使用工业SMARC套件加速原型设计和开发

作者：Max Maxfield

当 Arduino 和 Raspberry Pi （RPi）等微控制器开发平台分别于 2005 年和 2012 年首次出现时，它们通常被认为只对学生、爱好者和创客感兴趣。

然而，随着时间的推移，与这些平台相关的硬件和软件的开源性质——再加上围绕它们发展的巨大硬件和软件生态系统——导致专业工程师将它们用作传感器、执行器和执行器的低成本评估平台。外围设备，以及作为下一代嵌入式系统和物联网 （IoT） 设备的原型平台。

到 2020 年初，估计至少售出 5000 万个 RPi 平台，大约有十种不同的型号/版本。相比之下，大约有 20 种不同的 Arduino 平台，其中一些具有多个版本。不幸的是，没有关于售出多少 Arduino 的准确记录。如果只计算“官方”系统，那么 Arduino 的数量可能少于 RPi 的数量；然而，如果非官方克隆也被考虑在内，那么 Arduino 的数量几乎肯定会超过 RPi 平台的数量。

生产问题的原型

工程师被驱动去创造。许多工程师在自己的时间使用硬件和软件，在家中试验外围设备和传感器，并开发潜在产品的原型版本。由于入门成本低，他们经常使用 Arduino 或 RPi 开发板作为他们选择的原型平台。

除了这些平台的开源特性之外，Arduino 扩展板和 RPi HATS 几乎适用于人们梦寐以求的所有传感器、执行器和外围设备。

不幸的是，当工程师在家中所做的努力到达工作岗位时，就会出现问题，此时他们的原型需要转化为工业解决方案。举一个简单的例子，Arduino 和 RPi 平台是旨在支持商业温度范围和环境的商业产品——它们不适用于具有冲击、振动、嘈杂电源、高湿度和极端温度的恶劣环境。

另一个问题是，面向消费市场的产品的创造者——比如 Arduino 和 RPi 开发板——很乐意在情况需要时更换组件并进行替换（“这些都是 10pF 陶瓷电容器，所以不会有如果我们可以互换使用它们，就会出现问题”）。对于用于医疗、工业或军事用途的产品，这种理念是不可接受的。

最重要的是，根本不可能将 Arduino 或 RPi 原型“放入”盒子中并称其为工业解决方案。

当然，有许多现有的工业平台可用，但是当涉及到通用输入/输出 （GPIO）引脚、脉宽调制器 （PWM） 功能、模数转换器 （ADC）、数模转换器 （DAC） 以及 I2C、SPI、UART 等通信功能。这使得很难将为 Arduino 或 RPi 开发的软件和驱动程序移植到工业平台。

MRAA、UPM 和 SMARC 的救援

硬件抽象层 （HAL） 是在计算机的物理硬件和在该计算机上运行的软件之间以软件实现的抽象层。HAL 的功能是向操作系统 （OS） 内核隐藏硬件差异，因此无需更改大多数内核模式代码即可在具有不同硬件的系统上运行。

MRAA （发音为“em rah”）是英特尔的一个库，它扮演 HAL 的角色并简化了连接到不同传感器引脚的逻辑。除了允许用户使用 C++、Python、JavaScript 或 Java 进行编程之外，MRAA 还具有可移植性，从而允许在多个平台上运行相同的代码。

Arduino Create 是一个集成的在线平台，使创客和专业开发人员能够编写代码、访问内容、配置板和共享项目。对于 RPi，可以使用多个集成开发环境 （IDE）。MRAA 可用作 Arduino 和 RPi 平台的 HAL。

最后但同样重要的是，UPM是一个高级存储库，可为各种常用传感器和执行器提供软件驱动程序。这些软件驱动程序（可用于 Arduino 和 RPi 平台）通过调用 MRAA API 与底层硬件平台交互。

软件/硬件堆栈的高级视图

SMARC（“智能移动架构”）一词是指针对需要低功耗、低成本和高性能的多功能、小型计算机目标应用程序的模块定义。所有 SMARC 模块都可以支持 -20 到 +85？C 的温度范围，有些支持 -40 到 +85？C 的范围。SMARC 规范是在嵌入式技术标准化组织（ SGET ）的主持下创建的，该组织的成员拥有许多“大牌”，例如 ADLINK、NXP 和德州仪器（TI）。

所有这些硬件和软件组件都以凌华科技的工业 Pi （I-Pi） SMARC 开发套件的形式组合在一起。

介绍 I-Pi SMARC

下图显示了凌华科技的 I-Pi SMARC 开发套件。I-Pi SMARC 周围的透明丙烯酸屏蔽层平衡了保护和访问的要求。该套件还包括电源、USB 编程电缆和包含 Linux 操作系统的 SD 存储卡。

请注意，I-Pi 是较大的载板，提供与外界的所有接口，而 SMARC 处理器模块是插入 I-Pi 载板的较小板。同样重要的是要注意，该套件具有为物联网创建许多嵌入式系统和设备时所必需的功能——如实时时钟 （RTC）——但不包括在 RPi 等平台上。

与凌华科技 I-Pi SMARC 的专业性质相比，RPi 和 Ardunio 等消费平台的底层性质之间的区别怎么强调都不为过。如前所述，面向消费市场的产品的创建者（如 Arduino 和 RPi 开发板）很乐意在情况需要时更改组件并进行替换，而无需以任何方式将此类替换传达给最终用户。

相比之下，凌华科技的 I-Pi SMARC 遵循行业标准 ECN（工程变更通知）和 PCN（流程变更通知）实践，这意味着最终用户可以访问审计跟踪，定义进行了哪些更改（如果有）以及原因做出了这些改变。（ECN 是影响产品合身性、形式或功能的项目；PCN 是对产品制造方式的更改。）

一个相关的问题是生产质量问题的报告和调试。开发人员无法使用 RPi 和 Ardunio 等消费平台来做到这一点；相比之下，凌华科技的 I-Pi SMARC 等工业级平台采用了报告和调试机制。

另一个问题涉及售后支持和 RMA（退货授权），这是退回产品以在产品保修期内获得退款、更换或维修的过程的一部分。至于其所有其他产品，凌华科技完全保证并支持 I-Pi SMARC。

最后但同样重要的是，像 RPi 和 Ardunio 这样的消费平台无法保证寿命，它们可以随时停产，恕不另行通知，这可能会使基于这些平台的产品陷入混乱。相比之下，凌华科技的 I-Pi SMARC 等专业级平台提供 10 年保证。

凌华科技的 I-Pi SMARC 开发套件支持多种部署场景。例如，已经使用 Arduino 或 RPi 平台创建原型的开发人员可以利用这些传感器生态系统和库，并且可以快速轻松地将他们的设计迁移到长期存在的、受修订控制的工业生产环境中。

当从原型转向生产时，团队可以使用 I-Pi 载体的开源规范作为起点，创建自己的载体，只包含所需的功能和接口（许多嵌入式系统和物联网设备）例如，HDMI 端口将没有用处）。

尽管一些工程师可能会继续使用 Arduino 和 RPi 平台开发他们最初的家用原型，但预计 - 由于 I-Pi SMARC 提供的价格实惠和众多优势 - 许多工程师将开始使用它作为他们在工作和家庭中选择的原型平台。