Если недавно вы держали в руках комплект разработчика, весьма вероятно, что он совместим с одной из популярных платформ для любителей и профессионалов, таких как Raspberry Pi или Arduino (Рисунок 1). Это неудивительно, учитывая экосистемы, которые выросли вокруг этих популярных платформ. Отчасти это связано с программной инфраструктурой и доступными инструментами и приложениями, но на самом деле все сводится к аппаратной совместимости.

Рисунок 1.	Raspberry Pi (а) и Arduino (б) – две самые популярные платформы разработчиков, которые часто превращаются в промышленные продукты.

Платы расширения, подобные Arduino 4 Relays Shield (Рисунок 2), – вот, что сделало эти платформы такими популярными. Это позволяет третьим сторонам предоставлять разработчикам доступ к периферийным устройствам – от средств беспроводной связи до газовых датчиков. Первоначальные платформы имели стандартные интерфейсы, например, USB, но им обычно не хватало таких функций, как беспроводная связь. Хотя в более поздние версии этих платформ было включено больше связных функций, не было ни одной платы, которая могла бы удовлетворить потребности всех пользователей или поставщиков.

Рисунок 2.	Arduino 4 Relays Shield – это пример периферийной платы, которая может работать с промышленными интерфейсами.

На 40-контактный двухрядный разъем Raspberry Pi выведено питание 3 и 5 В, а также линии цифрового ввода-вывода, включая выделенные контакты для последовательного порта, SPI и I²C, а также сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Стандартная плата Arduino имеет несколько разъемов, которые делают компоновку платы интересной. Однорядные разъемы расположены с обеих сторон основной платы; Arduino Uno также имеет два 6-контактных двухрядных разъема. По одному краю установлен 18-контактный разъем, по другому – 14-контактный, разделенный на группы из 8 и 6 контактов. Как и в Raspberry Pi, линии цифрового ввода-вывода имеют выделенные контакты для последовательного порта, SPI, I²C и сигналов ШИМ.

Аналоговые сигналы доступны на обеих платформах; их набор зависит от установленного микроконтроллера. С большинством выводов связано более одной функции, хотя одновременно может быть активна только одна. Это приводит к интригующему компромиссу при попытке иметь дело со стеком интерфейсных карт.

Не все интерфейсные карты можно устанавливать друг на друга, и возникает множество конфликтов, например, из-за того, что такие интерфейсы, как SPI, не могут использоваться совместно по умолчанию. Многоточечные интерфейсы, такие как I2C, могут работать с несколькими устройствами, но только при отсутствии конфликтов адресов, что часто бывает с периферийными адаптерами. Наличие фиксированных адресов упрощает программирование, по крайней мере, для поставщика адаптера. Однако это означает, что две платы одного типа не могут использоваться одновременно.

При превращении прототипа в решение для массового производства разработчики должны опираться на свой опыт и знания. С помощью этих платформ можно очень быстро создать рабочий прототип. Можно предположить, что и серийный продукт может быть создан так же быстро. Это не исключено, но чаще бывает по-другому.

Если выбран подход с использованием модульного компьютера, такого как Raspberry Pi Compute Module, процесс проектирования может упроститься. Однако не следует упускать из виду и другие соображения. Например, то, насколько хорошо решаются эти вопросы, часто определяется опытом разработчиков.

Основными проблемами при переходе от прототипа к серийному изделию, как правило, являются аналоговые цепи, питание и связь. Наибольшие сложности могут представлять аналоговые интерфейсы, если у конструктора нет опыта работы в этой области. Помехи, межсоединения и работа аналоговых интерфейсов могут вызвать проблемы с надежностью и точностью, которые могли не проявиться или не были обнаружены в прототипе.

То же самое справедливо и в отношении питания. Для некоторых приложений может быть достаточно обеспечить запас по мощности одного источника питания. Однако все, от всплесков напряжения до шумов, может стать проблемой, когда речь заходит о решении для серийного производства.

Связь также является источником многих проблем, особенно беспроводная. Промышленные и даже офисные и домашние помещения могут быть электрически зашумленными. Хотя тестирование в разных средах с разными проблемами может быть дорогостоящим, необходимо предоставить продукт, который работает и не требует значительной поддержки.

Наконец, не следует забывать, что проектируемое устройство должно быть удобным как в производстве, так и в обслуживании. Обычно решения, основанные на таких платформах, как Raspberry Pi или Arduino, просты и ориентированы на программное обеспечение, добавляемое в систему наряду с несколькими периферийными устройствами, при минимальных требованиях к занимаемому объему. В этих случаях производство и удобство обслуживания не требуют решения каких-то сложных вопросов. С другой стороны, попытка упаковать устройство в ограниченное пространство или наличие каких-то требований по долгосрочной поддержке может потребовать внесения изменений в конструкцию.

Например, промышленный контроллер Iono Pi Max компании Sfera Labs основан на Raspberry Pi Compute Module (Рисунок 5). Одной из особенностей являются два разъема для SD-карт, поскольку они используют этот тип флэш-памяти для операционной системы и данных. Они также добавили сторожевой микроконтроллер. Процессор может выбирать, с какой карты загружается система, чтобы управлять полевыми обновлениями с возможностью отката, если обновление не работает должным образом. Этого нельзя было найти на стандартной платформе, используемой для прототипа.

Рисунок 5.	Универсальный промышленный сервер/ПЛК Iono Pi Max.

Сокращение времени выхода на рынок всегда было целью разработчиков. Платформы и комплекты средств разработки – это один из способов ускорить процесс проектирования. Кроме того, они могут помочь в устранении ограничений и проблем, связанных с переходом от прототипной платформы к промышленному производству.