什麼是快速原型開發？
快速原型開發是涵蓋微控制器硬體、開發軟體和服務的統稱。它指的是將最初的想法快速轉化為實際產品所需的工具和技術。隨著現代嵌入式產品的日益複雜，該術語也在不斷發展演變。如今，快速原型開發生態系統涵蓋了實體硬體、無線網路和雲端服務，從而能夠實現高度互聯且易於使用的產品。同時，我們也將其納入節能型電池供電設備。
圖 1 展示了快速原型開發與生產之間的關係，並將其分為三個階段：
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初步演示：這是將創意轉化為可運行原型的關鍵階段。它與創客社群有著天然的重疊之處。創客社群受好奇心和熱情驅動，而快速原型製作社群則更注重生產。
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面向製造的設計：在此階段，可運行原型將準備投入生產。根據待生產單元的總數，存在幾個交叉點。就本文而言，這些交叉點被定義為極小批量（<10 個單元）和小批量（1000 個單元）。對於最小的批量生產，設計人員可以直接使用原型硬體。對於低於 1000 個單元的小批量生產，設計人員可以對原型硬體進行修改。對於大批量生產，設計團隊將尋求客製化硬體，以優化低成本和易於製造性。
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生產：在最終的生產階段，設計團隊將為給定的生產批量選擇最佳的可用方案。
技術提示：小批量、中批量和平均批量之間的差異反映了收回工程投入所需的時間。當大量較大時，產品成本優化可以帶來良好的投資報酬率（ROI）。例如，花費一個月的工程時間將每件產品的成本降低 100 美元，就是合理的投資回報。批量越大，投入成本降低的重視程度和研發時間就越多。相較之下，小批量產品的成本優化幾乎沒有投資回報。
請注意，面向量產的設計階段仍有改進空間。透過小規模的成功，設計團隊可以優化後續的量產。 3D 列印機的不斷發展就是一個很好的例子，每一代產品都在持續改進。
快速原型機的例子有哪些？
Arduino Portenta Proto Kit VE 是嵌入式系統快速原型機的典型代表。此套件的基礎架構如圖 2 所示，圖中可看到 Portenta H7 安裝在 Mid 載板上，並預留了 4G、GNSS、環境感測器和視覺模組的介面。
Arduino 套件包含圖 2 中未顯示的其他設備，例如 4G GNSS 模組、環境感測板、IMU 以及視覺模組。同樣重要的是，該卡可擴展至乙太網路連接設備。在您的嵌入式專案中，這款「瑞士軍刀」的應用方式可謂數不勝 數。
技術提示：系統級模組 (SOM) 與快速原型開發密切相關。如圖 2 所示，Arduino H7 就是一個典型的例子。它包含雙核心處理器、Wi-Fi、藍牙、乙太網路 PHY 以及頂級 STM32H7 系列處理器應有的所有周邊。載板為 SOM 提供額外的支 援。
就批量生產而言，小批量生產可以直接使用 SOM 和載板。小批量生產可以使用 SOM 搭配專用開發板。而大規模生產，如果注重成本控制，則可以省略 SOM，但保留 STM32H7。最終的選擇取決於投資報酬率（ROI ） 。
快速原型開發的優點和缺點是什麼？
在我看來，這是一種偽二分法。鑑於需要在短時間內開發新產品，我們別無選擇，只能利用現有最佳工具。如今，這些工具包括系統級模組（SOM）和加固型載板。同樣重要的是，我們需要充分利用軟體。例如，你還記得 Git 出現之前的日子嗎？那可遠沒有現 在這麼美好。
我們還需要考慮設計的周期性。有時，開發一個可運行的原型是首要考慮因素。我認為這是制定系統規範的必要步驟。是的，在編寫程式碼之前，我們應該明確定義專案應該做什麼和不 應該做什麼。
永遠記住弗雷德布魯克斯在《人月神話》 一書中 的文章 ：
做好丟掉一個的準備：反正你遲早都會這麼做。
雖然我是電子領域的通才，但我看過太多這樣的例子。人們在系統規範方面舉步維艱。我們在真正了解現狀之前就鎖定了規範。借助快速原型製作，我們可以迅速提升知識水平。透過來自真實系統的回饋，我 們可以獲得寶貴的知識。
技術提示：嵌入式專案涵蓋範圍很廣，從模糊泰迪熊之類的趣味應用到四重備援的汽車安全硬體。您的設計團隊必須仔細考慮應用場景，並 選擇合適的工具和技術。
回到圖 1，擴展維恩圖（Venn diagram）有助於展示快速原型製作與安全關鍵型和合規驅動型領域之間的重疊部分。此外，我們或許可以使用「創客」設備來建立原型，但在生產階段的設計中 仍需添加安全性和合規層 。
完結前感想
快速原型製作很難精確定義。它與創客領域以及安全關鍵型應用領域重疊，難以用單一定義概括。然而，如果我們從生產規模的角度來定義快速原型製作生態系統，最簡單的解釋就成立了。硬體、軟體和網路服務支援小批量生產中從 原型到量產的快速、無縫過渡。
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