkártya kapható, egyes mérnökök nagy mennyiségben vásárolják ezeket ipari alkalmazási területeken való felhasználásra.

A fejlesztőkártyák azonban az ipari minőségű egykártyás számítógépektől (SCB) eltérően gyakran nem esnek át olyan szigorú gyártói minőség-ellenőrzésen, amely garantálná a folyamatos működésüket ipari körülmények között. A fejlesztőkártyákat jellemzően csak szobahőmérsékleten, kis páratartalom mellett vetik alá minőség-ellenőrzésnek. Ez a megbízhatósággal és a folyamatos használatra való alkalmassággal kapcsolatos kérdéseket vet fel. Miközben a fejlesztőkártyákon továbbra is minőség-ellenőrzésen átesett, kereskedelmi vagy ipari használatra szánt félvezetők és egyéb alkatrészek vannak, a mérnököknek meg kell érteniük, hogy a fejlesztőkártyák mennyire más célokra készülnek, mint az ipari egykártyás számítógépek, és hogy milyen szintű ellenőrzést kell végrehajtani rajtuk a kártya folyamatos használatra való engedélyezése előtt.
Ez a cikk az ezen gondokkal való foglalkozás keretében ismerteti ezeknek a kártyáknak a korlátait, azt, hogy hogyan kell helyesen meghatározni a célfeladatra való alkalmasságukat, és hogy milyen szempontokat kell egy mérnöknek figyelembe vennie, amikor folyamatos használatra választ fejlesztőkártyát. Ezután megvizsgálunk két fejlesztőkártyát, amelyeket az STMicroelectronics, illetve az Infineon Technologies gyárt, és megtárgyaljuk, hogyan lehet ezeket folyamatos használatra alkalmassá tenni.

Az ipari egykártyás számítógépek minőség-ellenőrzése

Az azonnali használatra készen kapható ipari egykártyás számítógépek az ipari elektromechanikus berendezések vezérlésének, valamint a dolgok internetére (IoT) és az ipari dolgok internetére (IIoT) kapcsolt csomópontok felügyeletének legnépszerűbb eszközei. Az egykártyás számítógépek már ellenőrzött alkatrészeket tartalmaznak, és teljes felhasználói dokumentációval ellátva kaphatók. Az egyéni tervezésű egykártyás számítógépek akkor jelentenek megoldást, ha a mennyiség elég nagy, és egyik készen kapható egykártyás számítógép sem kínálja a szükséges funkciókat a megfelelő áron. A már ellenőrzött, készen kapható megoldások azonban még mindig jobbak lehetnek az egyéni egykártyás számítógépeknél abban, hogy gyorsabb fejlesztést és piaci megjelenést tesznek lehetővé.
Az egykártyás számítógépek gyártói szigorú minőség-ellenőrzések hosszú sorának vetik alá az új kártyákat, mielőtt gyártásba bocsátanák őket. A kifejezetten ipari használatra szánt egykártyás számítógépek aprólékos minőség-ellenőrzési vizsgálatokon esnek át, ahol bizonyítaniuk kell, hogy képesek megbízhatóan működni a célként megjelölt alkalmazási területen. A szokványos, -40 °C és +85 °C közötti ipari üzemi hőmérsékletekre tervezett készülékekben ezen hőmérséklet-tartománynál nagyobbra méretezett, ipari minősítésű félvezetőket és egyéb alkatrészeket használnak.
A nyomtatott áramköri lapra szerelt alkatrészeket olyan anyagokkal rögzítik, amelyek szintén a megadott hőmérséklet-tartomány fölé vannak specifikálva. Néhány alkalmazási területen alakkövető bevonattal láthatják el az egykártyás számítógépeket, amely védi őket a párától, a portól és a környezeti részecskéktől, valamint a vegyszerek ráömlése ellen.
Az új ipari egykártyás számítógépek első minőség-ellenőrzésének része az alsó és felső feszültség- és áramerősség-határok laborban végzett villamos ellenőrzése. Az alapszintű ellenőrzések után az új egykártyás számítógépeket teljes és hosszadalmas minőség-ellenőrzésnek vetik alá, amelynek során ellenőrzik a teljes működést az üzemi célhőmérsékletek hideg és meleg szélsőértékeinél, valamint szélsőséges páratartalomnak és rezgéseknek kitéve is. Az új ipari egykártyás számítógépek gyártói tűrőképesség-ellenőrzést is végeznek, amelynek során napokig járatják a készüléket szélsőséges körülmények között. Minden meghibásodást, a legkisebbet is naplózzák, és gondosan megkeresik, hogy mi okozta. Ha a készülék nem felel meg az ellenőrzésen, kicserélnek bizonyos alkatrészeket, vagy újratervezik az egykártyás számítógépet. A minőség-ellenőrzés hetekig vagy akár hónapokig is tarthat. A gyártó csak azután adja gyártásba a kártyát, miután az egykártyás számítógép teljes mértékben megfelelt az ellenőrzéseken. Ezt követően minden legyártott egykártyás számítógépen végeznek egy gyorsellenőrzést a gyártósor végén. Ez általában egy percnél rövidebb ideig tart.
Még az egykártyás számítógép gyártásba adása után sem állnak le az ellenőrzések. Az ipari egykártyás számítógépek gyártói negyedévente vagy évente véletlenszerűen levesznek egy egykártyás számítógépet a gyártósorról, és teljes minőség-ellenőrzésnek vetik alá, hogy biztosítsák a minőség fenntartását.
Ezeknek a minőség-ellenőrzéseknek az eredményeit gyakran a vásárlók számára is elérhetővé teszik. Ezenkívül az egykártyás számítógépek gyártói műszaki változásértesítőt (ECN) küldenek az egykártyás számítógépek vásárlóinak minden olyan módosítás esetén, amelynek során kártyára szerelt alkatrészeket cserélnek.

1. ábra  Az STMicroelectronics cég NUCLEO-L4P5ZG jelű kártyája Arduino-kompatibilis Nucleo kártya alapszintű fejlesztőkártya-funkciókkal. A kártyán minden általános célú be- és kimeneti (GPIO) érintkező tűfejes csatlakozófoglalatra van kivezetve. Három, a felhasználó által programozható LED, egy felhasználói nyomógomb és egy alaphelyzetbe állító (Reset) gomb található rajta (A kép forrása: STMicroelectronics.)

Mikrovezérlő-fejlesztőkártyák

Mikrovezérlők támogatására használt fejlesztőkártyákat kínálnak a mikrovezérlők gyártói és a külső készülékgyártók is.
A kiértékelőkártyák a mikrovezérlők általános tanulmányozására és egyszerű műveletek vizsgálatára használt egyszerű kártyák. A szemléltető- vagy népszerű nevükön „demó-” kártyák a mikrovezérlő működését mutatják be, és gyakran kifinomultabbak, villogó LED-ekkel, kapcsolókkal és LCD-kijelzővel felszereltek. A fejlesztőkártyákat a hardver és a belső vezérlőprogram fejlesztésére is használják.
A valóságban a kiértékelő-, szemléltető- és fejlesztő- előtag használata nem egységes, és a kártyák használata nagymértékben átfedi egymást. A kártya neve kevésbé fontos, mint a jellemzői, valamint könnyebb és kevésbé zavaró az összes kártyát egy kalap alá venni a „fejlesztőkártya” megnevezést használva.

A fejlesztőkártyák ellenőrzése ipari használat céljából

A mikrovezérlő-gyártók által kiadott vagy külső cégek által gyártott fejlesztőkártyák kevésbé szigorú ellenőrzéseken esnek át, mint az ipari egykártyás számítógépek. Az alkatrészek általában kereskedelmi minősítésűek, de néhány kártya ipari minősítésű alkatrészeket is tartalmaz. A fejlesztőkártyákat csak szobahőmérsékleten való működésre tervezik. A fejlesztőkártyák első prototípusait szobahőmérsékleten ellenőrzik néhány héten át, de ez gyártótól függően tág határok között változhat. A fejlesztőkártyák esetében a minőségre vonatkozó egyetlen célkövetelmény az, hogy működjenek szobahőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten is. Indokolt azt feltételezni, hogy a kártyát nem ellenőrizték szélsőséges hőmérsékleteken, nagy páratartalom mellett, rezgéseknek vagy ütéseknek kitéve.
Az ipari környezetbe szánt fejlesztőkártya meghatározásakor az elsődleges cél a kockázatok csökkentése. Emiatt fontos, hogy elsőként nézzük meg, melyik cég a kártya gyártója – különös tekintettel a gyártónak az életciklus végével (EOL) kapcsolatos politikájára és a fejlesztőkártyákkal kapcsolatos előtörténetére. Egy mérnöknek az hiányzik a legkevésbé, hogy olyan tökéletes kártyát vásároljon nagy mennyiségben, amelynek a gyártását az életciklus vége miatt befejezik. Ha a gyártónak komoly múltja van a fejlesztőkártyák gyártásában, tőlük vásárolni biztonságos lehet. Ám ha a gyártó előtörténetéből az derül ki, hogy rendszeres szokása abbahagyni az ilyen kártyák gyártását, túl kockázatos tőlük vásárolni.
Amikor arról kell dönteni, hogy használnánk-e egy fejlesztőkártyát ipari körülmények között, nézzük meg, milyen alkatrészek vannak rajta. Győződjünk meg arról, hogy az alkatrészek hőmérséklettartomány-minősítése megfelel-e az alkalmazási célterületnek. Ha a kártya ipari környezetben lesz elhelyezve emberi kezelőkkel egy légtérben, akkor a kereskedelmi minősítésű alkatrészek is valószínűleg megfelelőek lesznek az adott alkalmazási területre. Minden csatlakozót és más kapcsolódó hardverelemet meg kell vizsgálni, hogy meggyőződjünk arról, szilárdan vannak-e rögzítve. Minden be nem forrasztott csavart meg kell próbálni csavarhúzóval óvatosan elforgatni – a túl nagy holtjáték figyelmeztető jel lehet, ami azt jelezheti, hogy nincs konzisztens minőség-ellenőrzés.
Ha a kártya alkatrészei és felépítése elfogadhatók, akkor jó ötlet egyszerre végezni tűrőképesség-ellenőrzést (stressz-tesztet) három vagy több kártyán, több napig magas hőmérsékleten használva azokat. A gyártás egységességéről úgy lehet jó képet kapni, ha mindegyik kártyát külön vásároljuk meg, némi időeltéréssel, hogy más-más gyártási tételből legyen egy-egy mintadarabunk. Minden meghibásodás rossz, és ha a gyártó nem tudja elfogadhatóan megmagyarázni, hogy a hiba kivételes, akkor érdemes másfajta fejlesztőkártyát választani.
Ha a kártyát magas páratartalmú környezetben használják, akkor annak megfelelő környezetben kell ellenőrizni is. A fejlesztőkártyákat nem nagy páratartalom melletti használatra tervezik.
A nyomtatott áramköri lapokat a pára elleni védelemként elláthatják alakkövető bevonattal, feltéve, hogy a csatlakozók és villamos érintkezési pontok gondosan védettek a bevonattól.
Azt is érdemes megérdeklődni a gyártótól, hogy küldenek-e műszaki változásértesítőt (ECN) a kártya minden módosítása esetén. A fejlesztőkártyák esetében ezt sokszor nem teszik meg, ennek megfelelően a biztonság kedvéért minden megvásárolt és beérkezett kártyát szemrevételezéssel kell ellenőrizni, hogy nincsenek-e rajta másfajta alkatrészek.
Ha a kártyát erős rezgésnek kitett környezetben használják, akkor érdemes tesztkeretre szerelni és rezgésellenőrzésnek alávetni. Az ellenőrzés végén szemrevételezéssel ellenőrizni kell, hogy nincsenek-e rajta repedések vagy deformálódások. A csavarok és tartófülek esetében ellenőrizni kell a holtjátékot. Minden meghibásodás vagy hiba rossz, és azt a kártyát nem érdemes a továbbiakban tekintetbe venni.

2. ábra  Az Infineon Technologies cég KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax Kit jelű terméke esetében minden általános célú be- és kimenet (GPIO) a nyomtatott áramköri kártya érintkezőfurataihoz van kivezetve. Támogatja a soros illesztőfelületet az elérhető Ethernet- és USB-csatlakozókkal, és a memória is bővíthető a microSD-kártyanyílást használva (A kép forrása: Infineon Technologies.)

Fejlesztőkártya folyamatos használatra

A következőkben két olyan fejlesztőkártya kerül bemutatásra, amelyek alkalmasak lehetnek folyamatos használatra ipari körülmények között. A gyártók nem minősítették ezeket a kártyákat folyamatos ipari használatra alkalmasnak: a mérnökön múlik, hogy saját ellenőrzéseket végezve eldöntse, hogy adott végfelhasználási célra megfelel-e az adott kártya.
A népszerű Arduino méretszabványt több gyártó is követi saját termékei esetében. Ilyen például az STMicroelectronics cég NUCLEO-L4P5ZG jelű kártyája, amely az Arm Cortex-M4 mikrovezérlőn alapszik. Ha megnézzük a kártya elrendezését, láthatjuk annak funkcióit (1. ábra). A NUCLEO-L4P5ZG kártyán található néhány tűfejes csatlakozófoglalat, amelyek a mikrovezérlő minden általános célú be- és kimenetét (GPIO) elérhetővé teszik az adott feladat céljaira.
A NUCLEO-L4P5ZG kártyának lényeges előnye, hogy az általános célú be- és kimenetek kompatibilisek az STMicroelectronics cég Nucleo termékcsaládjának számos Arduino-kompatibilis kártyájával. Ez annyit tesz, hogy a kompatibilis másodforrásbeli Nucleo-cserekártyák kaphatóak lesznek akkor is, ha ennek a terméknek a gyártását befejeznék. A kártyán három LED és egy nyomógomb található, amelyeket a belső vezérlőprogram (firmware) vezérel, valamint van egy állandóra bekötött alaphelyzetbe állító (Reset) gomb. A LED-ek egyszerű állapotjelzésre képesek, az alaphelyzetbe állító gomb pedig azt teszi lehetővé, hogy a kártyát a belső vezérlőprogram lefagyása esetén gyorsan ismét működésbe lehessen hozni. Van egy a belső vezérlőprogram (firmware) által vezérelt teljes sebességű USB On-The-Go (OTG) csatlakozó, valamint programozási és hibakeresési célokra egy mikro-USB-csatlakozó is. A fehér nyomtatott áramköri lap megkönnyíti a hő kisugárzását meleg környezetekben. A NUCLEO-L4P5ZG olyan alkalmazási területeken használható, ahol olyan kimeneteket kell kezelni, mint az érzékelők, kapcsolók és vezérlőtagok.
Egy másik példa a fejlesztőkártyákra az Infineon Technologies cég KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax Kit jelű kártyája. Ez szintén egy Arm Cortex-M4 mikrovezérlőre épül, és teljes Arduino kártyasorozatot alkot, tűfejes csatlakozófoglalatok nélkül (2. ábra). A Relax Kit remek választás hálózatba kötött megoldásokhoz vagy alapszintű IIoT-csomópontként, RJ45 csatlakozóval az Ethernet-hálózatra kapcsolódáshoz. Két nyomógomb és a belső vezérlőprogram által vezérelt két LED, valamint egy alaphelyzetbe állító (Reset) gomb található rajta.
Az Infineon Relax Kit kártya microSD-kártyanyílással is el van látva. Ez megkönnyíti a belső vezérlőprogramnak és az alkalmazások adatainak a megváltoztatását a különböző fejlesztőkártyák esetén, mert elég csak egy másik microSD-memóriakártyát behelyezni hozzá. A kártya olyan nagy igénybevételt jelentő hálózati alkalmazási területekre is jó, ahol érzékelőket, kapcsolókat és vezérlőtagokat kell figyelni, a microSD-kártya pedig olyankor hasznos, amikor a belső vezérlőprogram vagy az adatok rendszeresen változnak, mert ez hatékonyabb, mint átprogramozni a kártyát.

Következtetés

Ha a kártyát gondosan választják meg, és az alkalmazási célterületen való használatba vétel előtt alaposan ellenőrzik, a mikrovezérlő-fejlesztőkártyák esetenként használhatók ipari alkalmazási területekre alkalmas kártyákként is. A mérnöknek szigorú ellenőrzéseket kell végrehajtania a hardveren a használatba vétel előtt, és gondosan ellenőriznie kell a gyártó szállítási megbízhatóságát, beleértve annak az életciklus végével (EOL) kapcsolatos politikáját is. Mivel sokféle fejlesztőkártya kapható, a mérnökök könnyen megtalálhatják azt, amely megfelelt az ipari használhatóságot vizsgáló belső minőség-ellenőrzésen.

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.digikey.hu

még több Digi-Key Electronics