USD

Uso de las placas de desarrollo de microcontroladores como computadoras monoplaca

Por Bill Giovino

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los proveedores de semiconductores apoyan a sus microcontroladores con tarjetas de desarrollo, como las de evaluación y demostración. El uso previsto para estas placas es para que los ingenieros puedan primero familiarizarse con el microcontrolador objetivo, y segundo para ayudar en el desarrollo del hardware y el firmware del microcontrolador. Estas tarjetas van desde las más simples con entrada/salida de propósito general (GPIO) disponibles por medio de conectores de cabecera, hasta tarjetas sofisticadas con teclados y pantallas LCD. Con la amplia variedad de estas placas de desarrollo disponibles, algunos ingenieros están seleccionando estas placas para su compra en volumen para su uso en aplicaciones industriales.

Sin embargo, a diferencia de las computadoras monoplaca de calidad industrial, las placas de desarrollo no suelen someterse a rigurosas pruebas de garantía de calidad del fabricante a fin de garantizar su funcionamiento para uso continuo en condiciones industriales. Las placas de desarrollo suelen someterse a control de calidad solo a temperatura ambiente y con baja humedad. Esto plantea cuestiones de fiabilidad e idoneidad para una aplicación de uso continuo. Aunque las tarjetas de desarrollo siguen utilizando componentes de semiconductores y hardware probados por el control de calidad y destinados y probados para uso comercial o industrial, los ingenieros necesitan comprender cómo se especifican las tarjetas de desarrollo de forma diferente a las SBC industriales, y qué nivel de pruebas debe realizar el ingeniero antes de aprobar una tarjeta para su uso continuo.

Para abordar estas cuestiones, este artículo tratará de las limitaciones de estas juntas, cómo determinar adecuadamente su idoneidad para la aplicación de destino y qué cuestiones debe considerar un ingeniero al seleccionar una placa de desarrollo para el uso continuo de la aplicación. A continuación, examina dos placas de desarrollo de STMicroelectronics e Infineon Technologies y analiza cómo pueden ser aplicables para una aplicación de uso continuo.

Garantía de calidad del SBC industrial

Los SBC industriales disponibles en el mercado son la forma más popular de controlar el equipo electromecánico industrial, así como de gestionar los nodos de Internet de las Cosas (IoT) y de la IoT Industrial (IIoT). Un SBC ya está poblado con componentes probados y viene con una documentación completa para su uso. Un SBC diseñado a medida es una opción si el volumen es lo suficientemente alto y ningún SBC disponible proporciona la funcionalidad necesaria al precio adecuado. Sin embargo, una solución ya probada y disponible en el mercado puede seguir siendo superior a un SBC personalizado, ya que permite un desarrollo más rápido y un mayor tiempo de comercialización.

Los fabricantes de SBC someten a las nuevas placas a una larga serie de duras pruebas de control de calidad antes de liberar el diseño para su producción. Los SBC diseñados específicamente para uso industrial se someten a rigurosas pruebas de control de calidad para garantizar que puedan funcionar de manera fiable en la aplicación objetivo. Para una aplicación industrial común clasificada entre -40 °C y +85 °C, se seleccionan semiconductores y hardware de grado industrial que están clasificados sobre la temperatura. Los componentes están montados en una placa de PC con material que también funciona en el rango de temperatura nominal. En algunas aplicaciones, se puede aplicar un revestimiento de conformidad sobre el CGS para proteger la placa contra la humedad, el polvo y las partículas del ambiente, así como contra los derrames químicos.

El control de calidad inicial de un nuevo CGS industrial incluye pruebas de banco de los límites superiores e inferiores de corriente y voltaje. Después de esta prueba básica, la nueva SBC se somete a un completo y prolongado control de calidad y se prueba para su pleno funcionamiento bajo las temperaturas extremas de calor y frío, así como los extremos de humedad y vibración. El fabricante del nuevo SBC industrial también puede realizar pruebas de estrés donde se prueba durante días en condiciones extremas. Cualquier fallo, no importa cuán pequeño sea, se registra y se rastrea diligentemente hasta su causa. Los fallos en las pruebas pueden hacer que se sustituyan componentes o que se rediseñe el SBC. Las pruebas de control de calidad pueden llevar semanas o meses. Solo cuando el diseño del SBC ha sido completamente calificado el fabricante finalmente lanza la placa a la producción. Cada SBC individual ahora en producción se somete a rápidas pruebas al final de la línea de producción que suelen durar menos de un minuto.

Incluso después de liberar el SBC a la producción, las pruebas no se detienen. El fabricante del SBC industrial puede retirar aleatoriamente un SBC de la producción y someterla a un control de calidad completo trimestral o anual para asegurar que se mantiene la calidad.

A menudo estos resultados de control de calidad están disponibles para los clientes. Además, el fabricante de SBC enviará una notificación de cambio de ingeniería (ECN) a los clientes de SBC sobre cualquier cambio como, por ejemplo, cuando se sustituyan los componentes de la placa.

Placas de desarrollo de microcontroladores

Las tarjetas de desarrollo utilizadas para apoyar los microcontroladores son proporcionadas tanto por los fabricantes de microcontroladores como por los proveedores de herramientas de terceros. Las placas de evaluación son placas sencillas que se utilizan para estudiar el microcontrolador en general y examinar el funcionamiento básico. Las placas de demostración, o más popularmente "demo", demuestran el funcionamiento del microcontrolador y suelen ser más sofisticadas con LED parpadeantes, interruptores y una pantalla LCD. Las tarjetas de desarrollo se utilizan para el desarrollo de hardware y firmware.

En realidad, la evaluación, la demostración y el desarrollo de los nombres no están estandarizados y el uso de los objetivos de la placa se superpone en gran medida. El nombre de la placa es menos importante que sus características, y es más fácil y menos confuso agrupar todas las placas bajo el término "placas de desarrollo".

Pruebas de la placa de desarrollo para uso industrial

Las placas de desarrollo lanzadas por los fabricantes de microcontroladores o suministradas por terceros se someten a pruebas menos rigurosas que las de los SBC industriales. Los componentes suelen ser de grado comercial, pero algunas placas incluyen componentes de grado industrial. Las placas de desarrollo están diseñados para funcionar solo a temperatura ambiente. Los primeros prototipos de placas de desarrollo se someterán a pruebas a temperatura ambiente durante días o semanas, pero esto varía mucho según el fabricante. El único objetivo de calidad de las placas de desarrollo es que funcionen a temperatura ambiente. Es seguro asumir que la placa no ha sido probada en temperaturas extremas, en alta humedad, o bajo condiciones de vibración o choque.

El objetivo principal al determinar qué placa de desarrollo utilizar en una aplicación industrial es reducir el riesgo. Por esa razón, es importante mirar primero al fabricante de la placa, específicamente, la política de fin de vida del fabricante (EOL) y la historia de las placas de desarrollo. Lo último que necesita un ingeniero es comprar la placa perfecta en grandes cantidades, solo para que sea descontinuado por una EOL. Si el fabricante tiene un historial de mantenimiento de la producción de placas de desarrollo, puede ser seguro abastecerse de ellos. Pero si el fabricante tiene un historial de descontinuar regularmente tales placas, buscar una es demasiado arriesgado.

Al decidir si utilizar o no una tabla de desarrollo en una aplicación industrial, observe los componentes de la placa; asegúrese de que los componentes son del grado de temperatura adecuado para la aplicación objetivo. Si la placa va a habitar un entorno industrial junto a operadores humanos, entonces los componentes de grado comercial son probablemente adecuados para la aplicación. Cualquier conector u otra pieza de hardware asociada debe ser examinada para asegurarse de que está montada firmemente. Cualquier tornillo que no esté soldado debe ser probado con un destornillador, demasiado juego es una advertencia y puede indicar un proceso de control de calidad inconsistente.

Si los componentes y la construcción de los tableros son aceptables, entonces es una buena idea hacer simultáneamente una prueba de esfuerzo a tres o más placas bajo alta temperatura durante un período de días. Para tener una buena idea de la consistencia de la producción, cada placa de prueba debe ser comprada por separado a lo largo del tiempo para que se muestre los diferentes lotes de producción de tablas. Cualquier fallo es malo, y a menos que el fabricante pueda explicar adecuadamente el fallo como una excepción, entonces se debe seleccionar una placa de desarrollo diferente.

Si la placa se va a utilizar en un ambiente de alta humedad, entonces la placa debe ser probado en un ambiente de humedad apropiada. Las placas de desarrollo no están diseñadas para su uso en condiciones de alta humedad. Se puede aplicar un revestimiento conforme a la placa de PC para protegerla de la humedad, siempre que los conectores y los puntos de contacto eléctrico estén cuidadosamente protegidos del revestimiento.

También comprueba con el fabricante si envían un ECN con cada cambio en la placa. A menudo esto no se hace con las placass de desarrollo, por lo que para estar seguros, todas las placas que se adquieren deben ser verificadas visualmente para detectar cambios en los componentes.

Si la placa se va a utilizar en un entorno de alta vibración, entonces se debe montar en un marco de prueba y probar la vibración. Al final de la prueba se debe examinar visualmente para ver si hay grietas o deformidades. Los tornillos y las monturas con pestañas deben ser revisados para su funcionamiento. Cualquier fallo o defecto es malo y debe retirar esa placa de la consideración.

Placa de desarrollo para uso continuo

A continuación se presentan dos ejemplos de placas de desarrollo que pueden ser adecuadas para aplicaciones industriales de uso continuo. Los fabricantes no certificaron estas placas para su uso industrial continuo: corresponde al ingeniero hacer sus propias pruebas para calificar una placa para una aplicación final determinada.

El popular factor de forma Arduino ha dado lugar a muchos derivados de la placa de los fabricantes. Por ejemplo, el NUCLEO-L4P5ZG de STMicroelectronics se basa en un microcontrolador Arm® Cortex®-M4. Una visión general de la disposición de la placa muestra sus muchas características (Figura 1). El NUCLEO-L4P5ZG tiene un conjunto de conectores de cabecera que hace que todo el GPIO del microcontrolador esté disponible para la aplicación.

Imagen de la placa Nucleo compatible con Arduino de NUCLEO-L4P5ZG de STMicroelectronicsFigura 1: El NUCLEO-L4P5ZG STMicroelectronics es una placa Nucleo compatible con Arduino con funcionalidad básica de desarrollo que saca todos los pines GPIO a los conectores de cabecera. Tiene tres LED programables por el usuario, un pulsador de usuario y un botón de reinicio. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Una ventaja importante del NUCLEO-L4P5ZG es que los GPIO son compatibles con muchas de las placas compatibles con Arduino de la línea Nucleo de STMicroelectronics. Esto significa que los reemplazos de segunda fuente de Nucleo compatibles están disponibles en caso de que se interrumpa el producto. La placa tiene tres LED y un pulsador que están bajo control del firmware, así como un botón de restablecimiento cableado. Los LED pueden mostrar un estado simple, y un botón de reinicio duro permite que la placa se recupere rápidamente de los bloqueos del firmware. Tiene un conector USB On-The-Go (OTG) Full Speed bajo control de firmware y un micro conector USB para programación y depuración. La pizarra blanca de la computadora hace más fácil el desprendimiento de calor en ambientes cálidos. El NUCLEO-L4P5ZG es adecuado para aplicaciones en las que es necesario gestionar las E/S, como con sensores, interruptores y actuadores.

Otro ejemplo de una placa de desarrollo para su posible uso en aplicaciones es el kit Relax KITXMC47RELAXV1TOBO1 de Infineon Technologies. También se basa en un Arm Cortex-M4 y tiene un juego completo de pads de Arduino sin los conectores de cabecera (Figura 2). El Kit Relax es una buena opción para una aplicación en red o un nodo básico de IIoT con un conector RJ45 para redes Ethernet. Tiene dos pulsadores y dos LED bajo control de firmware, y un botón de reinicio.

Imagen del kit Relax KITXMC47RELAXV1TOBO1 de Infineon TechnologiesFigura 2: El kit Relax KITXMC47RELAXV1TOBO1 de Infineon Technologies tiene todo el GPIO aplicado a los agujeros de contacto de la placa de la PC. Es compatible con la interfaz en serie utilizando los conectores Ethernet y USB disponibles, y puede expandir la memoria utilizando una ranura para tarjetas microSD. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

El kit Relax Infineon también tiene una ranura para tarjetas microSD. Esto facilita el cambio de firmware o datos de aplicaciones para diferentes tarjetas con solo cambiar la tarjeta de memoria flash microSD. El kit es adecuado para aplicaciones de red robustas que necesitan supervisar sensores, interruptores y control de actuadores, y la tarjeta microSD es útil cuando se producen cambios de firmware o de datos con regularidad y es más eficiente que la reprogramación de la tarjeta.

Conclusión

Las tarjetas de desarrollo de microcontroladores pueden utilizarse como tarjetas de aplicación industrial si la tarjeta se elige y se prueba cuidadosamente antes de su utilización en la aplicación de destino. El ingeniero necesita hacer pruebas rigurosas del hardware antes de su uso, y comprobar cuidadosamente la fiabilidad del suministro del fabricante, incluyendo las políticas de EOL. Con la enorme selección de placas de desarrollo disponibles, un ingeniero puede encontrar fácilmente una placa que pase el control de calidad interno para su uso en una aplicación industrial.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

Acerca de este autor

Bill Giovino

Bill Giovino es ingeniero electrónico con un BSEE de la universidad de Syracuse y es uno de los pocos profesionales capaz de pasar de ingeniería en diseño a ingeniería de aplicación en campo a marketing tecnológico de forma exitosa.

Durante más de 25 años, Bill ha disfrutado promocionar las nuevas tecnologías a audiencias técnicas y no técnicas por igual en muchas empresas, entre ellas STMicroelectronics, Intel y Maxim Integrated. Mientras trabajó en STMicroelectronics, Bill ayudó a dirigir los primeros éxitos de la empresa en la industria de microcontroladores. En Infineon, Bill estuvo a cargo de que el diseño del primer controlador de la empresa tuviera éxito en la industria automotriz de EE. UU. Como consultor de marketing para CPU Technologies, Bill ha ayudado a muchas empresas a convertir sus productos con bajo rendimiento en casos de éxito.

Bill fue uno de los primeros en adoptar el Internet de las cosas, incluso colocar la primera pila de TCP/IP en un microcontrolador. Bill es un ferviente creyente de "Vender a través de la educación" y de la gran importancia de contar con comunicaciones claras y bien escritas a la hora de promocionar productos en línea. Es moderador del grupo en Linkedin denominado Semiconductor Sales & Marketing (Marketing y ventas de semiconductores) y habla sobre el concepto B2E (empresa-empleado) de manera fluida.

Acerca de este editor

Editores de Digi-Key de América del Norte