使用微控制器開發(fā)板來作為單板計算機(jī)

半導(dǎo)體供應(yīng)商利用評估板和演示板等開發(fā)板為其微控制器提供支持。這些板的預(yù)期用途是讓工程師能夠首先熟悉目標(biāo)微控制器，然后協(xié)助進(jìn)行微控制器硬件和固件開發(fā)。這類板涵蓋的范圍非常廣泛，從針座連接器提供通用輸入 / 輸出 (GPIO) 的最簡單板，到帶有小鍵盤和 LCD 顯示屏的復(fù)雜板。由于可獲取的此類開發(fā)板種類繁多，一些工程師開始選擇這些板進(jìn)行批量采購，以用于工業(yè)應(yīng)用。

不過，與工業(yè)質(zhì)量的單板計算機(jī) (SBC) 不同，開發(fā)板通常未經(jīng)過嚴(yán)格的制造商質(zhì)量保證 (QA) 測試，難以保證在工業(yè)條件下能夠連續(xù)使用。開發(fā)板通常僅在室溫和低濕度條件下進(jìn)行 QA。這就給連續(xù)使用應(yīng)用中的可靠性和適用性帶來問題。盡管開發(fā)板使用的半導(dǎo)體和硬件元器件仍是經(jīng)過 QA 測試，并且面向商業(yè)或工業(yè)用途且經(jīng)過相關(guān)測試，但工程師需要了解開發(fā)板與工業(yè) SBC 間有哪些不同規(guī)定，以及工程師應(yīng)該進(jìn)行何種級別的測試，然后再核準(zhǔn)開發(fā)板用于連續(xù)使用。

為解決這些問題，本文將討論這些開發(fā)板存在的局限性，如何正確確定它們對目標(biāo)應(yīng)用的適用性，以及工程師在選擇用于連續(xù)應(yīng)用用途的開發(fā)板時需要考慮哪些問題。之后，我們將研究 STMicroelectronics 和 Infineon Technologies 的兩塊開發(fā)板，并討論它們何以適合連續(xù)使用的應(yīng)用。

工業(yè) SBC 的質(zhì)量保證
在控制工業(yè)機(jī)電設(shè)備以及管理物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 節(jié)點(diǎn)時，現(xiàn)成的工業(yè) SBC 是最常用的方法。SBC 已填入經(jīng)過測試的元器件，并附帶完整的使用文檔。如果量足夠大，并且沒有現(xiàn)成的 SBC 能以適當(dāng)?shù)膬r格提供所需的功能，則可以選擇定制設(shè)計的 SBC。但是，已經(jīng)過測試的現(xiàn)成解決方案可能仍優(yōu)于定制 SBC，因為它能實現(xiàn)更快的開發(fā)速度和更短的上市時間。

在將設(shè)計發(fā)布生產(chǎn)之前，SBC 的制造商會對新板進(jìn)行一系列嚴(yán)格的質(zhì)量控制測試。專為工業(yè)用途而設(shè)計的 SBC 會經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制測試，以確保它們可以在目標(biāo)應(yīng)用中可靠地運(yùn)行。對于額定溫度為 -40°C 至 +85°C 的常見工業(yè)應(yīng)用，應(yīng)基于額定溫度范圍選擇工業(yè)級半導(dǎo)體和硬件。這些元器件會安裝到印刷電路板上，并且電路板所用材料也能在額定溫度范圍內(nèi)正常工作。對于某些應(yīng)用，可以在 SBC 上涂覆保形涂層，以保護(hù)電路板免受濕氣、灰塵和環(huán)境顆粒以及化學(xué)溢出物的影響。

新型工業(yè) SBC 的初始 QA 包括對電流和電壓的電氣額定值上限和下限進(jìn)行臺架測試。完成此基本測試后，新型 SBC 接著會經(jīng)歷完整而漫長的 QA，并在目標(biāo)冷熱極限溫度以及極限濕度和振動條件下進(jìn)行全面運(yùn)行測試。新型工業(yè) SBC 的制造商還可以進(jìn)行應(yīng)力測試，在極端條件下進(jìn)行數(shù)天的測試。任何故障，無論多小，都會被記錄下來，并認(rèn)真追蹤其原因。測試失敗可能導(dǎo)致元器件被更換或重新設(shè)計 SBC。QA 測試可能耗時數(shù)周甚至數(shù)月。只有當(dāng) SBC 設(shè)計完全合格后，制造商才會最終將該板發(fā)布生產(chǎn)。現(xiàn)在，投產(chǎn)的每個 SBC 在生產(chǎn)線的末端都會進(jìn)行快速測試，這些測試通常需要不到一分鐘的時間。

即使在 SBC 發(fā)布生產(chǎn)后，測試也沒有停止。工業(yè) SBC 的制造商可能按季度或按年度，隨機(jī)從生產(chǎn)中抽出一個 SBC 并對其進(jìn)行完整的 QA，以確保質(zhì)量得到保持。

這些 QA 結(jié)果通常會提供給客戶。此外，在發(fā)生任何變更時，例如更換了板元器件，SBC 制造商還會向 SBC 客戶發(fā)送工程更改通知 (ECN)。

微控制器開發(fā)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開發(fā)板。評估板不過是用于一般微控制器研究和檢查基本操作的板。演示板用于演示微控制器的操作，并且通常更為復(fù)雜，具有閃爍的 LED、開關(guān)和 LCD 顯示屏。開發(fā)板則用于硬件和固件開發(fā)。

實際上，評估板、演示板和開發(fā)板等并非標(biāo)準(zhǔn)化名稱，板的目標(biāo)用途之間存在很大的重疊。與其功能相比，板的名稱不太重要，直接將所有板歸并到術(shù)語“開發(fā)板”下面更容易一些，也不易造成混淆。

工業(yè)用開發(fā)板測試
由微控制器制造商發(fā)布或由第三方提供的開發(fā)板所經(jīng)過的測試則不及工業(yè) SBC 那么嚴(yán)格。元器件通常為商用級，不過某些板也包含工業(yè)級元器件。開發(fā)板設(shè)計為僅在室溫下運(yùn)行。開發(fā)板的首批原型將會經(jīng)過數(shù)天或數(shù)周的室溫測試，不過這一點(diǎn)根據(jù)不同的制造商存在很大的差異。開發(fā)板的唯一目標(biāo)質(zhì)量要求是能夠在室溫下運(yùn)行。可以肯定的是，開發(fā)板沒有經(jīng)過極端溫度、高濕度、振動或沖擊條件下的測試。

在確定工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)使用哪種開發(fā)板時，主要目標(biāo)是降低風(fēng)險。因此，應(yīng)首先了解電路板制造商，具體而言，了解制造商的停產(chǎn) (EOL) 政策和開發(fā)板歷史，這一點(diǎn)很重要。工程師最需要避免的做法是，在完美的板因 EOL 而停產(chǎn)之前進(jìn)行大批量采購。如果制造商有維持開發(fā)板生產(chǎn)的歷史，則可以安全地向他們采購開發(fā)板。但如果制造商有定期停產(chǎn)這類板的歷史，那么采購的風(fēng)險就太高了。

在決定是否在工業(yè)應(yīng)用中使用某種開發(fā)板時，應(yīng)查看板上的元器件；確保元器件具有適合目標(biāo)應(yīng)用的適當(dāng)溫度等級。如果板將用在與操作人員共存的工業(yè)環(huán)境中，則商用級元器件對于該應(yīng)用可能便夠用了。所有連接器或其他關(guān)聯(lián)的硬件零件均應(yīng)進(jìn)行檢查，確保已牢固安裝。任何未焊接的螺絲都應(yīng)使用螺絲刀輕輕地進(jìn)行轉(zhuǎn)動測試——松動過大的情況需要警惕，這可能表明 QA 過程不一致。

如果板的元器件和結(jié)構(gòu)可以接受，最好同時在高溫條件下對三塊以上的板進(jìn)行為期數(shù)天的應(yīng)力測試。為了更好地了解生產(chǎn)一致性，應(yīng)按時間順序單獨(dú)購買各個測試板，以便對不同的板生產(chǎn)批次進(jìn)行抽樣。任何故障都是有害的，除非制造商可以充分解釋該故障為例外情況，否則應(yīng)另選一塊開發(fā)板。

如果板將要在高濕度環(huán)境中使用，則應(yīng)該在相應(yīng)濕度的環(huán)境中進(jìn)行測試。開發(fā)板并非面向高濕度應(yīng)用而設(shè)計。印刷電路板上可以涂覆保形涂層以達(dá)到防潮的效果，前提是妥善保護(hù)連接器和電氣觸點(diǎn)不受涂層影響。

此外，還應(yīng)該與制造商聯(lián)系，確認(rèn)他們是否在每次變更板時會發(fā)送 ECN。通常情況下，開發(fā)板做不到這一點(diǎn)，因此，為了安全起見，所有購入的板都應(yīng)目視驗證是否存在元器件變更。

如果板將要在高振動環(huán)境中使用，則應(yīng)將其安裝在測試框架中進(jìn)行振動測試。測試結(jié)束時，應(yīng)目視檢查是否存在裂紋或變形。應(yīng)檢查螺絲和卡式固定座是否松動。任何故障或缺陷都是有害的，并應(yīng)將相應(yīng)的板排除在考慮之外。

用于連續(xù)使用的開發(fā)板
以下是兩個可能適合連續(xù)使用的工業(yè)應(yīng)用的開發(fā)板示例。制造商沒有對這些板的連續(xù)工業(yè)使用進(jìn)行認(rèn)證：工程師應(yīng)自行進(jìn)行測試，鑒定板是否適合特定的最終應(yīng)用。

制造商通過常用的 Arduino 外形尺寸提供了許多板衍生器件。例如，STMicroelectronics 的 NUCLEO-L4P5ZG 基于 Arm? Cortex?-M4 微控制器。該板的布局概覽展示了其眾多功能。NUCLEO-L4P5ZG 具有一組針座連接器，以便應(yīng)用能夠使用微控制器的所有 GPIO。

NUCLEO-L4P5ZG 的一個重要優(yōu)勢在于，GPIO 與許多 STMicroelectronics 的 Nucleo 系列 Arduino 兼容板也兼容。這意味著在產(chǎn)品停產(chǎn)的情況下，可以使用兼容的 Nucleo 第二來源替代品。該板具有受固件控制的三個 LED 和一個按鈕，以及一個硬接線的復(fù)位按鈕。LED 指示燈可以顯示簡單的狀態(tài)，硬復(fù)位按鈕可以讓電路板從固件鎖死中快速恢復(fù)。它具有受固件控制的 USB OTG 全速連接器，以及用于編程和調(diào)試的 micro USB 連接器。白色的印刷電路板在溫暖的環(huán)境中更易于散熱。NUCLEO-L4P5ZG 適合需要管理 I/O（例如傳感器、開關(guān)和致動器 I/O）的應(yīng)用。

另一個可能用于應(yīng)用的開發(fā)板示例是 Infineon Technologies 的 KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 套件。它同樣基于 Arm Cortex-M4，并具有全套 Arduino 焊盤，但沒有針座連接器。Relax 套件適合通過 RJ45 連接器實現(xiàn)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用或基本 IIoT 節(jié)點(diǎn)。它具有受固件控制的兩個按鈕和兩個 LED，以及一個復(fù)位按鈕。

Infineon 的 Relax 套件還具有 microSD 卡插槽。只需通過交換不同的 microSD 閃存卡，便能輕松地更換用于不同板的固件或應(yīng)用數(shù)據(jù)。該套件適合需要監(jiān)視傳感器、開關(guān)和控制致動器的耐用型聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，而 microSD 卡在需要定期更改固件或數(shù)據(jù)的情況下非常有用，其效率高于對板進(jìn)行重新編程。

總結(jié)
微控制器開發(fā)板也可以用作工業(yè)應(yīng)用板，前提是在用于目標(biāo)應(yīng)用之前經(jīng)過了仔細(xì)挑選和測試。工程師在使用前需要對硬件進(jìn)行嚴(yán)格的測試，并仔細(xì)檢查制造商的供應(yīng)可靠性，包括 EOL 政策。由于可供選擇的開發(fā)板種類繁多，工程師可以輕松找到通過內(nèi)部 QA 的板，以用于工業(yè)應(yīng)用。

審核編輯黃昊宇