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使用微控制器开发板作为单板计算机

作者:Bill Giovino

投稿人:Digi-Key 北美编辑

半导体供应商利用评估板和演示板等开发板为其微控制器提供支持。这些板的预期用途是让工程师能够首先熟悉目标微控制器,然后协助进行微控制器硬件和固件开发。这类板涵盖的范围非常广泛,从针座连接器提供通用输入/输出 (GPIO) 的最简单板,到带有小键盘和 LCD 显示屏的复杂板。由于可获取的此类开发板种类繁多,一些工程师开始选择这些板进行批量采购,以用于工业应用。

不过,与工业质量的单板计算机 (SBC) 不同,开发板通常未经过严格的制造商质量保证 (QA) 测试,难以保证在工业条件下能够连续使用。开发板通常仅在室温和低湿度条件下进行 QA。这就给连续使用应用中的可靠性和适用性带来问题。尽管开发板使用的半导体和硬件元器件仍是经过 QA 测试,并且面向商业或工业用途且经过相关测试,但工程师需要了解开发板与工业 SBC 间有哪些不同规定,以及工程师应该进行何种级别的测试,然后再核准开发板用于连续使用。

为解决这些问题,本文将讨论这些开发板存在的局限性,如何正确确定它们对目标应用的适用性,以及工程师在选择用于连续应用用途的开发板时需要考虑哪些问题。之后,我们将研究 STMicroelectronicsInfineon Technologies 的两块开发板,并讨论它们何以适合连续使用的应用。

工业 SBC 的质量保证

在控制工业机电设备以及管理物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 节点时,现成的工业 SBC 是最常用的方法。SBC 已填入经过测试的元器件,并附带完整的使用文档。如果量足够大,并且没有现成的 SBC 能以适当的价格提供所需的功能,则可以选择定制设计的 SBC。但是,已经过测试的现成解决方案可能仍优于定制 SBC,因为它能实现更快的开发速度和更短的上市时间。

在将设计发布生产之前,SBC 的制造商会对新板进行一系列严格的质量控制测试。专为工业用途而设计的 SBC 会经过严格的质量控制测试,以确保它们可以在目标应用中可靠地运行。对于额定温度为 -40°C 至 +85°C 的常见工业应用,应基于额定温度范围选择工业级半导体和硬件。这些元器件会安装到印刷电路板上,并且电路板所用材料也能在额定温度范围内正常工作。对于某些应用,可以在 SBC 上涂覆保形涂层,以保护电路板免受湿气、灰尘和环境颗粒以及化学溢出物的影响。

新型工业 SBC 的初始 QA 包括对电流和电压的电气额定值上限和下限进行台架测试。完成此基本测试后,新型 SBC 接着会经历完整而漫长的 QA,并在目标冷热极限温度以及极限湿度和振动条件下进行全面运行测试。新型工业 SBC 的制造商还可以进行应力测试,在极端条件下进行数天的测试。任何故障,无论多小,都会被记录下来,并认真追踪其原因。测试失败可能导致元器件被更换或重新设计 SBC。QA 测试可能耗时数周甚至数月。只有当 SBC 设计完全合格后,制造商才会最终将该板发布生产。现在,投产的每个 SBC 在生产线的末端都会进行快速测试,这些测试通常需要不到一分钟的时间。

即使在 SBC 发布生产后,测试也没有停止。工业 SBC 的制造商可能按季度或按年度,随机从生产中抽出一个 SBC 并对其进行完整的 QA,以确保质量得到保持。

这些 QA 结果通常会提供给客户。此外,在发生任何变更时,例如更换了板元器件,SBC 制造商还会向 SBC 客户发送工程更改通知 (ECN)。

微控制器开发板

微控制器制造商以及第三方工具提供商都提供了用于支持微控制器的开发板。评估板不过是用于一般微控制器研究和检查基本操作的板。演示板用于演示微控制器的操作,并且通常更为复杂,具有闪烁的 LED、开关和 LCD 显示屏。开发板则用于硬件和固件开发。

实际上,评估板、演示板和开发板等并非标准化名称,板的目标用途之间存在很大的重叠。与其功能相比,板的名称不太重要,直接将所有板归并到术语“开发板”下面更容易一些,也不易造成混淆。

工业用开发板测试

由微控制器制造商发布或由第三方提供的开发板所经过的测试则不及工业 SBC 那么严格。元器件通常为商用级,不过某些板也包含工业级元器件。开发板设计为仅在室温下运行。开发板的首批原型将会经过数天或数周的室温测试,不过这一点根据不同的制造商存在很大的差异。开发板的唯一目标质量要求是能够在室温下运行。可以肯定的是,开发板没有经过极端温度、高湿度、振动或冲击条件下的测试。

在确定工业应用中应使用哪种开发板时,主要目标是降低风险。因此,应首先了解电路板制造商,具体而言,了解制造商的停产 (EOL) 政策和开发板历史,这一点很重要。工程师最需要避免的做法是,在完美的板因 EOL 而停产之前进行大批量采购。如果制造商有维持开发板生产的历史,则可以安全地向他们采购开发板。但如果制造商有定期停产这类板的历史,那么采购的风险就太高了。

在决定是否在工业应用中使用某种开发板时,应查看板上的元器件;确保元器件具有适合目标应用的适当温度等级。如果板将用在与操作人员共存的工业环境中,则商用级元器件对于该应用可能便够用了。所有连接器或其他关联的硬件零件均应进行检查,确保已牢固安装。任何未焊接的螺丝都应使用螺丝刀轻轻地进行转动测试——松动过大的情况需要警惕,这可能表明 QA 过程不一致。

如果板的元器件和结构可以接受,最好同时在高温条件下对三块以上的板进行为期数天的应力测试。为了更好地了解生产一致性,应按时间顺序单独购买各个测试板,以便对不同的板生产批次进行抽样。任何故障都是有害的,除非制造商可以充分解释该故障为例外情况,否则应另选一块开发板。

如果板将要在高湿度环境中使用,则应该在相应湿度的环境中进行测试。开发板并非面向高湿度应用而设计。印刷电路板上可以涂覆保形涂层以达到防潮的效果,前提是妥善保护连接器和电气触点不受涂层影响。

此外,还应该与制造商联系,确认他们是否在每次变更板时会发送 ECN。通常情况下,开发板做不到这一点,因此,为了安全起见,所有购入的板都应目视验证是否存在元器件变更。

如果板将要在高振动环境中使用,则应将其安装在测试框架中进行振动测试。测试结束时,应目视检查是否存在裂纹或变形。应检查螺丝和卡式固定座是否松动。任何故障或缺陷都是有害的,并应将相应的板排除在考虑之外。

用于连续使用的开发板

以下是两个可能适合连续使用的工业应用的开发板示例。制造商没有对这些板的连续工业使用进行认证:工程师应自行进行测试,鉴定板是否适合特定的最终应用。

制造商通过常用的 Arduino 外形尺寸提供了许多板衍生器件。例如,STMicroelectronics 的 NUCLEO-L4P5ZG 基于 Arm® Cortex®-M4 微控制器。该板的布局概览展示了其众多功能(图 1)。NUCLEO-L4P5ZG 具有一组针座连接器,以便应用能够使用微控制器的所有 GPIO。

STMicroelectronics 的 NUCLEO-L4P5ZG Arduino 兼容型 Nucleo 板图片图 1:STMicroelectronics 的 NUCLEO-L4P5ZG 是一款 Arduino 兼容型 Nucleo 板,该板具有基本的开发板功能,将所有 GPIO 引脚汇集到针座连接器。它有三个用户可编程的 LED、一个用户按钮和一个复位按钮。(图片来源:STMicroelectronics)

NUCLEO-L4P5ZG 的一个重要优势在于,GPIO 与许多 STMicroelectronics 的 Nucleo 系列 Arduino 兼容板也兼容。这意味着在产品停产的情况下,可以使用兼容的 Nucleo 第二来源替代品。该板具有受固件控制的三个 LED 和一个按钮,以及一个硬接线的复位按钮。LED 指示灯可以显示简单的状态,硬复位按钮可以让电路板从固件锁死中快速恢复。它具有受固件控制的 USB OTG 全速连接器,以及用于编程和调试的 micro USB 连接器。白色的印刷电路板在温暖的环境中更易于散热。NUCLEO-L4P5ZG 适合需要管理 I/O(例如传感器、开关和致动器 I/O)的应用。

另一个可能用于应用的开发板示例是 Infineon Technologies 的 KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 套件。它同样基于 Arm Cortex-M4,并具有全套 Arduino 焊盘,但没有针座连接器(图 2)。Relax 套件适合通过 RJ45 连接器实现以太网联网的联网应用或基本 IIoT 节点。它具有受固件控制的两个按钮和两个 LED,以及一个复位按钮。

Infineon Technologies 的 KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 套件图片图 2:Infineon Technologies 的 KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 套件将所有 GPIO 汇集至印刷电路板的接触孔。它通过可用的以太网和 USB 连接器支持串行接口,并可以使用 microSD 卡插槽扩展内存。(图片来源:Infineon Technologies)

Infineon 的 Relax 套件还具有 microSD 卡插槽。只需通过交换不同的 microSD 闪存卡,便能轻松地更换用于不同板的固件或应用数据。该套件适合需要监视传感器、开关和控制致动器的耐用型联网应用,而 microSD 卡在需要定期更改固件或数据的情况下非常有用,其效率高于对板进行重新编程。

总结

微控制器开发板也可以用作工业应用板,前提是在用于目标应用之前经过了仔细挑选和测试。工程师在使用前需要对硬件进行严格的测试,并仔细检查制造商的供应可靠性,包括 EOL 政策。由于可供选择的开发板种类繁多,工程师可以轻松找到通过内部 QA 的板,以用于工业应用。

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关于此作者

Bill Giovino

Bill Giovino 是一名电子工程师,拥有美国雪城大学的电气工程学士学位,是先后从设计工程师、现场应用工程师跨界到技术营销部门的少数成功人士之一。

25 年来,Bill 一直喜欢在技术和非技术用户面前为包括 STMicroelectronics、Intel 和 Maxim Integrated 在内的许多公司推广新技术。在 STMicroelectronics 工作期间,Bill 作为领头人帮助该公司在微控制器领域取得了早期成功。在 Infineon,经过 Bill 精心策划,该公司的首个微控制器设计便在美国汽车领域大获全胜。作为 CPU Technologies 公司的营销顾问,Bill 帮助了许多公司,让其表现不佳的产品大获成功。

Bill 是物联网的早期尝试者,包括将第一个完整的 TCP/IP 协议栈植入微控制器。Bill 秉持“教育式销售”信条,在通过在线促销产品时强调清晰明了的书面沟通的重要性。他是广受欢迎的 LinkedIn 半导体市场营销群的群主,精通 B2E。

关于此出版商

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