Mikrocontroller-Entwicklungsplatinen als Einplatinencomputer

Autor / Redakteur: Bill Giovino * / Margit Kuther

Entwicklerplatinen bieten üppige Funktionen wie LC-Displays und wären auch für industrielle Anwendungen geeignet. Doch ihnen fehlt die Industrietauglichkeit – ein Ausschlusskriterium?

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Bild 1: Ein Überblick über das Platinenlayout zeigt die vielen Merkmale des NUCLEO-L4P5ZG von STMicroelectronics.
Bild 1: Ein Überblick über das Platinenlayout zeigt die vielen Merkmale des NUCLEO-L4P5ZG von STMicroelectronics.
(Bild: STMicroelectronics)

Halbleiterlieferanten unterstützen ihre Mikrocontroller mit Entwicklungsboards, etwa mit Evaluierungs- und Demo-Boards. Der beabsichtigte Verwendungszweck dieser Boards ist, dass Ingenieure sich erstens mit dem Ziel-Mikrocontroller vertraut machen und zweitens bei der Entwicklung von Mikrocontroller-Hardware und -Firmware helfen können.

Diese Boards reichen von den einfachsten mit GPIO (General Purpose Input/Output), die über Stiftleisten zur Verfügung gestellt werden, bis hin zu anspruchsvollen Boards mit Tastaturen und LCD-Displays. Da eine große Vielfalt solcher Entwicklungsboards zur Verfügung steht, wählen einige Ingenieure diese Boards zum Volumenkauf für den Einsatz in industriellen Anwendungen aus.

Im Gegensatz zu Einplatinencomputern (SBCs) in Industriequalität werden Entwicklungsplatinen jedoch oft nicht einer strengen Qualitätsprüfung durch den Hersteller unterzogen, um den Betrieb für den Dauereinsatz unter industriellen Bedingungen zu gewährleisten. Entwicklungsplatten werden typischerweise nur bei Raumtemperatur und geringer Luftfeuchtigkeit einer QS unterzogen. Dies wirft Fragen der Zuverlässigkeit und der Eignung für eine Anwendung im Dauereinsatz auf. Während Entwicklungs-Boards immer noch QS-geprüfte Halbleiter- und Hardware-Komponenten verwenden, die für den kommerziellen oder industriellen Einsatz bestimmt und getestet sind, müssen Ingenieure verstehen, wie Entwicklungs-Boards anders spezifiziert sind als industrielle SBCs, und welches Maß an Tests der Ingenieur durchführen sollte, bevor er ein Board für den Dauereinsatz genehmigt.

Um diese Probleme zu beheben, wird in diesem Artikel erörtert, welche Einschränkungen diese Boards haben, wie ihre Eignung für die Zielanwendung richtig bestimmt werden kann und welche Aspekte ein Ingenieur bei der Auswahl eines Entwicklungsboards für den kontinuierlichen Einsatz in der Anwendung berücksichtigen muss. Anschließend werden zwei Entwicklungs-Boards von STMicroelectronics und Infineon Technologies untersucht und diskutiert, wie sie für eine Anwendung im Dauereinsatz geeignet sein könnten.

Industrielle SBC-Qualitätssicherung

Industrielle Standard-SBCs sind die beliebteste Art und Weise der Steuerung industrieller elektromechanischer Geräte sowie der Verwaltung von Internet of Things (IoT) und industriellen IoT-Knotenpunkten (IIoT). Ein SBC ist bereits mit getesteten Komponenten bestückt und wird mit einer vollständigen Dokumentation zur Verwendung geliefert. Ein kundenspezifischer SBC ist eine Option, wenn das Volumen hoch genug ist und kein handelsüblicher SBC die benötigte Funktionalität zum richtigen Preis bietet. Allerdings kann eine bereits getestete Standardlösung einem kundenspezifischen SBV immer noch überlegen sein, da sie eine schnellere Entwicklung und Markteinführung ermöglicht.

Hersteller von SBCs unterziehen neue Boards einer langen Reihe strenger Qualitätskontrolltests, bevor sie das Design für die Produktion freigeben. SBCs, die speziell für den industriellen Einsatz entwickelt wurden, durchlaufen strenge Qualitätskontrolltests, um sicherzustellen, dass sie in der Zielanwendung zuverlässig funktionieren. Für eine übliche Industrieanwendung, die auf -40°C bis +85°C ausgelegt ist, werden industrietaugliche Halbleiter und Hardware ausgewählt, die über die Temperatur ausgelegt sind. Die Komponenten sind auf einer Leiterplatte mit einem Material montiert, das ebenfalls über den Nenntemperaturbereich arbeitet. Bei einigen Anwendungen kann eine konforme Beschichtung über den SBC aufgetragen werden, um die Platte vor Feuchtigkeit, Staub und Umgebungspartikeln sowie vor dem Austreten von Chemikalien zu schützen.

Die anfängliche Qualitätssicherung eines neuen industriellen SPZ umfasst die Prüfung auf dem Prüfstand der oberen und unteren elektrischen Bemessungsgrenzen von Strom und Spannung. Nach dieser grundlegenden Prüfung durchläuft der neue SBZ dann eine umfassende und langwierige Qualitätssicherung und wird für den vollen Betrieb unter den angestrebten Temperaturextremen Hitze und Kälte sowie den Extremen Feuchtigkeit und Vibration getestet. Der Hersteller des neuen Industrie-SBC kann auch Stresstests durchführen, bei denen er tagelang unter extremen Bedingungen getestet wird. Jeder noch so kleine Fehler wird protokolliert und sorgfältig bis zu seiner Ursache verfolgt. Testfehler können dazu führen, dass Komponenten ausgetauscht oder der SBC neu konstruiert wird. QS-Prüfungen können Wochen oder Monate dauern. Erst wenn der SBC-Entwurf vollständig qualifiziert ist, gibt der Hersteller das Board endgültig zur Produktion frei. Jeder einzelne SBZ, der sich jetzt in der Produktion befindet, wird am Ende der Produktionslinie Schnelltests unterzogen, die in der Regel weniger als eine Minute dauern.

Auch nach der Freigabe des SBC zur Produktion hören die Tests nicht auf. Der Hersteller des industriellen SBZ kann nach dem Zufallsprinzip einen SBZ von der Produktion abziehen und einer vollständigen Qualitätssicherung auf vierteljährlicher oder jährlicher Basis unterziehen, um sicherzustellen, dass die Qualität aufrechterhalten wird.

Häufig sind diese QA-Ergebnisse für Kunden verfügbar. Darüber hinaus sendet der SBC-Hersteller eine technische Änderungsmitteilung (Engineering Change Notice, ECN) an SBC-Kunden bei jeder Änderung, z.B. beim Austausch von Platinenkomponenten.

Evaluation-, Demo- und Entwicklerkits

Entwicklungsboards zur Unterstützung von Mikrocontrollern werden sowohl von Mikrocontroller-Herstellern als auch von Drittanbietern von Werkzeugen zur Verfügung gestellt. Evaluation Boards sind einfache Boards, die dazu dienen, den Mikrocontroller im Allgemeinen zu studieren und die grundlegende Funktionsweise zu untersuchen. Demonstrations- oder besser gesagt "Demo"-Boards demonstrieren die Funktionsweise des Mikrocontrollers und sind oft ausgefeilter mit blinkenden LEDs, Schaltern und einer LCD-Anzeige. Entwicklungsboards werden für die Hardware- und Firmware-Entwicklung verwendet.

In Wirklichkeit sind die Namen Evaluation, Demo und Entwicklung nicht standardisiert, und die Zielverwendung des Boards überschneidet sich stark. Der Name des Gremiums ist weniger wichtig als seine Merkmale, und es ist einfacher und weniger verwirrend, alle Gremien einfach unter dem Begriff "Entwicklungsgremien" zusammenzufassen.

Prüfung von Entwicklungsboards für den industriellen Einsatz

Die von Mikrocontroller-Herstellern freigegebenen oder von Dritten gelieferten Entwicklungsboards werden weniger strengen Tests unterzogen als industrielle SBCs. Die Komponenten sind in der Regel kommerzieller Qualität, einige Boards enthalten jedoch auch Komponenten industrieller Qualität. Entwicklungsplatinen sind nur für den Betrieb bei Raumtemperatur ausgelegt. Erste Prototypen von Entwicklungsplatinen werden tage- oder wochenlang bei Raumtemperatur getestet, aber dies ist je nach Hersteller sehr unterschiedlich. Die einzige angestrebte Qualitätsanforderung an Entwicklungsboards ist, dass sie über Raumtemperatur arbeiten. Man kann mit Sicherheit davon ausgehen, dass die Platte nicht über Temperaturextreme, bei hoher Luftfeuchtigkeit oder unter Vibrations- oder Schockbedingungen getestet wurde.

Das vorrangige Ziel bei der Entscheidung, welches Entwicklungsboard in einer industriellen Anwendung eingesetzt werden soll, ist die Risikominderung. Aus diesem Grund ist es wichtig, zunächst einen Blick auf den Hersteller des Boards zu werfen - insbesondere auf die EOL-Richtlinie (End-of-Life) des Herstellers und die Geschichte der Entwicklungsboards. Das Letzte, was ein Ingenieur braucht, ist ein Volumeneinkauf der perfekten Platine, nur damit diese wegen eines EOL eingestellt wird. Wenn der Hersteller in der Vergangenheit die Produktion von Entwicklungsplatinen aufrechterhalten hat, kann es sicher sein, von ihnen zu beziehen. Aber wenn der Hersteller in der Vergangenheit solche Platten regelmäßig eingestellt hat, ist die Beschaffung einer solchen Platte zu riskant.

Bei der Entscheidung, ob eine Entwicklungsplatine in einer industriellen Anwendung eingesetzt werden soll oder nicht, sollten die Komponenten auf der Platine betrachtet werden; stellen Sie sicher, dass die Komponenten die richtige Temperaturklasse für die Zielanwendung aufweisen. Wenn das Board in einer industriellen Umgebung zusammen mit menschlichen Bedienern eingesetzt werden soll, dann sind wahrscheinlich Komponenten in kommerzieller Qualität für die Anwendung ausreichend. Alle Steckverbinder oder andere zugehörige Hardwareteile sollten auf festen Sitz geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie fest montiert sind. Alle nicht eingelöteten Schrauben sollten mit einem Schraubendreher einer sanften Testdrehung unterzogen werden - zu viel Spiel ist eine Warnung und kann auf einen inkonsistenten QS-Prozess hinweisen.

Wenn Platinenkomponenten und Konstruktion akzeptabel sind, dann ist es eine gute Idee, drei oder mehr Platinen gleichzeitig über einen Zeitraum von mehreren Tagen unter hohen Temperaturen zu testen. Um eine gute Vorstellung von der Produktionskonsistenz zu erhalten, sollte jeder Testkarton im Laufe der Zeit separat gekauft werden, so dass verschiedene Kartonproduktionslose bemustert werden können. Jeder Fehler ist schlimm, und wenn der Hersteller den Fehler nicht ausnahmsweise angemessen erklären kann, sollte ein anderes Entwicklungsboard gewählt werden.

Wenn die Platte in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit verwendet werden soll, dann sollte die Platte in einer Umgebung mit angemessener Luftfeuchtigkeit getestet werden. Entwicklungstafeln sind nicht für den Einsatz bei hoher Luftfeuchtigkeit ausgelegt. Eine konforme Beschichtung kann zum Schutz vor Feuchtigkeit auf die Leiterplatte aufgetragen werden, vorausgesetzt, dass Steckverbinder und elektrische Kontaktstellen sorgfältig vor der Beschichtung geschützt werden.

Erkundigen Sie sich auch beim Hersteller, ob er mit jeder Änderung an der Tafel ein ECN schickt. Häufig geschieht dies nicht mit Entwicklungs-Boards. Um sicher zu gehen, sollten alle eingehenden gekauften Boards visuell auf Änderungen an Komponenten überprüft werden.

Wenn die Karte in einer Umgebung mit hohen Vibrationen eingesetzt werden soll, sollte sie in einem Testrahmen montiert und einem Vibrationstest unterzogen werden. Am Ende des Tests sollte er visuell auf Risse oder Verformungen untersucht werden. Schrauben und Reiterbefestigungen sollten auf Spiel überprüft werden. Jeder Fehler oder Defekt ist schlimm und sollte diesen Ausschuss von der Prüfung ausschließen.

Entwicklungsboard für den Dauereinsatz

Es folgen zwei Beispiele für Entwicklungsboards, die sich für industrielle Anwendungen im Dauereinsatz eignen können. Die Hersteller haben diese Boards nicht für den industriellen Dauereinsatz zertifiziert: Es ist Sache des Ingenieurs, seine eigenen Tests durchzuführen, um ein Board für eine bestimmte Endanwendung zu qualifizieren.

Der populäre Arduino Formfaktor hat zu vielen Derivaten des Boards von Herstellern geführt. Zum Beispiel basiert der NUCLEO-L4P5ZG von STMicroelectronics auf einem Arm® Cortex®-M4 Mikrocontroller. Eine Übersicht über das Platinenlayout zeigt seine vielen Merkmale (Abbildung 1). Der NUCLEO-L4P5ZG verfügt über einen Satz von Header-Anschlüssen, die der Anwendung alle GPIOs des Mikrocontrollers zur Verfügung stellen.

Ein wichtiger Vorteil des NUCLEO-L4P5ZG ist, dass die GPIOs mit vielen Arduino-kompatiblen Boards der Nucleo-Reihe von STMicroelectronics kompatibel sind. Das bedeutet, dass kompatible Nucleo-Ersatzteile aus zweiter Hand verfügbar sind, falls das Produkt eingestellt wird. Das Board verfügt über drei LEDs und einen Taster, die unter Firmware-Kontrolle stehen, sowie einen fest verdrahteten Reset-Taster. Die LEDs können einen einfachen Status anzeigen, und ein harter Reset-Knopf ermöglicht es dem Board, sich schnell von Firmware-Lockups zu erholen. Er verfügt über einen USB On-The-Go (OTG) Full Speed-Anschluss unter Firmware-Steuerung und einen Mikro-USB-Anschluss zum Programmieren und Debuggen. Die weiße Leiterplatte erleichtert die Wärmeabgabe in warmen Umgebungen. Der NUCLEO-L4P5ZG eignet sich für Anwendungen, bei denen E/A verwaltet werden müssen, wie z. B. bei Sensoren, Schaltern und Aktoren.

Bild 2: Das Relax Kit KITXMC47RELAXV1TOBO1 von Infineon Technologies basiert ebenfalls auf einem Arm Cortex-M4 und verfügt über einen vollständigen Satz Arduino-Pads ohne die Stiftleisten.
Bild 2: Das Relax Kit KITXMC47RELAXV1TOBO1 von Infineon Technologies basiert ebenfalls auf einem Arm Cortex-M4 und verfügt über einen vollständigen Satz Arduino-Pads ohne die Stiftleisten.
(Bild: Infineon)

Ein weiteres Beispiel für ein Entwicklungsboard für eine mögliche Anwendung ist das Infineon Technologies KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax Kit. Es basiert ebenfalls auf einem Arm Cortex-M4 und verfügt über einen vollständigen Satz Arduino-Pads ohne die Header-Anschlüsse (Abbildung 2). Das Relax-Kit ist eine gute Wahl für eine vernetzte Anwendung oder einen einfachen IIoT-Knoten mit einem RJ45-Stecker für Ethernet-Netzwerke. Er verfügt über zwei Drucktasten und zwei LEDs unter Firmware-Steuerung sowie eine Reset-Taste.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 23/2020 (Download PDF)

Das Infineon Relax Kit verfügt außerdem über einen microSD-Kartensteckplatz. Dies macht es einfach, Firmware oder Anwendungsdaten für verschiedene Boards zu ändern, indem einfach eine andere microSD-Flash-Speicherkarte eingelegt wird. Das Kit eignet sich für robuste Netzwerkanwendungen, die Sensoren, Schalter und Steueraktoren überwachen müssen, und die microSD-Karte ist nützlich, wenn Firmware- oder Datenänderungen regelmäßig auftreten, und ist effizienter als eine Neuprogrammierung der Karte.

Fazit: Mikrocontroller-Entwicklungsboards können als industrielle Anwendungsboards eingesetzt werden, wenn das Board sorgfältig ausgewählt und getestet wird, bevor es in der Zielanwendung eingesetzt wird. Der Ingenieur muss die Hardware vor der Verwendung strengen Tests unterziehen und den Hersteller sorgfältig auf die Lieferzuverlässigkeit einschließlich der EOL-Richtlinien prüfen. Mit der riesigen Auswahl an verfügbaren Entwicklungsboards kann ein Ingenieur leicht ein Board finden, das die interne QS für den Einsatz in einer industriellen Anwendung besteht.

* Bill Giovino ist Fachredakteur von Digi-Key.

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