使用FPGA技术 DIY 板全力以赴用于无线物联网

自己动手 （DIY） 制造商运动继续发展，鼓励硬件和软件供应商在更高性能和更低成本方面相互跨越。他们还积极争取社区参与，以添加更多软件并扩大其关键的支持生态系统，作为回报，他们正在增强其核心产品，包括物联网项目的无线连接。

对 DIY 及其相关的嵌入式原型设计和开发空间的兴趣也促使其他大公司以不同程度的成功进入该领域。例如，英特尔在 2016 年底尝试了基于 Atom 的焦耳计算模块，但在 2017 年年中停止了。与此同时，三星通过 Hardkernel 的 Odroid 产品在其 Exynos 异构多核处理器方面取得了成功。其他社区的人气激增，例如 BeagleBoard.org FoundaTIon。

随着产品的增加，爱好者和专业人士都需要根据应用程序的要求进行选择。这些要求包括 I/O、处理能力、内存、成本、生态系统支持以及设计投入全面生产的可能性。此外，由于无线发挥着更大的作用，如果爱好者和开发人员打算出售他们的项目或设计，他们都需要了解有关 RF 发射的规定。如果未经认证，经销商将禁用无线。

Arduino、Raspberry Pi 和 BeagleBone 仍占主导地位 虽然许多人正在进入该领域，但 Arduino、Raspberry Pi 和 BeagleBone 平台主导着 DIY 和原型开发板。Arduino 和 Raspberry Pi 都是作为儿童和爱好者的学习工具开始的：这两个社区仍然反映了它们的起源。BeagleBone 需要更多的编程知识，它最适合部署为完整的嵌入式系统。

在这三个中，Raspberry Pi （R-Pi）可以说是最知名和最广泛的 DIY SBC。Raspberry Pi 3 Model B 是其旗舰产品线的最新版本，具有令人印象深刻的小板硬件（图 1）。

图 1：推出内置 802.11n Wi-Fi 和蓝牙低功耗支持的 Raspberry Pi Model B。图片来源：树莓派基金会。

它基于 Broadcom 的 BCM2837 64 位、1.2-GHz Arm Cortex A53 处理器，配备 1 GB 的 LPDDR2-900 SDRAM。Model B 在 2016 年推出时的重大新闻是内置的 802.11n Wi-Fi 和蓝牙低功耗支持，基于同样来自博通的 BCM43438。

I/O 支持包括：四个 USB 2.0 端口、CSI（相机）、DSI（显示器）、标准 40 针 Pi 配置上的 26-GPIO 端口和 100Base-T 以太网。多媒体支持包括一个 HDMI 1.4 端口和 4 极复合视频/音频。

通常，扩展以 Raspberry Pi“硬件附加在顶部”（HAT）的形式出现。狂热的社区已经制作了数百个这样的 HAT，扩展了仅受想象力约束的功能。一些 HAT 甚至可以附加在其他 HAT 之上。除了 R-Pi 生态系统之外，还有一种方法可以使 Arduino “Shields”适应 HAT 接口，使 R-Pi 成为具有最现成功能的 SBC。

对于开发人员来说，将 R-Pi 用作产品或项目的核心是很有吸引力的，因为它的初始投资最少。由于 R-Pi 运行完整的 Linux 操作系统，因此可以直接在设备上进行开发。但是，通过 Secure Shell （SSH） 访问也是一种流行的选择。再加上 Raspberry Pi FoundaTIon 广泛的在线支持中心（开源操作系统下载、社区支持、文档），R-Pi 使其成为假期列表或假期后新年 DIY 项目平台列表的首位。

Arduino 成长并与 TIAN 连接 Arduino 从 Atmel ATmega MCU 开始，虽然有用且广受欢迎，但通常仅限于重复的单任务功能。Arduino TIAN 显示了平台已经走了多远（图 2）。

图 2：Arduino TIAN 是专为物联网设计的强大开发板。图片来源：阿杜诺。

TIAN 是一款功能强大的开发板，专为物联网应用而设计，配备基于 Arm Cortex-M0 处理器的 Atmel SAMD21 MCU，时钟频率为 560 MHz。它由 16 MB 的闪存、4 GB 的 eMMC 和 64 GB 的 DDR2 内存支持。

TIAN 上的无线连接来自 Qualcomm/Atheros AR9342，配备 MIPS 处理器和双频 802.11b/g/n Wi-Fi 和蓝牙 4.0。

其 I/O 支持包括 20 个数字 GPIO、6 个带 12 位模数转换器 （ADC） 的模拟输入引脚、1 个带 10 位数模转换器 （DAC） 的模拟输出、串行、TWI、 SPI、以太网和对大量 Arduino Shield 集合的支持。

在操作中，TIAN 充当服务器并通过连接计算机上的浏览器提供类似 OS 的界面，提供用于配置板的窗口和菜单界面。开发方面，该板支持Arduino IDE，一个相对成熟的集成开发环境。

TIAN 运行 Linino，这是一个用于物联网领域的完整 Linux 系统，它基于为嵌入式设备设计的基于 OpenWRT （GNU/Linux） 的操作系统。如果设计成功，假设可以将代码从 TIAN 移植到使用相同或相似处理器的定制 PC 板上。因此，对于嵌入式项目，尤其是物联网项目，TIAN 是一个很好的发起设计理念的地方。

鉴于无线连接的重要性，已通过集成的 ESP8266 Wi-Fi 模块为广泛使用的 Arduino Uno 添加了 Wi-Fi 支持。

请注意，Arduino 拥有最古老、最广泛的支持社区，其中包含无数项目、Arduino Shield、不同的操作系统、代码、教程等。当谈到直接的非图形嵌入式开发时，Arduino 迅速浮出水面。

BeagleBone Black Wireless 适合全面的嵌入式设计 对于新手来说，BeagleBone Black Wireless （BBBW） 需要更多的编程技能，但它配备了更多的连接点：两个 46 针接头上最多 92 个连接，其中大部分都可以使用。通常，这些接头用于使用“BeagleBone Cape”扩展板扩展 BeagleBone 的功能。这些可与 Raspberry Pi HAT 或 Arduino Shields 相媲美。

它的连接性也使 BBBW 在竞争中脱颖而出，包括三个 I2C 总线、CAN 总线、SPI 总线、五个串行端口、65 个 GPIO 引脚、七个模拟输入、八个 PWM 输出、四个定时器、1 个 USB 2.0 端口、集成 802.11b/ g/n，蓝牙 4.1，加上 BLE（图 3）。还通过德州仪器 StarterWare 库为外设提供基于非操作系统的支持。

图 3：BeagleBone Black Wireless （BBBW） 对于初学者来说有点先进，
但非常适合嵌入式系统设计，并且可以“开箱即用”运行。图片来源：BeagleBoard.org。

BBBW 的 4 GB eMMC 闪存开箱即用，加载了 Debian Linux，因此用户可以打开它并立即开始开发。这通常是通过 BBBW 的 USB 端口上的 SSH 通过基于云的 IDE 亚马逊网络服务 （AWS） Cloud9 连接到计算机来完成的。但是，第三方支持 Android、Ubuntu 和许多其他基于 Linux 的操作系统。

BBBW 的主要芯片是 Octavo Systems OSD3358，这是一个片上系统，它结合了 AM335x 1-GHz Arm Cortex-A8 内核、SGS530 3D 图形加速器、NEON SIMD 引擎、2x PRU 32 位 200-MHz 微控制器、和 512 MB 的 DDR3 RAM。通过 4 GB 的 8 位 eMMC 闪存和 microSD 卡插槽提供额外的存储空间。

BBBW 拥有与 Raspberry Pi 相当的强大社区。热情的社区提供了大量的项目、代码示例和硬件扩展。基于功率和 IO，BeagleBone 已被选为许多生产 CNC 机器的中央控制单元，这证明了该平台的稳定性。

Hardkernel 将 Samsung Exynos 与 Odroid 相匹配对于寻求不同的黑客、制造商或开发人员，请尝试 Hardkernel 的 ODROID-XU4（图 4）。该委员会对物联网应用以及集群计算、机器人、云计算甚至游戏产生了浓厚的兴趣。

图 4：Hardkernel 的 OROID-XU4 将强大的 2-GHz 三星 Exynos5422 处理器
和 Mali-T628 GPU 与 Odroid 环境相匹配。图片来源：硬核。

该板本身与小型 PC 相当，基于运行频率为 2.0 GHz 的三星 Exynos5422 8 核处理器（四个 Arm Cortex A15 和四个 Arm Cortex A7）。这由 2 GB 的 LPDDR3 RAM 和 Mali-T628 GPU 支持。扩展 I/O 包括一个 30 针 GPIO 接头以及一个用于 I2C 和 I2S 连接的 12 针接头。无线通信不是板载的，而是使用连接到 USB 端口的定制 IEEE 802.11ac/b/g/n 1T1R WLAN 适配器提供。

这些板的可扩展性有点不同。Odroid 确实有一系列“盾牌”，不要与扩展板功能的 Arduino 盾牌混淆。冒着进一步混淆事情的风险，有 Odroid Shields 可以使电路板适应 Arduino Shield 和 Raspberry Pi HAT。

Hardkernel 本身提供了一个在线支持社区，其中包含视频教程和位于 ODROID Wiki 上的大量开源软件。虽然这是 69 美元的最昂贵的板，但它也是最强大的 - 处理繁重的应用程序使 Odroid 成为首选。但是，在撰写本文时，它在 Hardkernel 已缺货。

DECA 为 FPGA 带来 DIY试验可编程逻辑的成本和功耗降低，工具变得更易于使用是件好事。这是完全不同的东西。考虑到这一点，试试 Arrow 的 DECA。这是与 Altera 和 TI 合作设计的，作为开始使用 CPLD 和 FPGA 的简单方法，所有这些都在一个微型开发板中（图 5）。

图 5：DECA 开发套件将引导 DIY 者轻松进入更深奥的世界 CPLD 和 FPGA，
同时为设计人员提供实现可重构逻辑想法的快速途径。图片来源：艾睿电子。

DECA 配备 MAX 10 FPGA，带有两个多通道 ADC 模块、温度检测二极管、片上 RAM 和闪存、microSD 插槽、加速度计、各种输入、接近/环境光传感器和一个 MIPI 摄像头输入。该板可通过 HDMI 接口输出视频。USB 2.0 OTG、10/100-Gbits/s 以太网、SDHC 和 MIPI CSI-2 完善了该板的端口选项，而通信由 Arrow 蓝牙低功耗/Wi-Fi BeagleBone Cape 处理。

对于开发，DECA 使用系统集成工具“平台设计器”。该软件安装在主机上，提供专有的图形编程环境以简化开发。

Arrow 提供广泛的在线支持社区，其中包含用于开发、设计和编程的设计工具和应用程序，以帮助启动 FPGA 开发。