Focus sulle più popolari piattaforme hardware: know-how e criticità della progettazione elettronica

L'impiego di piattaforme hardware popolari in contesti hobbistici e industriali è sempre più diffuso. Soprattutto nell’ultimo decennio sono state sviluppate diverse piattaforme hardware orientate alle applicazioni dell'Internet of Things. Pensiamo ad esempio alla domotica, alle applicazioni industriali, al rilevamento di parametri ambientali, al monitoraggio, al controllo remoto e molto altro. Nel settore della progettazione elettronica, tra le tante soluzioni hardware dei diversi produttori, ci sono le classiche e famosissime piattaforme Arduino e Raspberry Pi, disponibili ormai in molteplici versioni in base all'utilizzo che spazia da piccoli prototipi fai da te all'automazione industriale, monitoraggio di dati ambientali ricavati da sensori e progettazione di sistemi complessi per il controllo remoto. Arduino e Raspberry Pi sono due delle piattaforme di sviluppo più popolari che vengono spesso implementate anche in prodotti di categoria industriale. Ricordiamo anche che l'utilizzo di piattaforme come Arduino e Raspberry Pi è oggi diventato molto semplice e intuitivo poiché consente di realizzare in modo immediato ed efficiente progetti e dispositivi connessi alla rete ed a basso costo, pronti all'uso senza troppe difficoltà. Tuttavia, la progettazione elettronica anche con le più popolari piattaforme hardware, riserva non poche criticità. Facciamo il punto sulla situazione.

Introduzione

La progressiva ascesa di piattaforme come Raspberry Pi e Arduino nelle soluzioni industriali e hobbistiche, ha indotto molti sviluppatori a utilizzare piattaforme per hobbisti anche nei prodotti e nelle soluzioni di livello industriale. Ma il passaggio a una soluzione di tipo industriale porta inevitabilmente con sé anche dei problemi che potrebbero sorgere. Se ultimamente avete dato un'occhiata a un kit di sviluppo, avrete sicuramente notato che questo potrebbe essere compatibile con una delle piattaforme popolari per hobbisti/creatori come Raspberry Pi o Arduino. Ciò non sorprende affatto visti gli ecosistemi che sono cresciuti attorno a queste piattaforme molto popolari. In parte, ciò è dovuto all'infrastruttura software, agli strumenti e alle applicazioni disponibili, ma in realtà molto dipende anche dalla compatibilità hardware e dall'interoperabilità tra i vari dispositivi. Le schede di espansione (shield) sono il motivo principale per cui queste piattaforme sono diventate così popolari e diffuse nel mondo dei makers e dei professionisti elettronici.

Figura 1: La famosissima scheda Arduino UNO Rev3

Le piattaforme nella versione originale, infatti, avevano interfacce standard come USB, ma in generale mancavano di funzionalità come la comunicazione wireless. L'inclusione di un modulo wireless semplifica la progettazione per alcune applicazioni. Sebbene le versioni successive di queste piattaforme includessero più funzionalità in questo senso, non era comunque possibile che una singola scheda potesse soddisfare le esigenze di tutti gli utenti o fornitori. Arduino è una piattaforma elettronica open source che vanta una grande community di sviluppatori. E' stata il nucleo di tantissimi progetti nonché lo strumento hobbistico preferito per creare funzionalità semplici da impiegare in molte attività, ma anche una piattaforma di sviluppo e prototipazione rapida per i professionisti. Negli ultimi tempi, anche in seguito all'ampliamento delle sue versioni, ha ottenuto una diffusione esponenziale grazie alla semplicità di utilizzo sia da un punto di vista hardware che software in termini di programmazione e ambiente di sviluppo. Il progetto Arduino era nato proprio con l'idea di creare uno strumento semplice per la prototipazione rapida, pensato per gli studenti privi di un background nell'elettronica e nella programmazione. Ad oggi, invece, troviamo Arduino anche in contesti non propriamente hobbistici. Arduino si rivolge quindi alle nuove sfide di mercato, all'IoT e alle nuove esigenze del mondo embedded, dell'automazione industriale e della robotica, superando così l'idea di una mera piattaforma hobbistica per la realizzazione di piccoli prototipi a scopo didattico. Tutte le schede Arduino sono completamente open source e permettono agli utenti di creare le proprie soluzioni in modo indipendente adattandole alle proprie particolari esigenze. E' inoltre facilmente programmabile grazie all'IDE (Integrated Development Environment) integrato che consente agli utenti di scrivere programmi in linguaggio C o C ++.

Dal punto di vista delle funzionalità possiamo dire che la scheda Arduino standard, ad esempio, ha più intestazioni che rendono interessante il layout della scheda. I connettori in linea singoli risiedono su entrambi i lati della scheda principale. La scheda Arduino UNO ha anche due intestazioni in linea a 6 pin. Le singole intestazioni in linea includono un set a 28 pin su un lato e un set a 7 pin + 8 pin sull'altro lato. Come per il Raspberry Pi, i pin I/O digitali hanno pin dedicati per una porta seriale, SPI e I2C insieme a segnali PWM. I segnali analogici sono disponibili su entrambe le piattaforme a seconda del microcontrollore host. La maggior parte dei pin ha più di una funzione associata, sebbene possa essere attiva solo una alla volta. Questo crea un interessante compromesso quando si cerca di gestire uno stack di schede di interfaccia. 

Figura 2: La piattaforma Raspberry Pi 4 Model B

Raspberry Pi, progettata dalla Raspberry Pi Foundation nel Regno Unito, era stata inizialmente concepita come supporto  scolastico per apprendere le conoscenze informatiche di base. Con il passare degli anni, la scheda ha trovato ampio spazio anche in molteplici applicazioni industriali e commerciali, al punto di riuscire a dare vita a una vera e propria rivoluzione nella categoria del Single Board Computer (SBC) e guadagnarsi il ruolo di leader indiscusso di una nuova nicchia tecnologica di mercato con prodotti ad alta potenza e versatilità. Rendendo più semplice la prototipazione e la simulazione di progetti, il piccolo Computer on a Chip Raspberry Pi è perfettamente integrato con le piattaforme IoT in applicazioni basate su dati e Intelligenza Artificiale. Da oggetto cult per makers e appassionati di elettronica, Raspberry Pi diventa un dispositivo chiave in tutte quelle applicazioni high-level basate sull'interazione, la supervisione e la gestione aziendale dei dispositivi intelligenti.

Criticità nella progettazione elettronica: stato dell'arte e prospettive

I progettisti elettronici devono sempre tenere in considerazione il proprio background e le proprie competenze quando trasformano un prototipo in una soluzione per la produzione su larga scala. Sebbene questo non sia un problema nuovo, è possibile generare un prototipo funzionante con queste piattaforme in tempi molto rapidi. Il presupposto potrebbe essere che un prodotto possa essere creato altrettanto rapidamente. Non è da escludere, ma è molto raro. Se ad esempio si opta per un approccio modulare come il Raspberry Pi Compute Module, in questo modo è possibile semplificare il processo di progettazione. Tuttavia, non vanno trascurate anche altre considerazioni. Il background dei progettisti spesso determina il modo in cui questi problemi vengono affrontati. I più importanti problemi quando si passa da un prototipo elettronico alla produzione vera e propria sono dovuti principalmente alle interfacce analogiche, all'alimentazione e alle comunicazioni. Le interfacce analogiche possono essere tra le più difficili da affrontare a meno che non si abbia un background specifico in questo ambito. Il rumore, le interconnessioni e il funzionamento delle interfacce analogiche possono infatti causare problemi di affidabilità e precisione che potrebbero non essere stati visualizzati o presi in considerazione durante la progettazione di un prototipo. Lo stesso discorso vale per l'alimentazione. Fornire spazio libero da un'unica fonte di alimentazione può essere sufficiente per alcune applicazioni, tuttavia, qualsiasi cosa, dagli sbalzi di tensione al rumore, può essere un problema quando si tratta di una soluzione per la produzione. Anche le comunicazioni coprono molto spazio, in particolare per ciò che riguarda le comunicazioni wireless. Gli ambienti industriali, gli uffici e gli ambienti domestici possono essere elettricamente rumorosi. Sebbene i test in ambienti diversi con problemi diversi possano essere costosi, è necessario fornire un prodotto che funzioni e non richieda un supporto significativo. Altro aspetto da considerare nella fase di progettazione, è non dimenticare di progettare per la produzione così come per la manutenzione. Solitamente, le soluzioni basate su piattaforme come Raspberry Pi o Arduino sono semplici e orientate al software aggiunto al sistema, con poche periferiche e minimi vincoli di spazio. In questi casi, la produzione e la manutenzione non rappresentano problemi critici di rilevante importanza.
Al giorno d'oggi, i progettisti elettronici sono sempre più consapevoli anche della disponibilità dei semiconduttori. I problemi generali di disponibilità sorgono con le soluzioni basate su Arduino. Tuttavia, quando si costruisce da zero una nuova soluzione, è spesso possibile utilizzare una gamma di chip simili. Gli schemi delle schede per queste piattaforme sono prontamente disponibili e distribuiti come hardware open source, pertanto, potrebbero essere utilizzati come base per un circuito stampato personalizzato. La creazione di un PCB personalizzato è un approccio ragionevole per le piattaforme Arduino a livello di chip, ma non necessariamente per le piattaforme Raspberry Pi. Il motivo è che i processori System-on-Chip (SoC) utilizzati su Raspberry Pi non sono generalmente disponibili per le aziende che non producono decine di migliaia o milioni di prodotti. È possibile ottenere chip simili, ma sarebbero necessarie ulteriori modifiche hardware e software che potrebbero essere significative. Un'alternativa potrebbe essere quella di utilizzare un modulo di elaborazione Raspberry Pi. Questo Computer-on-Module (CoM) utilizza gli stessi processori ma non dispone delle connessioni, quindi richiede una presa standard. D'altra parte, Arduino ha riconosciuto che fornire una soluzione più robusta è utile sia per la produzione che per la prototipazione. La famiglia Arduino Portenta, di livello industriale, ad esempio, è un System-on-Module (SoM) che viene fornito con Linux già installato in flash. Anche se il prezzo di questa piattaforma non è molto economico, il vantaggio principale è che gli aspetti di progettazione di questi moduli sono stati gestiti e il supporto e la documentazione valgono il costo aggiuntivo.

Figura 3: Arduino Portenta H7

D'altronde, provare a realizzare una soluzione con un ingombro minimo può giustificare anche modifiche al design. Gli sviluppatori di piattaforme hardware, infine, devono concentrare il proprio lavoro anche nella riduzione del time to market. Piattaforme e kit di sviluppo sono un modo per accelerare il processo di progettazione, e anche affrontare i limiti e i problemi del passaggio da una piattaforma di prototipi alla produzione può venire in aiuto. Alcune schede di sviluppo sono progettate per garantire una semplicità d'uso, ma ignorano elementi come i fori di montaggio necessari per fornire connessioni coerenti e affidabili nelle applicazioni industriali. Molte schede periferiche si basano semplicemente sulle intestazioni dell'interfaccia per fornire la connessione elettrica e la stabilità fisica. Questo aspetto tendenzialmente non è un problema quando si utilizza il sistema su un banco di lavoro, ma può portare a gravi problemi, ad esempio, quando si utilizzano prototipi sul campo, con urti, vibrazioni, polvere e così via che possono diventare fattori problematici. Altri problemi che i progettisti devono affrontare sono la protezione I/O e l'isolamento, poiché tali piattaforme spesso hanno un supporto limitato in questo settore. Ciò include anche considerazioni sui connettori. Molte porte I/O utilizzeranno frequenze più basse facilmente gestibili anche dalle intestazioni utilizzate su questi sistemi. Tuttavia, le interfacce di comunicazione ad alta velocità come USB e HDMI richiedono connettori e design delle schede migliori. Le fonti di alimentazione dovranno essere esaminate quando si sposta un progetto verso la  produzione. Particolari punti di attenzione includono l'alimentazione alla scheda principale e la distribuzione dell'alimentazione alle periferiche.

Conclusioni

Arduino e Raspberry Pi, le piattaforme hardware maggiormente utilizzate da makers e professionisti di tutto il mondo, hanno capacità, prestazioni e funzionalità che le hanno rese nel tempo le soluzioni più ambite per una vasta gamma di applicazioni elettroniche, dal campo hobbistico ad applicazioni di livello industriale. I punti cardine sui quali si concentra maggiormente l'impegno dei progettisti sono: le interfacce, le comunicazioni, l'alimentazione e il consumo energetico. Le schede di prototipazione rapida rappresentano uno step importante nella progettazione elettronica, sia dal punto di vista del time to market relativo al prodotto finale, sia per rendere accessibile la programmazione e la progettazione elettronica ad un pubblico di utenti sempre più ampio e diversificato come interessi e competenze. In Elettronica Open Source potete trovare tantissimi articoli tecnici, progetti e tutorial riguardanti le piattaforme Arduino e Raspberry Pi, che vi invito a leggere sul sito web anche partecipando attivamente alle discussioni nell'area dedicata ai commenti.

 

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