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开发板历史及与单板计算机(SBC)的区别,未来或成最终产品

时间:2022-03-30 08:02:53 作者:Mark Patrick,贸泽电子 阅读:
在本文中,我们将解释“开发板”这个术语的含义,首先需要明确定义开发板的含义以及它们与单板计算机的区别。如今,单板计算机主要分为两类:专有型和开源型……
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近年来,“开发板”一词的含义几近消失,已经湮没在无数用于描述开发目的的其它硬件板术语中,如“演示板”、“评估套件”和“参考设计” 等。

在本文中,我们将解释“开发板”这个术语(图 1)的含义,并展示它们与密切相关的单板计算机(SBC,或单板机) 的区别。我们还绘制了它们从过去到现在的演变路线图,并讨论它们在未来如何演变的一些趋势。

 1在电子开发板上工作工程师

什么是开发板?

首先,需要明确定义开发板的含义以及它们与单板计算机的区别。尽管开发板现在也经常适用于于其他类型的组件,但它通常由微控制器制造商创建以突出强调其功能。微控制器是一种集成电路,它包含一个处理器、一些 RAM、闪存,以及一些IO 功能,允许它与现实世界进行交互。它的功能就像一个由单一封装实现的微型计算机,其目的是为开发人员提供一种与其接口和控制外部组件(如灯、小型电机等)的便捷方式。单板计算机也提供此功能,主要区别在于 CPU、RAM 和存储都包含在板上的单独 IC 中,并且接口允许它连接到键盘和/或显示器。

单板计算机上的微处理器需要操作系统,而微控制器则使用制造商提供的集成开发环境 (IDE) 进行管理。在许多情况下,制造商现在正在创建包含微控制器的开发板,但其主要目的不是演示微控制器本身的特性,而是演示传感器或与其接口的其他集成电路特性。这些被称为“演示板”、“评估套件”,或者如果它们已被组装实现了许多零部件的集合,从而能够执行某些特定目的 ,这些称为“参考设计”。

一些电路板的目的不是主要用于硬件开发,而是提供软件开发人员创建和改进人工智能和机器学习等应用算法所需的真实数据访问。虽然这些可能不符合“开发板”的原始定义和用途,但现在统称为可用于新电子产品硬件和软件开发的任何硬件。

开发板的历史

第一个引起电子工程界关注的微控制器开发板于 2006 年发布,当时发布的原型平台后来被称为 Arduino(见图 1),很快就被包括开发爱好者、业余开发者和以及 DIY工程师在内的许多电子设计人员所采纳。 Arduino 为后来的单板计算机和基于微控制器平台的商业成功奠定了基础,并在 2008 年紧随其后出现了Beagleboard ,这为工程师提供了一个低成本、开源社区支持的开发平台。 2012 年发布了第一台单板计算机Raspberry PI,与 Beagleboard 一样,它被认为是一个教育平台,旨在提供一种低成本的方式,让学生可以用来学习如何编写程序代码。 Raspberry PI 的吸引力远不止学生群体本身,它很快被业余开发者和专业工程师所采用。

2 Arduino板计算机开发板

开发板的现在

如今,单板计算机主要分为两类:专有型和开源型。专有型 SBC 通常设计用于终端应用,并通过与其他最终产品基本类似的测试和质量保证。它们要么被集成到电子设备中,要么安装在机架安装配置中。开源 SBC 让用户可以访问他们的硬件设计和布局以及他们使用的任何源代码。这使用户可以快速轻松地了解软件和硬件的运行方式,然后采用符合他们要求的设计。

如今,开发板和单板计算机已经能够配备多种处理器类型,其中包括从传统 PC领域(AMD 和 Intel)中基于 X86 的处理器,到工业和移动应用广泛使用的 ARM 处理器,而Linux 及其衍生产品(Ubuntu、Fedora、Debian 等)、Android 和 Windows CE 是 SBC 上使用最多的操作系统。微控制器开发板不需要操作系统,通过制造商提供的 IDE 进行编程。微控制器开发板和 SBC 都已发展为集成有无线连接(Wi-Fi、蓝牙)以及最新音频和视频接口,这意味着一些 SBC 现在已经具有与许多 PC 和平板电脑相当的功能。

未来的开发板成为最终产品

传统上,制造商创建开发工具的目的是将它们用作营销辅助工具,目的是提高将微控制器出售给潜在客户的可能性(在行业内通常称为“设计导入(design-in)”)。他们希望通过最大限度地减少设计工程师在实验室中启动和运行部件所需的工作量,并使他们更容易访问和研究其功能,这将使他们更有可能选择微控制器和辅助部件,进而用于最初的产品原型设计。如果该部件被选择用于大规模生产,最终将导致更大的产品订单。对于某些产品,如果来自不同供应商的零件之间的技术规格差异可以忽略不计,这是一种谨慎的方法。然而,对于制造商来说,这种方法在某些方面已经成为其自身成功的牺牲品。他们意识到必须要继续减少工程师使用他们产品所需的工作量,而开发板则已成为关键的差异化因素,特别是对于和竞争对手产品大体相似的产品。

设计工程师的期望值越来越高,即使对于具有明显竞争优势(例如功率或速度)的部件,他们仍然希望相关的开发板具有“即插即用”式的可访问性。

制造商通过提供由微控制器和其他集成电路(通常是传感器)组成的参考设计,能够进一步提高他们的价值主张。最初,这些参考设计旨在为如何互连设备以模拟最终产品的电气功能提供指导,而很少关注其外形尺寸、设计尺寸或制造便利性。然而,一些制造商已经将参考设计带到了一个新高度,可以创建成熟的产品原型,甚至是完全可行的产品。

Maxim Integrated(现为 Analog Devices 的一部分)的健康传感器平台 (HSP) 参考设计可用作描绘这一演变趋势的范例。这些参考设计的初始版本是一个小型开发板,具有适用于健康和健身应用的各种传感器(温度、压力、加速度计、生物电势等),并且可以使用微控制器进行配置。它的下一代产品 HSP2.0 和 HSP3.0 的外形尺寸已经允许佩戴在手腕上,并且看起来与市场上的其他可穿戴设备非常相似(图 3)。

 

 3 Maxim Integrated  HSP3.0

这能够使开发人员能够在实际场景中评估其传感器的功能。重要的是,这些设计还为软件开发人员提供免费访问传感器读数(其他健康和健身可穿戴设备不易获取的信息)的机会。这种方法的目的是促进机器学习和人工智能算法的开发,从而为具体应用增添价值。

通过展示硬件如何能够促进轻松访问所需数据,Maxim  Integrated希望开发人员能够在他们的传感器解决方案中选择其中部分(或全部)IC 用于其产品设计。 Maxim  Integrated将这种方法扩展到MAX 健康手腕 和 MAX心电图监测仪 等产品的开发,上述两种参考设计均经过全面设计和构造,是完全可行的可穿戴健康和设备。但Maxim  Integrated并不打算直接销售给消费者,企业可以与 Maxim  Integrated 达成协议,将这些产品打上自己的标签,以换取版税。

在所有开发工作都已经完成的情况下,对于新的客户和更广泛的非技术业务客户群体,以这种方式提供功能齐全的产品具有非常大吸引力。 Nordic Semiconductor 的 Thingy:91 是另一个开发平台示例,其中硬件几乎已经是为开发人员提供数据访问权限的附加产品,他们需要开发软件和算法,以实现硬件的内在价值(这样做很方便,利用这些算法已经成为新产品设计中的明显选择)。未来可能会有更多制造商采用这种方法。

在工业产品中增加使用开发板

将开发板和 单板计算机用于一般商业产品已经变得司空见惯,但目前的另一个新兴趋势是它们会应用于体积较小,但价值较高的工业终端产品等应用,例如可编程逻辑控制器,这些产品的标准相比其同类商业产品更加严格。

 4 可编程逻辑控制器

工业应用测试板

当今的许多 SBC 本质上已经成为经过充分验证的设计,由于其中所包含的零部件最初是为最终产品而开发,已经过测试和质量验证。另外,由于开源设计总是由一组合格的设计师和程序员不断审查,他们会更新和评估所使用的电路板和软件。

目前,单板计算机板的测试是通过高质量的设计和制造公司进行,它们会受到与任何其他最终产品一样严格的质量控制,甚至能够获得 CE 或 FCC 认证。这种测试流程还可以轻松扩展以满足工业产品的要求。

另一方面,制造商或第三方提供的微控制器开发板虽然通常适用于商业产品,但通常不会经过工业产品所需的严格测试水平,这意味着目前不建议制造商在这些应用中立即使用它们(以目前的形式)。

虽然一些开发板包含工业级组件,但这些开发板通常只是商业级,这些电路板设计为仅在室温下运行。开发板的原型通常会在室温下进行几天或几周测试,但这取决于制造商,因为其中没有设定标准。对制造商的主要质量要求是他们的开发板能够在室温下可靠运行,因此购买者应该意识到它们不太可能在极端温度或湿度下进行测试,通常也没有经过承受强烈振动或冲击等相关应力的测试。

因此,在考虑某个工业应用中使用哪种开发板时,主要目标是要降低风险。如果选择用于工业应用的开发板,其中的组件必须具有适当的温度等级。在高温下同时对几块电路板进行几天的应力测试也很必要。同样,如果计划在高湿度环境中使用开发板,则必须在可比较的条件下对其进行评估。如果开发板需要用于高振动环境,则应将其安装在测试框架中并进行振动测试。

结论

单板计算机和微控制器开发板为小公司提供了一种简捷的方式,可以将设计快速推向市场,而无需昂贵地开发新硬件。这样可使他们能够专注于软件创新,并越来越多地集中在机器学习和人工智能算法的开发。单板计算机和开发板的职能已经远远超出了最初为它们设想的范围,而且对最近电子行业的发展历程也产生了巨大影响。单板计算机会继续变得更强大、更智能、反应更灵敏,专业工程师和电子爱好者都可以轻松使用它们。

责编:Luffy
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