Auf der Reise eines professionellen Hardware-Designers kommt ein Punkt, an dem ein Entwicklungsboard-basiertes Projekt in etwas umgewandelt werden muss, das rentabel hergestellt werden kann. Der Formfaktor eines typischen Arduino- oder Raspberry Pi-Entwicklungsboards kann diesbezüglich Herausforderungen darstellen. Aber auch das Entwerfen vollständiger, benutzerdefinierter Schaltungen kann entmutigend sein, insbesondere wenn garantierte Verarbeitungsfunktionen erforderlich sind. Glücklicherweise gibt es einen Mittelweg: Die Verwendung von herstellerproduzierten Modulen mit kundenspezifischen Breakout-Boards.
Die IO- und Rechenanforderungen Ihres Produkts sind nur eine der Designüberlegungen, wenn Sie Produkte in die Wildnis schicken. Wie groß wird es sein? Braucht es Kühlung? Ist ein Wetterschutz zwingend erforderlich? Muss es vor Ort gewartet werden? Was sind die Leistungsanforderungen? All diese und eine Vielzahl anderer Bedenken bestimmen die Wahl, wo Sie ein Gleichgewicht zwischen dem, was Sie bauen, und dem, was Sie für die Verwendung in einem Produkt kaufen, finden. Boards wie Arduino Uno oder Raspberry Pi Model B sind sehr gut bekannt, können jedoch frustrierend für die Verwendung in produktiven Designs sein. Das Hinzufügen von Wi-Fi zu den meisten Arduinos erfordert im Allgemeinen externe Komponenten, daher die übliche Verwendung von ESP8266 in kommerziellen Designs. Raspberry Pis sind auf SD-Karten angewiesen, die einem System zusätzliche Fehlerquellen oder Angriffsflächen hinzufügen.
Im Idealfall entwickelt ein Designer nur die Aspekte kundenspezifisch, die das einzigartige Wertversprechen seines Produkts darstellen, und kombiniert sein kundenspezifisches Board mit kommerziellen Produkten, die gerade genug, aber nicht zu viel mehr als ihre Mindestanforderungen bieten. In einigen Fällen ist die kundenspezifische PCB klein genug, dass sie als Tochterplatine (z. B. ein „Hut“ oder „Schild“) für den Prozessor dienen kann; In anderen Fällen kann der Prozessor erheblich kleiner als die kundenspezifische PCB sein und als Modul daran befestigt werden. Am oberen Ende des Produktionsdesigns kann die Verarbeitungsleistung ein kommerzieller Chip sein, der auf die kundenspezifische Leiterplatte gelötet wird.
Ein Board eines Drittanbieters kann sich um eine Vielzahl von Standardfunktionen kümmern: Verarbeitung, Vernetzung, Speicherung, Uhr, Energieverwaltung, GPS usw. Nur wenige dieser Funktionen sind für eine kundenspezifische Entwicklung sinnvoll. Die Bestimmung der Anforderungen Ihres Designs bestimmt die Produktauswahl. Warum für ein integriertes GPS bezahlen, wenn Ihr Produkt keine Ortungsdienste benötigt?
Formfaktor und Stromverbrauch sind ebenfalls wichtige Faktoren bei der Auswahl der richtigen Komponente. Wird die benutzerdefinierte Leiterplatte größer oder kleiner als die Prozessorplatine sein – wer ist mit wem verbunden?
Kann der Formfaktor des Produkts Platinen unterstützen, die über GPIO-Pins und -Stiftleisten gestapelt sind, oder muss es flach bleiben und erfordert Kantenverbinder oder Flachbandkabel?
Werfen wir einen Blick auf einige System-on-Module (SoM)-Angebote, die Markterfolg erzielt haben: Raspberry Pi Compute Module, Sparkfun MicroMod, Particle SoM und die Nvidia Jetson-Serie. Es gibt viele andere Optionen, aber diese Boards repräsentieren große Anbieter, die alle unterschiedliche Ansätze für die Produktintegration bieten.
RASPBERRY PI RECHENMODULE
Die Einplatinencomputer der Raspberry Pi-Serie haben die Landschaft der Embedded-Entwicklung verändert, indem sie ein vollständiges und gemeinsames Betriebssystem (OS), Linux, auf einer Plattform von der Größe vieler Mikrocontroller-Platinen bereitgestellt haben. Mit USB-Anschlüssen, einer Fülle von GPIO-Pins zur Interaktion mit der Welt, HDMI und Erweiterbarkeit über HAT-Boards (Hardware Attached on Top) können Entwickler jahrzehntelange Linux-Apps und -Toolsets nutzen, um Embedded-Probleme auf PC-Niveau zu bewältigen.
Letztes Jahr waren 10 % der verkauften Raspberry Pi-Platinen Raspberry Pi Compute Modules (CM), eine Version des Pi mit kleinerem Formfaktor mit integriertem Speicher anstelle einer SD-Karte, Pins, aber ohne Ports für Schnittstellen wie Ethernet und HDMI (oben ) und weniger GPIO-Pins. Das Unternehmen prognostiziert, dass CMs im Jahr 2021 auf 15 % der verkauften Boards steigen werden. Von den Benutzern wird erwartet, dass sie ein benutzerdefiniertes Trägerboard erstellen, um die benötigten Ports freizulegen, oder eines der Pi IO-Boards verwenden müssen. Die auf industrielle und kommerzielle Entwickler ausgerichteten CM3 und CM4 haben sich als äußerst beliebt für „tief eingebettete“ Anwendungen erwiesen.
Wichtige Merkmale für diese Märkte sind Herstellern oft nicht vertraut. Der CM4 bietet asymmetrisches sicheres Booten, das jeden Schritt des Bootvorgangs als Schutz vor Malware kryptografisch bestätigt. Dies mag nur für Heimwerker interessant sein, ist jedoch für eine große IoT-installierte Basis von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus hat Raspberry Pi in die Schaffung eines Integrator-Programms investiert, das Benutzer mit einem engagierten Team bei UL verbindet, um sich in der komplizierten Welt der Tests und des Papierkrams zurechtzufinden, der erforderlich ist, um internationale Konformitätsstandards zu erfüllen, eine wesentliche Voraussetzung für viele Produkte.
Industrielle Prozesssteuerungen von Sfera Labs
Digital-Signage-Displays von NEC
Sie finden CM-Boards jetzt in verschiedenen Verbraucherprodukten, wie NEC Digital Signage Displays, Sfera Labs’ industriellen Prozesssteuerungen und -monitoren und dem CutiePi-Tablet (cutiepi.io) .
CutiePi-Tablet
Es gibt auch jede Menge Baseboards, die Sie kaufen, in Ihre eigenen CMs einfügen und in völlig neue Projekte einbauen können. Die Optionen Turing Pi 2 und StereoPi sind zwei gute Beispiele.
StereoPi
Turing-Pi 2
PARTIKEL-SOMs
Particle kam mit dem klaren Ziel auf den Markt, ein führender IoT-Anbieter zu werden. Ihr Angebot bietet ein End-to-End-Ökosystem bestehend aus Hardware, Betriebssystem, Konnektivität und Cloud-Infrastruktur. Edge-Computing-Anwendungen können mit einer sofort einsatzbereiten Suite von Kommunikationsprotokollen (Wi-Fi, Mobilfunk und BLE), Verwaltungstools, Berichterstellung und Sicherheit schnell entwickelt und bereitgestellt werden, ohne dass Teile und Teile aus einer Vielzahl von Komponenten zusammengesetzt werden müssen Anbieter.
Particle hat in Entwicklerkits investiert und bietet kostenlose Pläne für bis zu 100 Geräte, was einen gut dokumentierten und ansprechenden Einstiegspfad für Entwickler darstellt. Für den Einsatz in Anwendungen, die auf ein einzelnes Gerät angewiesen sind, insbesondere für Heimwerker, ist ein Großteil der Investitionen von Particle in die Handhabung einer großen Anzahl von Geräten, fortschrittliches Cloud-Computing, IoT-Sicherheit und industrielle Härtung möglicherweise nicht sehr wertvoll. Aber wenn Sie lernen möchten, wie man professionelle IoT-Lösungen baut, oder wenn Sie eine Reihe von Geräten planen, die in der Wildnis leben und zu Hause kommunizieren, all diese Attribute und die gut durchdachte Integration dazwischen sie, glänzen.
Particle bietet eine breite Mischung von Hardwareangeboten, die verschiedene Funk-, Prozessor-, Speicher- und Formfaktorkonfigurationen bieten. Die Wahl des richtigen Boards hängt von den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung ab. Ein Particle-Entwicklerkit in Kombination mit ihrem kostenlosen Datenplan bietet einen erstaunlichen Wert für eine umfassende Edge-Computing-Einführung.
Dynamisch
Whirlpool
Wissenschaftliche Luftfahrt
Watsco
Viele Verbraucherunternehmen verwenden jetzt Partikelcontroller als Teil ihrer IoT-Lösungen, darunter Jacuzzi, Watsco (HVAC), Scientific Aviation (Methanemissionen für Öl und Gas) und Dynamis (Personal-Tracker für die Air National Guard). Wenn Sie nach einem Breakout-Board für Partikel-SoMs suchen, hat MikroElektronika eine Option geschaffen, die eine Verbindung zu ihren Click-Boards herstellt.
Klicken Sie auf Schild von Mikroe
NVIDIA JETSON
Nvidia ist vielleicht am besten als führender Anbieter von Grafikkarten bekannt, aber ihr Tegra System on a Chip (SoC)-Prozessor war für sie ein wichtiger Geschäftsbereich. Die Jetson-Produktlinie bietet eine Reihe von Tegra-basierten Boards für die Embedded-KI-Entwicklung. Das neueste dieser Boards, das Nano, ist preislich speziell auf den Bastler- und Bildungsmarkt ausgerichtet, während die leistungsstärkeren Optionen (wie das Jetson TX2 und das NX/AGX Xavier) etwas mehr kosten, aber eine ernsthafte professionelle Leistung bieten zum Tisch.
Jetson Nano hat viele Spezifikationen mit Raspberry Pi gemeinsam. Prozessor, Speicher, I/O und Display sind fast gleich. Auf beiden Plattformen läuft eine Linux-Distribution; für Nano ist es Nvidias Ubuntu-basiertes Linux4Tegra. Der größte grundlegende Unterschied besteht darin, dass der Nano über einen 128-Kern-Maxwell-Grafikprozessor (GPU) mit 921 MHz verfügt, der hervorragend für KI-, Deep-Learning- und Bildverarbeitungsanwendungen geeignet ist.
Um die Komplexität und Leistung der Jetson-Boards zu nutzen, müssen Sie mit Nvidias JetPack SDK entwickeln. Diese Sammlung von Bibliotheken, APIs, Beispielen und Entwicklertools ist dieselbe Linux-basierte Suite von Komponenten, die von Nvidias professionellen Kunden verwendet wird. Während Entwickler mit Arduino- und nicht mit Linux-Hintergrund die Sammlung von Komponenten zunächst entmutigend finden mögen, hat Nvidia eine starke Reihe von Beispielen, Tutorials und Projekten vorbereitet, um Entwickler auf den neuesten Stand zu bringen.
Jetson und JetPack SDK geben Herstellern eine erstaunliche Menge an Leistung für KI- und Computer-Vision-Projekte, die alles ermöglichen, von Robotern, die Unkraut von Feldfrüchten unterscheiden können, über Autos, die Schlaglöcher in Echtzeit identifizieren können, bis hin zu Drohnen, die erkennen können Feuer.
Nvidia Jetson Developer Kit
Die meisten Hersteller werden sich zunächst mit einem der Nvidia-Entwicklerkits verbinden, das aus dem Jetson-Modul und einer Trägerplatine besteht, die alle ihre Funktionen in leicht zugängliche Ports und Pins aufteilt. Es gibt Dutzende von Trägerplatinen von Drittanbietern, wenn Sie nach spezifischeren Schnittstellen suchen.
Schild
Viele Verbrauchergeräte verwenden Jetson-Module, beispielsweise autonome Drohnen von Skydio (Jetson TX2) und Coretronic (Jetson Nano und NX). Die Fußballfeldkamera Staige K2 (soccerwatch.tv) wird ebenfalls vom Jetson TX2 angetrieben. Und das kratzt nur an der Oberfläche; Eine umfassende Liste finden Sie auf ihrer Entwicklerseite.
Nvidia Soccerwatch-Kamera
SPARKFUN MICROMOD
SparkFun verfolgt eine andere Ausrichtung auf den kommerziellen und eingebetteten Markt. Ihr MicroMod-Ökosystem bietet einen Mix-and-Match-Satz von Boards, die das Prototyping und Proof-of-Concept-Arbeiten beschleunigen sollen. Wenn Time-to-Market der entscheidende Treiber für ein Unternehmen ist, kann es fatal sein, in der Prototyping-Phase stecken zu bleiben oder Fehler zu machen. MicroMod bietet modulare Prozessoren und Sensoren, die mit verschiedenen Trägerplatinen verwendet werden können. Die Prozessoren verwenden alle standardmäßige M.2-Anschlüsse und können einfach ausgetauscht werden, um einen schnellen Vergleich der verschiedenen Fähigkeiten zu ermöglichen.
Sparkfun Micromod
Zu den aktuellen Prozessorplatinen gehören ESP32-, Artemis-, SAMD51-, Teensy-, nRF52840-, STM32- und RP2040-Versionen. MicroMod-Trägerplatinen bieten Konfigurationen für Datenprotokollierung, maschinelles Lernen, Eingabe und Anzeige sowie ATP („All the Pins“). Die Integration mit dem I2C Qwiic Connect System von SparkFun bietet eine einfache 4-Pin-JST-anschließbare und verkettbare Methode, um über 100 Sensoren, Abschirmungen, LCDs, Relais und anderes Zubehör hinzuzufügen.
Während MicroMod auf die Prototypenphase des Produktentwicklungszyklus ausgerichtet ist, ist es potenziell attraktiv für Heimwerker, die mit Mikrocontrollern unter Verwendung eines modularen Toolsets experimentieren möchten. Die unglaubliche Anzahl an Permutationen, die von 7 Prozessoren, 7 Trägerplatinen und mehr als 100 Sensoren zur Verfügung stehen, bedeutet, dass Benutzer viele Ansätze ohne umfangreiches Löten oder Breadboarding ausprobieren können – stellen Sie sich das wie die Mikrocontroller-Version von SnapCircuits vor.
SparkFun bietet Anleitungen zum Erstellen von MicroMod-Trägerplatinen und Prozessorplatinen. Sie bieten auch ein SparkFun MicroMod DIY Carrier Kit für diejenigen an, die ihre eigenen MicroMod-Trägerplatinen herstellen.
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Jedes dieser unterschiedlichen Angebote repräsentiert etwas andere Wege jenseits der Arbeitspferde von Arduino und Raspberry Pi. SparkFun MicroMod macht Lust aufs Spielen. Raspberry Pi Compute Modules machen mir Lust, mich an die Arbeit zu machen und Produkte zu produzieren. Die Boards von Particle wecken in mir den Wunsch, eine VC-Finanzierung für eine weltbeherrschende IoT-Lösung zu erhalten, und die Jetson-Reihe von Nvidia weckt in mir den Wunsch, ein wildes neues Kunst-/Robotik-/KI-Projekt zu entwickeln, das neue Wege geht. Es gab noch nie so viele großartige Optionen für die Skalierung der SBC- und Mikrocontroller-Entwicklung!
