Utiliser des cartes de développement de microcontrôleurs en tant qu'ordinateurs monocartes

Les fournisseurs de semi-conducteurs soutiennent leurs microcontrôleurs avec des cartes de développement, telles que des cartes d'évaluation et de démonstration. L'utilisation prévue de ces cartes est de permettre aux ingénieurs de se familiariser avec le microcontrôleur cible, puis d'aider au développement du matériel et du micrologiciel du microcontrôleur. Ces cartes s'étendent des versions les plus simples avec une entrée/sortie à usage général (GPIO) disponible via des connecteurs d'embase, aux cartes sophistiquées avec des claviers et des écrans LCD. Compte tenu de la grande variété de ces cartes de développement, certains ingénieurs sélectionnent ces cartes en vue d'un achat en volume pour les utiliser dans des applications industrielles.

Toutefois, contrairement aux ordinateurs monocartes (SBC) de qualité industrielle, les cartes de développement ne sont souvent pas soumises à des tests rigoureux d'assurance qualité du fabricant pour garantir un fonctionnement en continu dans des conditions industrielles. Les cartes de développement ne subissent généralement une procédure d'assurance qualité qu'à température ambiante et à faible humidité. Cela soulève des questions de fiabilité et d'adéquation pour une application à usage continu. Bien que les cartes de développement utilisent encore des composants matériels et semi-conducteurs testés pour l'assurance qualité pour un usage commercial ou industriel, les ingénieurs doivent comprendre en quoi les cartes de développement sont spécifiées différemment des ordinateurs monocartes industriels, et quel niveau de test l'ingénieur doit effectuer avant d'approuver une carte pour une utilisation continue.

Pour répondre à ces questions, cet article aborde les limites de ces cartes, la manière de déterminer correctement leur adéquation à l'application cible et les questions qu'un ingénieur doit se poser lors de la sélection d'une carte de développement pour une utilisation continue de l'application. Il étudie ensuite deux cartes de développement de STMicroelectronics et Infineon Technologies, et détaille la manière dont elles peuvent être applicables pour une application d'utilisation continue.

Assurance qualité des ordinateurs monocartes industriels

Les ordinateurs monocartes industriels prêts à l'emploi constituent le moyen le plus populaire de contrôler les équipements électromécaniques industriels et de gérer les nœuds Internet des objets (IoT) et Internet industriel des objets (IIoT). Un ordinateur monocarte est déjà équipé de composants testés et est fourni avec une documentation d'utilisation complète. Un ordinateur monocarte personnalisé est une option si le volume est suffisamment élevé et si aucun ordinateur monocarte prêt à l'emploi ne fournit les fonctionnalités requises au niveau de prix approprié. Toutefois, une solution standard déjà testée peut s'avérer supérieure à un ordinateur monocarte personnalisé en ce sens qu'elle permet un développement et une mise sur le marché plus rapides.

Les fabricants d'ordinateurs monocartes soumettent les nouvelles cartes à une longue série de tests de contrôle qualité rigoureux avant de lancer la conception en production. Les ordinateurs monocartes spécifiquement conçus pour un usage industriel sont soumis à des tests de contrôle qualité rigoureux afin de s'assurer qu'ils peuvent fonctionner de manière fiable dans l'application cible. Pour une application industrielle courante caractérisée entre -40°C et +85°C, des semi-conducteurs et du matériel de grade industriel répertoriés en fonction de la température sont sélectionnés. Les composants sont montés sur un circuit imprimé dont le matériau fonctionne également dans la plage de température nominale. Pour certaines applications, un revêtement conforme peut être appliqué sur l'ordinateur monocarte afin de protéger la carte contre l'humidité, la poussière, les particules ambiantes et les déversements de produits chimiques.

L'assurance qualité initiale d'un nouvel ordinateur monocarte industriel comprend le test sur banc des limites électriques supérieures et inférieures de courant et de tension. Après ces tests de base, le nouvel ordinateur monocarte est soumis à une procédure étendue d'assurance qualité et est testé pour un fonctionnement complet à des extrêmes de températures cibles de chaleur et de froid, ainsi qu'à des extrêmes d'humidité et de vibrations. Le fabricant du nouvel ordinateur monocarte industriel peut également effectuer des tests de résistance, avec des tests de plusieurs jours dans des conditions extrêmes. Toute défaillance, même infime, est consignée et suivie avec diligence jusqu'à sa cause. Les échecs aux tests peuvent entraîner le remplacement de composants ou la reconception de l'ordinateur monocarte. Les tests d'assurance qualité peuvent prendre des semaines ou des mois. Ce n'est que lorsque la conception de l'ordinateur monocarte a été entièrement qualifiée que le fabricant met enfin la carte en production. Chaque ordinateur monocarte en cours de production est soumis à des tests rapides en bout de chaîne de production, qui prennent généralement moins d'une minute.

Même après la mise en production de l'ordinateur monocarte, les tests ne s'arrêtent pas. Le fabricant de l'ordinateur monocarte industriel peut retirer un ordinateur monocarte de la production de manière aléatoire et le soumettre à un contrôle qualité complet sur une base trimestrielle ou annuelle pour s'assurer que la qualité est maintenue.

Souvent, ces résultats d'assurance qualité sont mis à la disposition des clients. En outre, le fabricant d'ordinateurs monocartes enverra un avis de modification technique (ECN) aux clients de l'ordinateur monocarte pour toute modification, par exemple lorsque des composants de la carte sont remplacés.

Cartes de développement de microcontrôleurs

Les cartes de développement utilisées pour soutenir les microcontrôleurs sont fournies par les fabricants de microcontrôleurs ainsi que par des fournisseurs d'outils tiers. Les cartes d'évaluation sont de simples cartes utilisées pour étudier le microcontrôleur en général et examiner son fonctionnement de base. Les cartes de démonstration, ou plus communément « cartes de démo », démontrent le fonctionnement du microcontrôleur et sont souvent plus sophistiquées avec des LED clignotantes, des commutateurs et un écran LCD. Les cartes de développement sont utilisées pour le développement du matériel et des micrologiciels.

En réalité, les noms évaluation, démonstration et développement ne sont pas standardisés et l'utilisation cible des cartes se recoupe. Le nom de la carte est moins important que ses caractéristiques, et il est plus facile et moins ambigu de regrouper toutes les cartes sous le terme de « cartes de développement ».

Tests des cartes de développement pour une utilisation industrielle

Les cartes de développement commercialisées par les fabricants de microcontrôleurs ou fournies par des tiers sont soumises à des tests moins rigoureux que les ordinateurs monocartes industriels. Les composants sont généralement de grade commercial, mais certaines cartes incluent des composants de grade industriel. Les cartes de développement sont conçues pour fonctionner uniquement à température ambiante. Les premiers prototypes de cartes de développement sont soumis à des tests à température ambiante pendant plusieurs jours ou semaines, mais cela varie beaucoup selon le fabricant. La seule exigence de qualité cible pour les cartes de développement est qu'elles fonctionnent à température ambiante. On peut supposer sans risque que la carte n'a pas été testée à des extrêmes de températures ni en conditions d'humidité, de vibrations ou de chocs élevés.

L'objectif premier, lors de la détermination de la carte de développement à utiliser dans une application industrielle, est de réduire les risques. C'est pourquoi il est important de s'intéresser d'abord au fabricant de cartes, en particulier en ce qui concerne sa politique en matière de fin de vie (EOL) des produits et l'historique des cartes de développement. La dernière chose dont un ingénieur a besoin, c'est d'un achat en volume de la carte idéale, mais que sa production soit interrompue car en fin de vie. Un fabricant reconnu pour maintenir la production de ses cartes de développement offre la garantie de pouvoir s'en procurer en toute sécurité. A l'inverse, si le fabricant est connu pour arrêter régulièrement la production de ses cartes, il devient trop risqué de s'en procurer.

Lorsque vous devez décider d'utiliser ou non une carte de développement dans une application industrielle, examinez les composants de la carte ; assurez-vous que les composants ont le grade de température approprié pour l'application cible. Si la carte doit être utilisée dans un environnement industriel avec des opérateurs humains, alors des composants de grade commercial sont probablement adéquats pour l'application. Tous les connecteurs ou autres composants matériels associés doivent être examinés pour s'assurer qu'ils sont montés correctement. Toute vis non soudée doit être testée avec un tournevis, car un jeu trop important est un avertissement et peut indiquer un processus d'assurance qualité inégal.

Si les composants et la construction des cartes sont acceptables, il est alors judicieux de tester simultanément trois cartes ou plus à haute température pendant plusieurs jours. Pour avoir une bonne idée de la régularité de la production, chaque carte de test doit être achetée séparément au fil du temps afin que différents lots de production de cartes soient échantillonnés. Toute défaillance est mauvais signe, et à moins que le fabricant ne puisse l'expliquer correctement comme une exception, il faut alors choisir une autre carte de développement.

Si la carte doit être utilisée dans un environnement très humide, elle doit être testée dans un environnement d'humidité appropriée. Les cartes de développement ne sont pas conçues pour une utilisation à forte humidité. Un revêtement conforme peut être appliqué sur le circuit imprimé pour le protéger contre l'humidité, à condition que les connecteurs et les points de contacts électriques soient soigneusement protégés du revêtement.

Vérifiez également auprès du fabricant pour savoir s'il envoie un avis de modification technique après chaque changement sur la carte. Souvent, ce n'est pas le cas avec les cartes de développement, donc pour s'en assurer, toutes les cartes achetées entrantes doivent être vérifiées visuellement pour les changements de composants.

Si la carte doit être utilisée dans un environnement à fortes vibrations, elle doit être montée dans un cadre d'essai et soumise à des tests de vibration. À la fin du test, elle doit être inspectée visuellement pour détecter les fissures ou les déformations. Les vis et les fixations à languettes doivent être vérifiées. Tout défaut ou défaillance est mauvais signe et l'utilisation de cette carte ne devrait plus être envisagée.

Carte de développement pour une utilisation continue

Voici deux exemples de cartes de développement pouvant convenir à des applications industrielles à usage continu. Les fabricants n'ont pas certifié ces cartes pour une utilisation industrielle continue : il appartient à l'ingénieur de faire ses propres tests pour qualifier une carte pour une application finale particulière.

Le populaire facteur de forme Arduino a donné lieu à de nombreux dérivés de la carte par les fabricants. Par exemple, la carte NUCLEO-L4P5ZG de STMicroelectronics est basée sur un microcontrôleur Arm® Cortex®-M4. Un aperçu de la configuration de la carte illustre ses nombreuses caractéristiques (Figure 1). La carte NUCLEO-L4P5ZG est dotée de connecteurs d'embases qui rendent toutes les GPIO du microcontrôleur disponibles à l'application.

Figure 1 : La carte NUCLEO-L4P5ZG de STMicroelectronics est une carte Nucleo compatible Arduino, dotée des fonctionnalités de carte de développement de base associant toutes les broches GPIO aux connecteurs d'embases. Elle est équipée de trois LED programmables par l'utilisateur, d'un bouton-poussoir utilisateur et d'un bouton de réinitialisation. (Source de l'image : STMicroelectronics)

La carte NUCLEO-L4P5ZG permet la compatibilité des GPIO avec de nombreuses cartes compatibles Arduino de la ligne Nucleo de STMicroelectronics. Cela signifie que des produits de remplacement de seconde source Nucleo compatibles sont disponibles en cas d'interruption du produit. La carte est équipée de trois LED et d'un bouton-poussoir qui sont sous le contrôle du micrologiciel, ainsi que d'un bouton de réinitialisation câblé. Les LED peuvent indiquer un état simple, et un bouton de réinitialisation matérielle permet à la carte une récupération rapide suite à des blocages du micrologiciel. La carte dispose d'un connecteur USB On-The-Go (OTG) pleine vitesse sous contrôle du micrologiciel et d'un connecteur micro USB pour la programmation et le débogage. Le circuit imprimé blanc permet de diffuser plus facilement la chaleur dans les environnements chauds. La carte NUCLEO-L4P5ZG est adaptée aux applications dans lesquelles les E/S doivent être gérées, par exemple avec des capteurs, des commutateurs et des actionneurs.

Un autre exemple de carte de développement pour une possible utilisation dans une application est le kit Relax KITXMC47RELAXV1TOBO1 d'Infineon Technologies. Il est également basé sur Arm Cortex-M4 et dispose d'un ensemble complet de pads Arduino sans les connecteurs d'embases (Figure 2). Le kit Relax est un bon choix pour une application en réseau ou un nœud IIoT de base avec un connecteur RJ45 pour la mise en réseau Ethernet. Il est doté de deux boutons-poussoirs et de deux LED sous contrôle du micrologiciel, et d'un bouton de réinitialisation.

Figure 2 : Le kit Relax KITXMC47RELAXV1TOBO1 d'Infineon Technologies permet d'associer toutes les GPIO aux orifices de contact du circuit imprimé. Il prend en charge l'interface série en utilisant les connecteurs Ethernet et USB disponibles, et peut étendre la mémoire grâce à un connecteur de carte microSD. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Le kit Relax d'Infineon est également doté d'un connecteur de carte microSD. Il est ainsi facile de modifier le micrologiciel ou les données d'application pour différentes cartes en insérant simplement une carte mémoire Flash microSD différente. Le kit convient aux applications réseau renforcées devant surveiller des capteurs, des commutateurs et des actionneurs de contrôle. La carte microSD est utile lorsque des changements de micrologiciels ou de données se produisent régulièrement et elle est plus efficace que la reprogrammation de la carte.

Conclusion

Les cartes de développement de microcontrôleurs peuvent être utilisées comme cartes d'applications industrielles si la carte est sélectionnée et testée avec soin avant d'être utilisée dans l'application cible. L'ingénieur doit effectuer des tests rigoureux du matériel avant son utilisation et vérifier soigneusement la fiabilité de l'approvisionnement du fabricant, y compris les politiques de fin de vie. Grâce à l'immense choix de cartes de développement disponibles, un ingénieur peut facilement trouver une carte qui satisfait à l'assurance qualité interne pour une utilisation dans une application industrielle.