Les kits de développement de microcontrôleurs ciblés pour les applications permettent d'accélérer la commercialisation

De nombreux fournisseurs conçoivent actuellement des kits de développement de microcontrôleurs ciblés pour des applications spécifiques. Contrairement aux kits plus génériques, principalement axés sur des activités éducatives générales et comprenant habituellement des modèles avec des exemples simples de clignotement de DEL, les kits de développement fournissent suffisamment de matériel et de logiciels pour vous donner une longueur d'avance considérable sur une conception réelle. Des kits ciblés pour la commande moteur, la mesure d'énergie intelligente, la surveillance des soins, le traitement audio et pouvant héberger d'autres applications permettent d'accélérer de manière considérable la commercialisation.

Afin de créer ces types de kits, les fabricants ont sélectionné plusieurs stratégies, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. Certains fournisseurs créent une carte optimisée pour un matériel spécifique, tandis que d'autres conçoivent des cartes mères de microcontrôleur très génériques avec un certain nombre de modules d'extension pouvant servir à créer des lots ciblés pour des applications. La compréhension de ces stratégies et des avantages et inconvénients associés vous permettra de sélectionner le kit de développement le plus adapté à vos exigences de conception. Après avoir décrit les types de stratégies de kit de développement les plus courants, nous nous intéresserons à des exemples de conceptions typiques pour découvrir leur mise en œuvre avec quelques kits de développement facilement disponibles.

L'approche plateforme modulaire

L'approche fondée sur une plateforme est une stratégie communément utilisée par les fabricants puisqu'elle est très économique. Habituellement, le point de départ est une carte de microcontrôleur assez générique avec peu de matériel dédié embarqué. La carte est dotée d'un nombre important de connecteurs d'interface standard afin de prendre en charge l'ensemble des différents périphériques et les E/S à usage général du dispositif. Une norme mécanique concernant les connecteurs d'interface permet de créer des cartes d'extension faciles à brancher pour divers périphériques. Si une connexion Ethernet est requise, il suffit d'acquérir le module d'extension Ethernet servant à convertir le connecteur d'interface, ainsi que la magnétique requise ou d'autres composants de couche physique, vers un jack Ethernet. Ces cartes Breakout peuvent être très bon marché, tout en permettant de nombreuses configurations.

De nombreux fabricants fournissent également des modules d'extension pour des dispositifs auxiliaires. Besoin d'un accéléromètre ? Il est probablement disponible sous forme de carte d'extension. La plupart des cartes d'extension sont également fournies avec les pilotes et les exemples de routines de logiciels nécessaires pour ajouter la fonctionnalité souhaitée à un système existant. Dans certains cas, le code d'exemple est en fait intégré à une conception de référence, ce qui permet de lancer votre projet encore plus facilement.

Vous pouvez découvrir la manière dont les fabricants tirent profit de l'approche fondée sur une plateforme. Les cartes d'extension peuvent être utilisées dans plusieurs conceptions de référence, ce qui permet d'exploiter le coût de développement sur plusieurs applications cibles. Par ailleurs, il est possible de mettre à profit l'effort déployé pour le développement du pilote, les tests et les fonctions de haut niveau sur plusieurs autres cibles d'application, généralement avec des modifications minimes. Lorsque le fabricant inclut certains de ses propres dispositifs auxiliaires, par exemple des convertisseurs analogiques, de la mémoire, des composants de couche physique ou même des composants passifs sur la carte d'extension, il peut créer davantage de possibilités de ventes. La multiplication des opportunités commerciales permet de justifier le coût de développement des différentes cartes, du micrologiciel et du matériel de support.

Un exemple de plateforme modulaire : Le Tower System de Freescale

Le Tower System de Freescale est un très bon exemple d'approche basée sur une plateforme. Cette approche modulaire (Figure 1) utilise des cartes à une ou deux faces pour connecter une carte principale et jusqu'à trois cartes d'extension. Les cartes principales présentent également un connecteur enfichable par le haut afin de pouvoir ajouter des modules d'extension compatibles, notamment des claviers, des accéléromètres ou des pavés tactiles rotatifs sans utiliser de manière excessive les emplacements d'extension de la carte. Notez que la carte latérale peut être dotée de connecteurs supplémentaires, ce qui permet d'utiliser des cartes périphériques montées sur le côté, par exemple une carte LCD si davantage de fonctionnalités sont requises. L'approche de conception modulaire facilite la construction d'un système avec pratiquement n'importe quelle combinaison de fonctionnalités.



Le Tower System peut être utilisé avec une variété de modules de contrôleur/de processeur qui sont équipés de microcontrôleurs et d'unités de protection des mémoires 8, 16 et 32 bits de Freescale. Ces modules de contrôleur fournissent des points de démarrage faciles à utiliser pour la conception. Un grand nombre de périphériques communs, notamment les connecteurs de port série et USB, sont natifs sur le module de contrôleur, de telle sorte que seuls les périphériques spécifiques aux applications nécessitent l'utilisation de cartes d'extension.

Le Tower System inclut des logiciels, ce qui vous permet d'utiliser des pilotes et des API de faible niveau, ainsi que des systèmes RTOS, TCP/IP, des piles USB ou des systèmes de fichier. Un grand nombre de routines d'exemple et de conceptions de référence sont également disponibles pour vous permettre de convertir la conception de votre logiciel en un processus modulaire, identique à celui utilisé pour créer la plateforme matérielle.

Une conception de démonstration de serveur Web complète (TWR-K60F120M-KIT) peut être facilement créée à l'aide de composants matériels et logiciels pour le Tower System. Le système peut alimenter des pages Web à l'aide des piles logicielles modulaires fournies pour chacune des fonctions clés. Des cartes d'extension de capteur permettent de transformer facilement le serveur Web en un système de contrôle et de mesure distant basé sur le réseau. Un système de contrôle de capteur distant peut être prototypé et testé grâce au format pratique, quoiqu'un peu encombrant, du Tower System, étant donné qu'un capteur distant présente habituellement très peu de contraintes pour des tests sur le terrain. Cependant, il est possible d'effectuer une large variété de tests, et la mise en œuvre modulaire signifie qu'il est possible de configurer de nouveau les capteurs et les interfaces de contrôle ou de les échanger (interne et externe) pour valider différentes combinaisons fonctionnelles. La flexibilité de l'approche modulaire est un avantage clé lorsque plusieurs configurations système doivent être testées en laboratoire ou lors d'un essai sur le terrain.

L'approche dédiée

L'approche dédiée utilisée pour créer une plateforme de développement ciblée diffère principalement en ce qui concerne l'implémentation matérielle. L'approche dédiée fournit le matériel nécessaire pour l'application cible, avec une capacité d'extension réduite par rapport à l'approche de plateforme modulaire. Du point de vue d'un fabricant, l'approche dédiée peut nécessiter davantage d'efforts, étant donné qu'un développement utilisant l'approche modulaire peut exploiter plusieurs fois des modules développés précédemment. Cependant, l'avantage pour le fabricant repose sur le fait que le système cible peut beaucoup plus s'approcher la conception finale. En réalité, le concepteur peut utiliser la configuration de carte (fournie habituellement par le fabricant) et la nomenclature directement dans la conception de production. Si le fabricant fournit la plupart des composants de la nomenclature, il est plus que probable que le concepteur spécifiera l'ensemble des dispositifs du fabricant dans le produit final.

La commande moteur est l'un des domaines d'application qui utilisent habituellement l'approche dédiée. Les applications qui présentent des exigences de haute puissance sont souvent dédiées puisque les exigences de disposition pour les composants haute puissance, par exemple un TRIAC de variateur moteur, des convertisseurs de puissance, et les inductances et condensateurs associés, sont souvent essentielles pour un fonctionnement fiable. Le contrôleur moteur universel 2000 W STEVAL-IHM029V1 de STMicroelectronics (Figure 2) constitue un bon exemple de ce type d'approche. Tous les composants électroniques requis pour commander le moteur se trouvent sur une seule carte CI. L'entrée d'alimentation secteur peut être de 90 ou 250 V_CA à 50 ou 60 Hz. Une connexion simple à un moteur universel sert de sortie.



Un microcontrôleur 8 bits, le STM8S103F2P6, permet de contrôler la carte et de gérer l'algorithme de commande moteur. La carte inclut d'autres dispositifs STMicroelectronics, conformément à la stratégie de plateforme dédiée visant à utiliser des composants associés, parmi lesquels le convertisseur de puissance VIPer16LN, le TRIAC T1235H-6I et le régulateur linéaire L7905CP. La documentation de carte inclut également la disposition détaillée (fichiers Gerber) et un certain nombre de routines et de résultats de tests pour des fonctions de commande moteur clés, par exemple le démarrage progressif, le fonctionnement basse consommation, le fonctionnement haute puissance, la commutation au zéro de la tension et des résultats de test CEM. Le format compact de la conception peut être facilement utilisé comme point de départ pour un produit de production, l'objectif de la plupart des approches de plateforme dédiées.

La carte de démonstration de commande moteur universelle décrite ci-dessus peut être facilement utilisée pour prototyper un petit système de commande moteur comme ceux des robots culinaires, des machines à café ou d'autres petits appareils électroménagers. Son format bien plus compact que celui des plateformes de développement modulaires, bien plus volumineuses, permet la création d'un prototype se rapprochant de la taille du produit final. En implémentant une interface utilisateur simple via le microcontrôleur embarqué, ainsi que les différents algorithmes de commande moteur, il est possible de créer rapidement un prototype système. Cela peut être utile pour effectuer des tests clients individuels ou en groupe. Lorsqu'on peut avoir un retour à partir d'expériences d'utilisation réelle par des clients, il est possible de découvrir des problèmes fonctionnels susceptibles de ne pas survenir dans des tests en laboratoire. Par ailleurs, le retour des clients peut être précieux pour connaître les modèles d'utilisation prévus pour le produit. Souvent, le client souhaite des utilisations différentes ou nouvelles, ce qui peut ouvrir des applications ou des segments de marché entièrement nouveaux. Ces informations inestimables ne sont disponibles que lorsqu'un système fonctionnel est utilisé.

Des plateformes dédiées légèrement revues

Vous constaterez parfois que l'approche dédiée n'est pas utilisée sans une certaine configurabilité. Prenez le Kit de développement Bluetooth audio PIC32 de Microchip (Figure 3) avec le composant PIC32MX250F128B-I/ML-ND de Microchip. La carte principale présente les ressources nécessaires pour de nombreuses applications, mais il existe également deux emplacements de carte fille, sur le côté gauche de la carte, qui peuvent servir pour des fonctions supplémentaires. La figure présente la carte fille de module radio HCI Bluetooth ainsi que la carte fille d'amplificateur de casque/sortie CNA stéréo 24 bits.


La disponibilité des deux cartes filles supplémentaires permet de répondre aux besoins de davantage d'applications. Cela signifie aussi qu'au fur et à mesure que de nouveaux dispositifs auxiliaires deviendront disponibles, éventuellement en prenant en charge d'autres normes, la conception de la carte de base ne devra pas être revue pour chaque nouveau dispositif auxiliaire. Cette concession à une certaine modularité de conception n'est pas inhabituelle lorsque des normes sont toujours en pleine évolution ou lorsqu'il est nécessaire de prendre en charge certaines options d'implémentation populaires.

Le kit de développement ci-dessus est fourni avec un programme de démonstration complet, ainsi qu'avec des routines logicielles qui peuvent être utiles pour personnaliser une mise en œuvre spécifique. Le logiciel contient une suite de codes complète qui inclut une prise en charge pour le profil de port série SPP, le profil SDAP, le profil A2DP, le profil AVRCP et une bibliothèque de décodages AAC, avec les protocoles et les interfaces de contrôleur associés. La documentation de la suite de codes indique la quantité de mémoire Flash et de mémoire SRAM nécessaire pour la conception de démonstration.

Le kit est également fourni avec un nombre important de routines de test et de résultats publiés. Des résultats de test sont fournis pour une grande variété de mesures pour la distorsion harmonique totale pour une trame 1 kHz d'un ton idéal non compressé envoyé à travers le port I2S avec et sans la pile Bluetooth ou le CNA audio. Ces types de mesures système sont particulièrement utiles dans un grand nombre d'applications pour lesquelles le développement de test peut prendre plus de temps que le développement d'applications.

Le contrôleur de diffusion audio doté de capacités de traitement audio numérique constitue un bon exemple de conception utilisant le kit audio Bluetooth. Le contrôleur peut diffuser du contenu via la connexion Bluetooth et le lire en direct ou le stocker, sous forme de fichier MP3, dans une clé USB connectée. Un écran LCD tactile sert d'interface utilisateur graphique (GUI) pour sélectionner les divers éléments du menu. Le jack de sortie peut être branché à un haut-parleur, à un casque ou à une connexion d'entrée ligne d'un système audio. Le dispositif de la gamme PIC32MX est équipé d'une unité de multiplication/division dédiée avec un pipeline séparé pour les opérations de multiplication ou de division. Cela permet d'effectuer de manière très efficace des fonctions de traitement audio numérique pour ajouter des fonctionnalités avancées d'effet de salle et d'égalisation. Le feedback client est particulièrement important pour les fonctionnalités audio avancées, étant donné qu'elles peuvent être très subjectives et difficiles à quantifier dans un paramètre de test en laboratoire uniquement. Notez qu'avec le logiciel inclus dans le kit couvrant tous les périphériques, la gestion de fichiers et les fonctions de codage audio standard, il est possible de concentrer la conception sur les fonctions de traitement audio à valeur ajoutée, en tant qu'élément de différenciation, ainsi que sur l'effort de développement de code.

En plus de tests côté client sur les fonctions audio, il est également possible d'effectuer des tests client sur l'interface utilisateur graphique prévue pour le produit final. Cela permet d'obtenir un retour client sur le fonctionnement de l'interface utilisateur graphique et de découvrir les commandes ou les processus qui prêtent à confusion ou sont difficiles à comprendre. Une interface utilisateur graphique conviviale et intuitive peut être aussi difficile à évaluer objectivement dans un laboratoire de test que les fonctionnalités audio. Un essai par le client dans une configuration typique peut fournir davantage d'informations et n'est possible que si la plateforme cible ne porte pas atteinte à l'expérience du client durant le test. Les plateformes plus modulaires peuvent être difficiles à utiliser pour obtenir ce type de retour détaillé en raison de leurs formats plus encombrants.

Un exemple de conception de système

L'une des utilisations les plus importantes de la nouvelle génération de plateformes de développement dotées de fonctionnalités complètes consiste à créer un système fonctionnel complet en tant que preuve de concept ou prototype. Les essais sur le terrain, probablement dans des environnements difficiles, représentent une utilisation commune pour les prototypes de systèmes. Une implémentation typique peut utiliser plusieurs cartes, chacune optimisée pour une portion du système global. Un exemple d'un tel système fonctionnel a été créé par des ingénieurs de DigiKey à l'aide du kit de développement modulaire Launchpad MSP430 de Texas Instruments comme élément clé. Il a été combiné avec le kit de développement CC430 sans fil basse consommation pour créer un contrôleur de lancement sans fil à distance d'une micro fusée avec support de flux vidéo. Ces kits sont illustrés dans les figures 4 et 5.


Dans l'implémentation du système, le kit sans fil CC430 est positionné à côté de la micro fusée et sert à contrôler le système d'allumage de la fusée grâce à un transistor MOSFET à isolement optique. Un kit similaire positionné à plusieurs mètres de la micro fusée est relié à un ordinateur portable connecté à Internet. Il est possible de se connecter à cet ordinateur à distance et ce dernier peut envoyer des caractères, via un hyper-terminal et une liaison série câblée, vers le kit sans fil CC430. Les données sont envoyées sans fil entre les deux kits CC430. Le kit connecté à l'ordinateur portable contrôle un servo prenant en charge un smartphone utilisé pour positionner et diffuser en direct et à distance une vidéo vers le site de DigiKey où se trouve le centre de contrôle du lancement.

Sur le site de contrôle du lancement, un Launchpad MSP430 de TI équipé d'un Booster Pack tactile capacitif sert à créer l'interface utilisateur. Le matériel de l'interface utilisateur est connecté via un port série câblé à un ordinateur portable, lui-même connecté via Internet à l'ordinateur portable se trouvant sur le site de lancement distant. L'utilisateur peut, à travers le capteur tactile, déplacer le servo de contrôle à distance pour permettre à l'appareil photo du smartphone de balayer la zone du site de lancement afin de garantir la sécurité du lancement de la fusée. Une fois que toutes les conditions sont réunies, il est possible d'utiliser le pavé tactile pour envoyer la commande servant à lancer la fusée. Une vidéo illustrant le système et son fonctionnement est disponible dans la bibliothèque vidéo de DigiKey.

Résumé

En tant qu'éléments importants du système, lorsque des microcontrôleurs sont combinés à des kits de développement dotés de fonctionnalités complètes et des conceptions de référence associées, ils permettent de développer des systèmes en un temps record. Les fournisseurs adoptent différentes approches stratégiques lors de la création de ces plateformes de développement. En connaissant les avantages et les inconvénients de chaque approche, vous serez en mesure de choisir la plateforme la plus appropriée pour vos exigences de conception. Pour plus d'informations sur les kits de développement de microcontrôleur et les autres références citées dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages produits du site Web de DigiKey.