Sviluppo di concetti

Agli albori dell'elettronica, e per elettronica intendo i componenti attivi (quelli che devono essere alimentati), a partire dai tubi a vuoto, i circuiti venivano realizzati collegando tutto tramite i fili. Non c'erano tracce su una scheda a circuiti stampati (PCB), ma veri e propri fili, che venivano saldati ai terminali dei dispositivi, sia per i componenti attivi che per quelli passivi. Le PCB sono arrivate molto tempo dopo.

In quelle condizioni, e se lo paragoniamo alla realtà attuale, era facile cablare un circuito elettronico. Potevano farlo praticamente tutti. I circuiti erano più semplici all'inizio. Dopotutto, per le prime radio serviva solo un tubo. Bastava essere capaci di saldare.

Uno dei vantaggi di una metodologia di assemblaggio così elementare era che tutti potevano sperimentare: appassionati, professionisti, studenti di elettronica. Bastava avere gli utensili per saldare e i componenti elettronici. Era la fortuna delle riviste di hobbistica, che i curiosi come noi divoravano, affascinati da questa nuova e accessibile tecnologia.

Dopo la Seconda Guerra Mondiale, fece capolino un altro fenomeno: i kit elettronici. Molte aziende vendevano componenti fornendo libretti di istruzioni che spiegavano come assemblarli per creare il prodotto finito. Questi libretti includevano una "teoria del funzionamento" che illustrava come funzionavano i componenti assemblati e a cosa servivano. Parlo di aziende come Heathkit, Eico, Precision e altre. Si poteva costruire una radio, un oscilloscopio, un televisore e tanto altro. Erano bei tempi per chi desiderava saperne di più e acquisire dimestichezza con l'elettronica.

Dai tubi siamo passati ai transistor, ma il cablaggio è rimasto semplice. I circuiti occupavano meno spazio con i transistor e si poteva realizzarli usando morsettiere, composte da due file di terminali saldati su una striscia non conduttiva, ad esempio in composto fenolico. I circuiti stavano però diventando più complessi a causa del costo inferiore dei dispositivi elettronici e si potevano realizzare funzionalità più sofisticate. Con l'aumentare della complessità, semplificare il cablaggio era una necessità sempre più impellente, e spuntarono le PCB.

Con le PCB non servivano nuovi utensili né ulteriori conoscenze, oltre a quelle già acquisite in fatto di saldatura. Forse bisognava procurarsi solo una punta più piccola per il saldatore. Un metodo comune per creare le prime PCB consisteva nel posare del nastro opaco su un pezzo di mylar dove si desiderava inserire materiale conduttivo. Tramite processi fotografici si poteva incidere il motivo del nastro su una scheda rivestita di rame. Il processo necessario per realizzare una PCB ridusse drasticamente il numero di persone che potevano dedicarsi a questa attività, perché molti meno avevano il desiderio o le conoscenze per costruirsi una PCB da soli. In alternativa, si poteva farsene costruire una su misura, ma il costo scoraggiava a continuare.

Però venivano realizzati così tanti nuovi prodotti entusiasmanti che questo rimase un settore allettante per molti. L'elettronica ha fatto passi da gigante e non c'è praticamente limite a ciò che si può realizzare partendo dalla fantasia di ognuno. È una cosa fantastica, indipendentemente dal fatto che chi ci si dedica sia un ingegnere elettronico, un fisico, uno studente, un appassionato o semplicemente qualcuno con sufficiente interesse e caparbietà.

Dagli albori delle PCB ai giorni nostri, in cui queste schede sono diventate il mezzo universale per cablare i componenti, l'elettronica ha registrato una vera rivoluzione. Siamo passati dai transistor discreti ai circuiti integrati (CI), l'essenza delle PCB preassemblate contenenti componenti elettronici. Dato che i CI riducevano notevolmente le dimensioni dei circuiti elettronici complessi e dato che il loro costo è direttamente proporzionale alle loro dimensioni (misurate come l'area utilizzata su un substrato in silicio) va da sé che dovettero diventare sempre più piccoli e, a quel punto, diventava poco pratico utilizzare qualcosa che non fosse una PCB per cablare i circuiti elettronici. Naturalmente ci sono delle eccezioni, ma questa in linea di massima è la regola.

Nei primi tempi dei circuiti integrati, si poteva sviluppare un concetto ed eseguire il debug dell'elettronica con strumenti di laboratorio standard, come multimetri e oscilloscopi. L'accesso ai pin dei dispositivi e il test delle giunzioni dei circuiti era relativamente semplice, ma i prodotti elettronici di dimensioni più contenute esercitavano un'attrazione decisamente maggiore sui consumatori. Si puntava a portabilità, unita a maggiori funzionalità e costi inferiori.

Più funzionalità, costi inferiori e dimensioni ridotte sono probabilmente il motivo principale per cui si sviluppa un prodotto elettronico o se ne riprogetta uno esistente, ed esiste un modo per farlo: livelli maggiori di integrazione garantiti da circuiti integrati più performanti. La linfa vitale di questo settore è la continua evoluzione della tecnologia dei semiconduttori. Lo vediamo con gli smartphone, dove i modelli attuali hanno più funzionalità, a costi inferiori rispetto ai modelli precedenti. Se avete dubbi su quanto ho detto sui costi, ricordate la differenza tra il prezzo di un prodotto e il suo costo. Vi assicuro che il costo necessario per ottenere un determinato livello di funzionalità è più basso e, se gli altri aspetti rimangono gli stessi, il prezzo non cambia. In pratica, siamo disposti ad assicurare a un produttore profitti più sostanziosi per le maggiori funzionalità fornite dal suo prodotto. Il risultato finale è che i prezzi degli smartphone, che sono semplicemente uno degli esempi possibili, sono rimasti praticamente invariati nel tempo.

Per ridurre sia i costi dei componenti elettronici che le loro dimensioni, il settore si è concentrato sull'incapsulamento, prima con molta fretta negli anni '80 e poi con maggior dipendenza dalle PCB. La tecnologia utilizzata per l'incapsulamento fu chiamata a montaggio superficiale. Era diventato ormai poco pratico utilizzare pin singoli da saldare (cioè terminali) in caso di montaggio superficiale. Fattibile, ma poco pratico. I componenti a questo punto venivano saldati alle PCB con un metodo chiamato saldatura a onda, che rendeva indispensabile sviluppare una PCB per realizzare il concetto desiderato. Non è più possibile testare tutti i pin dei circuiti stampati se il contenitore li coprono.

Con il montaggio superficiale, gli studenti e gli appassionati si trovarono di fronte a un problema praticamente insormontabile. Ricordo che verso la fine degli anni '90 avevo assemblato il mio ultimo kit, un multimetro, e poco dopo Heathkit aveva smesso improvvisamente di vendere i suoi notissimi kit. Non era più un'azienda che produceva kit.

Come ho già accennato, i costi dei prodotti elettronici seguivano un trend al ribasso e questo avrebbe presto fatto accadere qualcosa di fantastico nel settore. Divenne possibile acquistare le funzionalità dei circuiti proprio sotto forma di circuiti stampati. Sebbene un circuito integrato abbia una sua funzionalità specifica, spesso richiede altri componenti per funzionare. Parlo di chip di alimentazione, clock, controller host e così via. Sotto forma di PCB era possibile ottenere un sottosistema completamente funzionante a costi tutt'altro che proibitivi. Alcune di queste PCB vengono chiamate moduli mentre altre vengono chiamate System-in-Package (SiP).

I produttori di circuiti stampati iniziarono a fornire queste nuove PCB ai potenziali clienti per permettere loro di valutare le loro tecnologie. In più, nacque una nuova tipologia di fornitori di prodotti elettronici, che si rivolgevano ai "professionisti", come Mikroe (Mikroelektronika), Adafruit, Seeed, SparkFun e altri. Come ho già detto, sviluppare un concetto utilizzando i componenti elettronici più sofisticati al mondo è semplice.

Sono disponibili migliaia di sottosistemi elettronici che possono essere sfruttati per produrre un sistema integrato su misura. Questi prodotti COTS (Commercial-Off-The-Shelf) sono utilizzati sia da aziende professionali che da amatori. Lavorando per DigiKey, una volta ho notato che vendevamo gli stessi CI presenti su alcuni moduli (vendiamo anche questi) e che aziende di grandi dimensioni non solo acquistavano i CI, ma anche i moduli che li contenevano! Quindi mi sono chiesto, perché mai un'azienda in possesso delle risorse necessarie a realizzare un prodotto nel modo più vantaggioso (dal punto di vista dei costi e della produzione) decida invece di acquistarlo con un fattore di forma un po' più costoso, come una PCB. E ho trovato alcuni motivi.

Prima di tutto, un modulo offre più valore. Ad esempio, un modulo RF può essere già certificato da enti governativi come FCC. I test di conformità sono dispendiosi in termini di costi e tempo. Poi dobbiamo considerare il time-to-market. Se non si conoscono le dimensioni di un mercato, la cosa migliore è testarlo il prima possibile. Se le dimensioni di un mercato risultano sufficienti, è possibile dedicarsi a riprogettare un prodotto per ridurne i costi tramite metodologie di progettazione di livello inferiore. Infine è necessario prendere in considerazione le variazioni di un prodotto. Con i sottosistemi modulari, il set di funzioni e i prezzi di un prodotto possono essere variati più semplicemente. Vorrei chiarire che, se i sottosistemi elettronici sono convenienti per le aziende che dispongono delle risorse per progettare ai livelli più bassi dell'elettronica, sono sicuramente abbastanza vantaggiosi anche per gli appassionati e gli studenti. Ma non è tutto.

L'universo dei sottosistemi modulari include un'ampia varietà di interfacce. Le più conosciute sono l'interfaccia periferica seriale (SPI), il circuito inter-integrato (I²C), analogica e quasi analogica a modulazione di larghezza dell'impulso (PWM), UART (ricetrasmettitore asincrono universale) e parallela. Tra queste, solo l'ultima ha una gamma di piedinature ampia e diversificata. Probabilmente il 95% o più dei sottosistemi modulari non richiede un'interfaccia parallela e quindi i sottosistemi hanno un basso numero di pin che garantisce costi e prezzi contenuti.

Mikroe, sulla scia della popolarità delle interfacce appena elencate, ha creato il proprio standard MikroBUS rendendolo disponibile gratuitamente per chiunque desideri utilizzarlo (Figura 1). Sempre più produttori di circuiti integrati lo stanno adottando. Credo che il primo sia stato Microchip, per le proprie schede di valutazione e sviluppo, per il semplice motivo che ci sono oltre mille moduli disponibili basati su MikroBUS. A seconda del numero di siti MikroBUS presenti su una scheda, è possibile sviluppare o valutare un numero praticamente illimitato di concetti senza dover cablare, ricablare o assemblare le PCB. MikroBUS è uno standard accettato universalmente che specifica sia l'interfaccia elettrica che gli attributi fisici di una scheda. Per questo motivo è diventato semplice implementare concetti a quasi ogni livello di funzionalità e sofisticazione flessibile, a costi estremamente ridotti. Ma c'è dell'altro.

Figura 1. Standard MikroBUS. (Immagine per gentile concessione di Mikroelektronika)

Mikroe è un'azienda che si occupa di strumenti di sviluppo. Oltre a creare schede basate sul proprio standard MikroBUS, che chiamano click board, realizzano anche strumenti di sviluppo, in particolare uno che si chiama CodeGrip. CodeGrip ha un'interfaccia Wi-Fi in aggiunta a un'interfaccia USB. Utilizzando una di queste connessioni, è possibile scrivere software che integri qualunque sottosistema presente in un progetto, ed eseguirne il debug. Avere una connessione Wi-Fi significa poter disporre di un'interfaccia facilmente collegabile a Internet, cosa che hanno fatto con un sistema che chiamano Planet Debug.

Planet Debug permette a chiunque installi sul proprio computer l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) di Mikroe e abbia una connessione Internet di accedere a hardware remoto ovunque nel mondo. In realtà, Mikroe configurerà il proprio hardware con qualunque click board vogliate. Questo significa che la tecnologia ha ormai raggiunto un punto in cui non è più necessario sviluppare o cablare hardware proprio per realizzare un concetto né imparare a usare una tecnologia.

Sono ancora bei tempi per chi desidera saperne di più e acquisire dimestichezza con l'elettronica. Il mio contributo a questa storia per il momento finisce qui, ma voi potete scrivere il resto continuando a sviluppare i vostri concetti.