發布日期：2022-04-22 點擊率：69
半導體供應商利用評估板和演示板等開發板為其微控制器提供支持。這些開發板的預期用途是讓工程師能夠首先熟悉目標微控制器，然后協助進行微控制器硬件和固件開發。這類板涵蓋的范圍非常廣泛，從針座連接器提供通用輸入/輸出 (GPIO) 的最簡單板，到帶有小鍵盤和 LCD 顯示屏的復雜板。由于可獲取的此類開發板種類繁多，一些工程師開始選擇這些板進行批量采購，以用于工業應用。
不過，與工業質量的單板計算機 (SBC) 不同，開發板通常未經過嚴格的制造商質量保證 (QA) 測試，難以保證在工業條件下能夠連續使用。開發板通常僅在室溫和低濕度條件下進行 QA。這就給連續使用應用中的可靠性和適用性帶來問題。盡管開發板使用的半導體和硬件元器件仍是經過 QA 測試，并且面向商業或工業用途且經過相關測試，但工程師需要了解開發板與工業 SBC 間有哪些不同規定，以及工程師應該進行何種級別的測試，然后再核準開發板用于連續使用。
為解決這些問題，本文將討論這些開發板存在的局限性，如何正確確定它們對目標應用的適用性，以及工程師在選擇用于連續應用用途的開發板時需要考慮哪些問題。之后，我們將研究 STMicroelectronics 和 Infineon Technologies 的兩塊開發板，并討論它們何以適合連續使用的應用。
在控制工業機電設備以及管理物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 節點時，現成的工業 SBC 是最常用的方法。SBC 已填入經過測試的元器件，并附帶完整的使用文檔。如果量足夠大，并且沒有現成的 SBC 能以適當的價格提供所需的功能，則可以選擇定制設計的 SBC。但是，已經過測試的現成解決方案可能仍優于定制 SBC，因為它能實現更快的開發速度和更短的上市時間。
在將設計發布生產之前，SBC 的制造商會對新板進行一系列嚴格的質量控制測試。專為工業用途而設計的 SBC 會經過嚴格的質量控制測試，以確保它們可以在目標應用中可靠地運行。對于額定溫度為 -40°C 至 +85°C 的常見工業應用，應基于額定溫度范圍選擇工業級半導體和硬件。這些元器件會安裝到印刷電路板上，并且電路板所用材料也能在額定溫度范圍內正常工作。對于某些應用，可以在 SBC 上涂覆保形涂層，以保護電路板免受濕氣、灰塵和環境顆粒以及化學溢出物的影響。
新型工業 SBC 的初始 QA 包括對電流和電壓的電氣額定值上限和下限進行臺架測試。完成此基本測試后，新型 SBC 接著會經歷完整而漫長的 QA，并在目標冷熱極限溫度以及極限濕度和振動條件下進行全面運行測試。新型工業 SBC 的制造商還可以進行應力測試，在極端條件下進行數天的測試。任何故障，無論多小，都會被記錄下來，并認真追蹤其原因。測試失敗可能導致元器件被更換或重新設計 SBC。QA 測試可能耗時數周甚至數月。只有當 SBC 設計完全合格后，制造商才會最終將該板發布生產。現在，投產的每個 SBC 在生產線的末端都會進行快速測試，這些測試通常需要不到一分鐘的時間。
即使在 SBC 發布生產后，測試也沒有停止。工業 SBC 的制造商可能按季度或按年度，隨機從生產中抽出一個 SBC 并對其進行完整的 QA，以確保質量得到保持。
這些 QA 結果通常會提供給客戶。此外，在發生任何變更時，例如更換了板元器件，SBC 制造商還會向 SBC 客戶發送工程更改通知 (ECN)。
微控制器制造商以及第三方工具提供商都提供了用于支持微控制器的開發板。評估板不過是用于一般微控制器研究和檢查基本操作的板。演示板用于演示微控制器的操作，并且通常更為復雜，具有閃爍的 LED、開關和 LCD 顯示屏。開發板則用于硬件和固件開發。
實際上，評估板、演示板和開發板等并非標準化名稱，板的目標用途之間存在很大的重疊。與其功能相比，板的名稱不太重要，直接將所有板歸并到術語“開發板”下面更容易一些，也不易造成混淆。
由微控制器制造商發布或由第三方提供的開發板所經過的測試則不及工業 SBC 那么嚴格。元器件通常為商用級，不過某些板也包含工業級元器件。開發板設計為僅在室溫下運行。開發板的首批原型將會經過數天或數周的室溫測試，不過這一點根據不同的制造商存在很大的差異。開發板的唯一目標質量要求是能夠在室溫下運行。可以肯定的是，開發板沒有經過極端溫度、高濕度、振動或沖擊條件下的測試。
在確定工業應用中應使用哪種開發板時，主要目標是降低風險。因此，應首先了解電路板制造商，具體而言，了解制造商的停產 (EOL) 政策和開發板歷史，這一點很重要。工程師最需要避免的做法是，在完美的板因 EOL 而停產之前進行大批量采購。如果制造商有維持開發板生產的歷史，則可以安全地向他們采購開發板。但如果制造商有定期停產這類板的歷史，那么采購的風險就太高了。
在決定是否在工業應用中使用某種開發板時，應查看板上的元器件；確保元器件具有適合目標應用的適當溫度等級。如果板將用在與操作人員共存的工業環境中，則商用級元器件對于該應用可能便夠用了。所有連接器或其他關聯的硬件零件均應進行檢查，確保已牢固安裝。任何未焊接的螺絲都應使用螺絲刀輕輕地進行轉動測試——松動過大的情況需要警惕，這可能表明 QA 過程不一致。
如果板的元器件和結構可以接受，最好同時在高溫條件下對三塊以上的板進行為期數天的應力測試。為了更好地了解生產一致性，應按時間順序單獨購買各個測試板，以便對不同的板生產批次進行抽樣。任何故障都是有害的，除非制造商可以充分解釋該故障為例外情況，否則應另選一塊開發板。
如果板將要在高濕度環境中使用，則應該在相應濕度的環境中進行測試。開發板并非面向高濕度應用而設計。印刷電路板上可以涂覆保形涂層以達到防潮的效果，前提是妥善保護連接器和電氣觸點不受涂層影響。
此外，還應該與制造商聯系，確認他們是否在每次變更板時會發送 ECN。通常情況下，開發板做不到這一點，因此，為了安全起見，所有購入的板都應目視驗證是否存在元器件變更。
如果板將要在高振動環境中使用，則應將其安裝在測試框架中進行振動測試。測試結束時，應目視檢查是否存在裂紋或變形。應檢查螺絲和卡式固定座是否松動。任何故障或缺陷都是有害的，并應將相應的板排除在考慮之外。
以下是兩個可能適合連續使用的工業應用的開發板示例。制造商沒有對這些板的連續工業使用進行認證：工程師應自行進行測試，鑒定板是否適合特定的最終應用。
制造商通過常用的 Arduino 外形尺寸提供了許多板衍生器件。例如，STMicroelectronics 的 NUCLEO-L4P5ZG 基于 Arm? Cortex?-M4 微控制器。該板的布局概覽展示了其眾多功能（圖 1）。NUCLEO-L4P5ZG 具有一組針座連接器，以便應用能夠使用微控制器的所有 GPIO。
圖 1：STMicroelectronics 的 NUCLEO-L4P5ZG 是一款 Arduino 兼容型 Nucleo 板，該板具有基本的開發板功能，將所有 GPIO 引腳匯集到針座連接器。它有三個用戶可編程的 LED、一個用戶按鈕和一個復位按鈕。（圖片來源：STMicroelectronics）
NUCLEO-L4P5ZG 的一個重要優勢在于，GPIO 與許多 STMicroelectronics 的 Nucleo 系列 Arduino 兼容板也兼容。這意味著在產品停產的情況下，可以使用兼容的 Nucleo 第二來源替代品。該板具有受固件控制的三個 LED 和一個按鈕，以及一個硬接線的復位按鈕。LED 指示燈可以顯示簡單的狀態，硬復位按鈕可以讓電路板從固件鎖死中快速恢復。它具有受固件控制的 USB OTG 全速連接器，以及用于編程和調試的 micro USB 連接器。白色的印刷電路板在溫暖的環境中更易于散熱。NUCLEO-L4P5ZG 適合需要管理 I/O（例如傳感器、開關和致動器 I/O）的應用。
另一個可能用于應用的開發板示例是 Infineon Technologies 的 KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 套件。它同樣基于 Arm Cortex-M4，并具有全套 Arduino 焊盤，但沒有針座連接器（圖 2）。Relax 套件適合通過 RJ45 連接器實現以太網聯網的聯網應用或基本 IIoT 節點。它具有受固件控制的兩個按鈕和兩個 LED，以及一個復位按鈕。
圖 2：Infineon Technologies 的 KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 套件將所有 GPIO 匯集至印刷電路板的接觸孔。它通過可用的以太網和 USB 連接器支持串行接口，并可以使用 microSD 卡插槽擴展內存。（圖片來源：Infineon Technologies）
Infineon 的 Relax 套件還具有 microSD 卡插槽。只需通過交換不同的 microSD 閃存卡，便能輕松地更換用于不同板的固件或應用數據。該套件適合需要監視傳感器、開關和控制致動器的耐用型聯網應用，而 microSD 卡在需要定期更改固件或數據的情況下非常有用，其效率高于對板進行重新編程。
微控制器開發板也可以用作工業應用板，前提是在用于目標應用之前經過了仔細挑選和測試。工程師在使用前需要對硬件進行嚴格的測試，并仔細檢查制造商的供應可靠性，包括 EOL 政策。由于可供選擇的開發板種類繁多，工程師可以輕松找到通過內部 QA 的板，以用于工業應用。
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