Verwendung von Mikrocontroller-Entwicklungsplatinen als Einplatinencomputer
In diesem Artikel werden die Einschränkungen von Entwicklungs-Boards erörtert, wie ihre Eignung für die Zielanwendung bestimmt werden kann und welche Aspekte ein Ingenieur bei der Auswahl eines Entwicklungs-Boards berücksichtigen muß.
Abbildung 1: Ein Überblick über das Platinenlayout zeigt die vielen Merkmale des NUCLEO-L4P5ZG von STMicroelectronics. (Quelle: STMicroelectronics)
Halbleiterlieferanten unterstützen ihre Mikrocontroller mit Entwicklungsboards, wie z.B. Evaluierungs- und Demo-Boards. Der beabsichtigte Verwendungszweck dieser Boards besteht darin, Ingenieure erstens mit dem Ziel-Mikrocontroller vertraut zu machen und zweitens bei der Entwicklung von Mikrocontroller-Hardware und -Firmware zu unterstützen. Diese Boards reichen von den einfachsten mit GPIO (General Purpose Input/Output), die über Stiftleisten zur Verfügung gestellt werden, bis hin zu hochentwickelten Boards mit Tastaturen und LCD-Displays. Da eine große Vielfalt solcher Entwicklungsplatinen zur Verfügung steht, wählen einige Ingenieure diese Platinen zum Volumenkauf für den Einsatz in industriellen Anwendungen aus.
Im Gegensatz zu Einplatinen-Computern (SBCs) in Industriequalität werden Entwicklungsplatinen jedoch oft nicht den strengen Tests der Herstellerqualitätssicherung (QS) unterzogen, um den Betrieb für den Dauereinsatz unter industriellen Bedingungen zu gewährleisten. Entwicklungs-Boards werden typischerweise nur bei Raumtemperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit einer QS unterzogen. Dies wirft Fragen der Zuverlässigkeit und Eignung für eine Anwendung im Dauerbetrieb auf. Während Entwicklungs-Boards immer noch QS-geprüfte Halbleiter- und Hardware-Komponenten verwenden, die für den kommerziellen oder industriellen Einsatz bestimmt und getestet sind, müssen Ingenieure verstehen, wie Entwicklungs-Boards anders als industrielle SBCs spezifiziert sind und welches Maß an Tests der Ingenieur durchführen sollte, bevor er ein Board für den Dauereinsatz freigibt.
Um diese Probleme anzugehen, wird in diesem Artikel erörtert, welche Einschränkungen diese Boards haben, wie ihre Eignung für die Zielanwendung richtig bestimmt werden kann und welche Aspekte ein Ingenieur bei der Auswahl eines Entwicklungs-Boards für den Dauereinsatz berücksichtigen muss. Anschließend werden zwei Entwicklungs-Boards von STMicroelectronics und Infineon Technologies untersucht und erörtert, wie sie für eine Anwendung im Dauereinsatz geeignet sein können.
Industrielle SBC-Qualitätssicherung
Industrielle Standard-SBCs sind die beliebteste Art und Weise der Steuerung industrieller elektromechanischer Geräte sowie der Verwaltung von Internet of Things (IoT) und industriellen IoT-Knotenpunkten (IIoT). Ein SBC ist bereits mit getesteten Komponenten bestückt und wird mit einer vollständigen Dokumentation zur Verwendung geliefert. Ein maßgefertigter SBC ist eine Option, wenn das Volumen hoch genug ist und kein Standard-SBC die benötigte Funktionalität zum richtigen Preis bietet. Allerdings kann eine bereits getestete Standardlösung einem kundenspezifischen SBC immer noch überlegen sein, da sie eine schnellere Entwicklung und Markteinführung ermöglicht.
Hersteller von SBCs unterziehen neue Platinen einer langen Reihe strenger Qualitätskontrolltests, bevor sie das Design für die Produktion freigeben. SBCs, die speziell für den industriellen Einsatz entwickelt wurden, durchlaufen strenge Qualitätskontrolltests, um sicherzustellen, daß sie in der Zielanwendung zuverlässig funktionieren. Für eine übliche Industrieanwendung, die auf -40 bis 85°C ausgelegt ist, werden industrietaugliche Halbleiter und Hardware ausgewählt, die über die Temperatur ausgelegt sind. Die Komponenten werden auf einer Leiterplatte mit einem Material montiert, das ebenfalls über den Nenntemperaturbereich arbeitet. Für einige Anwendungen kann eine konforme Beschichtung über dem SBC aufgebracht werden, um die Platine vor Feuchtigkeit, Staub und Umgebungspartikeln sowie vor chemischen Verschmutzungen zu schützen.
Die anfängliche Qualitätssicherung eines neuen industriellen SBC umfaßt die Prüfung auf dem Prüfstand der oberen und unteren elektrischen Bemessungsgrenzen von Strom und Spannung. Nach dieser grundlegenden Prüfung wird das neue SBC dann einer vollständigen und langwierigen Qualitätssicherung unterzogen und für den vollen Betrieb unter den angestrebten Temperaturextremen Hitze und Kälte sowie den Extremen Feuchtigkeit und Vibration getestet. Der Hersteller des neuen industriellen SBC kann auch Streßtests durchführen, bei denen er tagelang unter extremen Bedingungen getestet wird. Jeder Ausfall, und sei er noch so klein, wird protokolliert und seiner Ursache gewissenhaft nachverfolgt. Testfehler können dazu führen, daß Komponenten ausgetauscht oder das SBC neu konstruiert wird. QS-Tests können Wochen oder Monate dauern. Erst wenn das SBC-Design vollständig qualifiziert ist, gibt der Hersteller das Board schließlich zur Produktion frei. Jeder einzelne SBC, der sich jetzt in der Produktion befindet, wird am Ende der Produktionslinie Schnelltests unterzogen, die in der Regel weniger als eine Minute dauern.
Abbildung 2: Das Infineon Technologies Relax Kit KITXMC47RELAXLITEV1TOBO1 basiert ebenfalls auf einem Arm Cortex-M4 und verfügt über einen vollständigen Satz Arduino-Pads ohne die Header-Stecker. (Quelle: Infineon Technologies)
Auch nach der Freigabe des SBC zur Produktion hören die Tests nicht auf. Der Hersteller des industriellen SBC kann einen SBC nach dem Zufallsprinzip aus der Produktion nehmen und ihn vierteljährlich oder jährlich einer vollständigen Qualitätssicherung unterziehen, um sicherzustellen, daß die Qualität aufrechterhalten wird.
Häufig stehen diese QS-Ergebnisse den Kunden zur Verfügung. Darüber hinaus sendet der Hersteller des SBC eine technische Änderungsmitteilung (Engineering Change Notice, ECN) an die Kunden des SBC, z.B. wenn Platinenkomponenten ausgetauscht werden.
Mikrocontroller-Entwicklungsboards
Entwicklungsboards zur Unterstützung von Mikrocontrollern werden sowohl von Mikrocontroller-Herstellern als auch von Drittanbietern von Werkzeugen zur Verfügung gestellt. Evaluation Boards sind einfache Boards, die dazu dienen, den Mikrocontroller im Allgemeinen zu studieren und die grundlegende Funktionsweise zu untersuchen. Demonstrations- oder populärer “Demo”-Boards demonstrieren die Funktionsweise des Mikrocontrollers und sind oft anspruchsvoller mit blinkenden LEDs, Schaltern und einer LCD-Anzeige. Entwicklungs-Boards werden für die Hardware- und Firmware-Entwicklung verwendet.
In Wirklichkeit sind die Bezeichnungen Evaluierung, Demo und Entwicklung nicht standardisiert, und die Zielverwendung der Boards überschneidet sich stark. Der Name der Platine ist weniger wichtig als ihre Eigenschaften, und es ist einfacher und weniger verwirrend, alle Platinen einfach unter dem Begriff “Entwicklungsplatinen” zusammenzufassen.
Prüfung von Entwicklungs-Boards für den industriellen Einsatz
Die von Mikrocontroller-Herstellern freigegebenen oder von Dritten gelieferten Entwicklungsboards werden weniger strengen Tests unterzogen als industrielle SBCs. Die Komponenten sind in der Regel kommerzieller Qualität, einige Boards enthalten jedoch auch Komponenten industrieller Qualität. Entwicklungs-Boards sind nur für den Betrieb bei Raumtemperatur ausgelegt. Die ersten Prototypen von Entwicklungs-Boards werden tage- oder wochenlang bei Raumtemperatur getestet, aber dies ist je nach Hersteller sehr unterschiedlich. Die einzige angestrebte Qualitätsanforderung an Entwicklungs-Boards ist, daß sie bei Raumtemperatur arbeiten. Man kann mit Sicherheit davon ausgehen, daß das Board nicht über Temperaturextreme, bei hoher Luftfeuchtigkeit oder unter Vibrations- oder Schockbedingungen getestet wurde.
Das oberste Ziel bei der Entscheidung, welches Entwicklungsboard in einer industriellen Anwendung eingesetzt werden soll, ist die Risikominderung. Aus diesem Grund ist es wichtig, zunächst einen Blick auf den Leiterplattenhersteller zu werfen - insbesondere auf die End-Of-Life (EOL)-Richtlinien des Herstellers und seine Geschichte für Entwicklungs-Boards. Das Letzte, was ein Ingenieur braucht, ist, daß er ein perfektes Board in großen Stückzahlen einkauft, nur damit es aufgrund einer EOL eingestellt wird. Wenn der Hersteller in der Vergangenheit die Produktion von Entwicklungs-Boards aufrechterhalten hat, kann es sicher sein, von ihnen zu beziehen. Wenn der Hersteller jedoch in der Vergangenheit solche Boards regelmäßig eingestellt hat, ist die Beschaffung eines solchen Boards zu riskant.
Bei der Entscheidung, ob eine Entwicklungsplatine in einer industriellen Anwendung eingesetzt werden soll oder nicht, sollten Sie die Komponenten auf der Platine betrachten und sicherstellen, daß die Komponenten die richtige Temperaturklasse für die Zielanwendung aufweisen. Wenn die Platine in einer industriellen Umgebung zusammen mit menschlichen Bedienern eingesetzt werden soll, dann sind wahrscheinlich Komponenten in kommerzieller Qualität für die Anwendung geeignet. Alle Steckverbinder oder andere zugehörige Hardwareteile sollten untersucht werden, um sicherzustellen, daß sie fest montiert sind. Alle nicht eingelöteten Schrauben sollten mit einem Schraubendreher eine leichte Testdrehung erhalten – zu viel Spiel ist eine Warnung und kann auf einen inkonsistenten QS-Prozeß hinweisen.
Wenn die Platinenkomponenten und die Konstruktion akzeptabel sind, dann ist es eine gute Idee, drei oder mehr Platinen gleichzeitig über einen Zeitraum von mehreren Tagen unter hoher Temperatur einem Streßtest zu unterziehen. Um eine gute Vorstellung von der Produktionskonsistenz zu erhalten, sollte jedes Test-Board im Laufe der Zeit separat gekauft werden, sodaß verschiedene Board-Produktionslose bemustert werden. Jeder Fehler ist schlimm, und wenn der Hersteller den Fehler nicht angemessen als Ausnahme erklären kann, sollte ein anderes Entwicklungsboard ausgewählt werden.
Wenn die Platte in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit verwendet werden soll, dann sollte die Platte in einer Umgebung mit angemessener Luftfeuchtigkeit getestet werden. Entwicklungs-Boards sind nicht für den Einsatz bei hoher Luftfeuchtigkeit ausgelegt. Zum Schutz vor Feuchtigkeit kann auf die Leiterplatte eine konforme Beschichtung aufgetragen werden, vorausgesetzt, daß Steckverbinder und elektrische Kontaktstellen sorgfältig vor der Beschichtung geschützt werden.
Erkundigen Sie sich auch beim Hersteller, ob er mit jeder Änderung auf der Leiterplatte ein ECN versendet. Häufig geschieht dies nicht bei Entwicklungsplatinen, daher sollten alle eingehenden gekauften Platinen aus Sicherheitsgründen visuell auf Änderungen an den Komponenten überprüft werden.
Wenn die Platine in einer Umgebung mit hohen Vibrationen eingesetzt werden soll, sollte sie in einem Testrahmen montiert und einem Vibrationstest unterzogen werden. Am Ende des Tests sollte sie visuell auf Risse oder Verformungen untersucht werden. Schrauben und Halterungen mit Registern sollten auf Spiel geprüft werden. Jeder Fehler oder Defekt ist schlimm und sollte dieses Board aus der Betrachtung herausnehmen.
Entwicklungsboard für den Dauereinsatz
Es folgen zwei Beispiele für Entwicklungsboards, die sich für industrielle Anwendungen im Dauereinsatz eignen können. Die Hersteller haben diese Boards nicht für den industriellen Dauereinsatz zertifiziert: Es ist Sache des Ingenieurs, seine eigenen Tests durchzuführen, um ein Board für eine bestimmte Endanwendung zu qualifizieren.
Der beliebte Arduino-Formfaktor hat dazu geführt, daß die Hersteller viele Derivate des Boards entwickelt haben. So basiert beispielsweise das NUCLEO-L4P5ZG von STMicroelectronics auf einem Arm Cortex-M4-Mikrocontroller. Ein Überblick über das Board-Layout zeigt seine vielen Merkmale (Abbildung 1). Der NUCLEO-L4P5ZG verfügt über einen Satz von Header-Steckverbindern, die alle GPIOs des Mikrocontrollers für die Anwendung verfügbar machen.
Ein wichtiger Vorteil des NUCLEO-L4P5ZG ist, daß die GPIOs mit vielen Arduino-kompatiblen Boards der Nucleo-Reihe von STMicroelectronics kompatibel sind. Das bedeutet, daß im Falle einer Produktabkündigung kompatible Nucleo Second-Source-Ersatzteile verfügbar sind. Das Board hat drei LEDs und einen Druckknopf, die unter Firmware-Kontrolle stehen, sowie einen fest verdrahteten Reset-Knopf. Die LEDs können einen einfachen Status anzeigen, und ein fest verdrahteter Reset-Knopf ermöglicht es der Karte, sich schnell von Firmware-Lockups zu erholen. Es hat einen USB On-The-Go (OTG) Full Speed-Anschluss unter Firmware-Steuerung und einen Mikro-USB-Anschluss zum Programmieren und Debuggen. Die weiße Leiterplatte erleichtert die Wärmeableitung in warmen Umgebungen. Der NUCLEO-L4P5ZG eignet sich für Anwendungen, bei denen E/A verwaltet werden muss, wie z.B. bei Sensoren, Schaltern und Aktoren.
Ein weiteres Beispiel für ein Entwicklungsboard für mögliche Anwendungen ist das KITXMC47RELAX5VADV1TOBO1 Relax Kit von Infineon Technologies. Es basiert ebenfalls auf einem Arm Cortex-M4 und verfügt über einen vollständigen Satz Arduino-Pads ohne die Header-Anschlüsse (Abbildung 2). Das Relax-Kit ist eine gute Wahl für eine vernetzte Anwendung oder einen einfachen IIoT-Knoten mit einem RJ45-Stecker für Ethernet-Netzwerke. Es hat zwei Drucktasten und zwei LEDs unter Firmware-Steuerung sowie eine Reset-Taste. Das Infineon Technologies Relax Kit verfügt außerdem über einen microSD-Kartensteckplatz. Damit ist es einfach, Firmware oder Anwendungsdaten für verschiedene Boards zu ändern, indem einfach eine andere microSD-Flash-Speicherkarte eingelegt wird. Das Kit eignet sich für robuste Netzwerkanwendungen, bei denen Sensoren, Schalter und Steueraktoren überwacht werden müssen. Die microSD-Karte ist nützlich, wenn Firmware- oder Datenänderungen regelmäßig auftreten, und ist effizienter als eine Neuprogrammierung des Boards.
Typische Single Board Computers (SBC) sind:
A000005 NANO ATMEGA328 EVAL BRD von Arduino
ABX00027 NANO 33 IoT von Arduino
POCKETBEAGLE-SC-569 von GHI Electronics, LLC,
DFR0444 LATTEPANDA von DFRobot
PI 3 MODEL B+ von Raspberry Pi
SA69-0100-0100-C0 NEO BASIC SBC 512MB RAM von UDOO
WB-IMX6S mit ARM® Cortex®-A9, i.MX6Solo von Wandboard.Org
VL-EPC-2701-EAK-005 ZEBRA SINGLE-CORE I.MX6 SOLO CPU von VersaLogic Corporation
AIMB-215L-S6B1E MOTHERBOARD CELERON J1900 2.0GHz von Advantech Corp
20-101-1256 COMPUTER SINGLE-BOARD BL4S110 von Digi
Weitere Mikrocontroller-Entwicklungs-Boards für den industriellen Einsatz sind:
EK-TM4C123GXL LAUNCHPAD TM4C123G EVAL BRD von Texas Instruments
LAUNCHXL-F28069M LAUNCHPAD TMS320F28069M EVAL BRD von Texas Instruments
DEV-14058 TEENSY 3.6 W/ HDRS K66 EVAL BRD von SparkFun Electronics
2488 METRO ATM von Adafruit Industries LLC
3333 CIRCUIT PLAYGROUND EXPRESS von Adafruit Industries LLC
ATTINY104-XNANO XPLAINED von Microchip Technology
ATMEGA168PB-XMINI XPLAINED von Microchip Technology
MIKROE-2714 EASYPIC FUSION V7 von MikroElektronika
LPC845-BRK MCUXPRESSO LPC84X EVAL BRD von NXP USA Inc.
FRDM-KL25Z FREEDOM KL1X/KL2X DEV EVAL BRD von NXP USA Inc.
EFM8BB1LCK EFM8 8051 BUSY BEE 1 DEV KIT von Silicon Labs
CY8CKIT-043 PSOC 4200M EVAL BRD von Cypress Semiconductor Corp
MAX32625PICO# EVAL BRD von Maxim Integrated
QB-R5F100LE-TB RL78/G13 EVAL BRD von Renesas Electronics America Inc
EVAL-ADUC7020MKZ MINIKIT ADUC7020 EVAL BRD von Analog Devices Inc.
RB-D62Q1577TB100 ML62Q1577 REFERENCE BOARD von Rohm Semiconductor
LANDUNGSBRUECKE LANDUNGSBRÜCKE K20 EVAL BRD von Trinamic Motion Control GmbH
AM13L-STK2 MN101L EVAL BRD von Panasonic Electronic Components
101-1326 DELUXE RCM6700 EVAL BRD von Digi
Weitere FPGA-Entwicklungs-Boards für den industriellen Einsatz sind:
TEBB0714-01 SOM SIMPLE BASE ARTIX-7 TE0714 von Trenz Electronic GmbH
P0082 DE0-NANO EVAL BOARD von Terasic Inc.
6003-410-017 PYNQ-Z1: PYTHON DEV BOARD von Digilent, Inc.
Fazit
Es kommt am Ende auch immer auf die bisher gemachten Erfahrungen bei der Entwicklung an, welches Evaluierungsboard man auswählt, oder besser gesagt mit welcher Prozessorarchitektur und/oder welchem Hersteller man schon vertraut ist.