In tal van elektronicatoepassingen is het zinvol om in plaats van een allesomvattende totaaloplossing, systemen op maat voor afzonderlijke subsystemen te ontwikkelen en deze naar behoefte samen te stellen. Single-board microcontrollers zijn kosteneffectieve bouwstenen voor softwaregestuurde oplossingen voor afzonderlijke besturings- of gegevensverwerkingstaken. Ze brengen de noodzakelijke intelligentie in mechatronische eenheden met beperkte ruimte direct naar de plaats van handeling. Bij velen roepen termen als “digitalisering” of “Internet of Things” beelden op uit de privésfeer, denk aan smartphones, tablet-pc’s of digitale assistenten zoals Alexa. Bij het woord “computerbesturing” denken de meeste mensen nog vooral aan programmeerbare logische controllers (PLC’s) of pc’s, soms zelfs aan grote computerkasten vol met hardware.
Bestuurbaarheid door modulariteit
De voortschrijdende miniaturisering in micro-elektronica heeft de mogelijkheden voor het bouwen en ontwikkelen van elektronische en computergestuurde systemen echter aanzienlijk veranderd en uitgebreid. Met de goedkope beschikbaarheid van rekenkracht en geheugencapaciteit neemt de dichtheid toe van functies die in afzonderlijke projecten kunnen worden gerealiseerd. Omdat hierdoor de ontwikkelingsinspanning voor complexe projecten onevenredig toeneemt, worden steeds vaker op maat gemaakte oplossingen gecreëerd voor afzonderlijke deeltaken en wordt daaruit naar behoefte de totaaloplossing samengesteld.
Microprocessoren en controllers hebben daarom allang hun weg gevonden in onverdachte eindapparaten en technische systemen zoals autoradio’s, ABS of de oude vertrouwde kamerthermostaat. Het is niet uitgesloten dat bijvoorbeeld een gasmeter meer computerintelligentie bevat dan de PC op de boekhoudafdeling. Ook bij industriële toepassingen gaat de trend al lang in deze richting. Voorheen kregen louter mechanische apparaten via een processor- of controllerboard een opwaardering naar zelfstandige apparaten. Terwijl hun besturing vroeger in detail werd verzorgd door systemen op een hoger niveau, kunnen deze systemen zich dankzij de modularisering van de algemene taak concentreren op hun coördinerende rol.
Ontwikkelingen in de praktijk
Een voorbeeld toont aan dat deze ontwikkeling geenszins nieuw is: skiërs, bezoekers van beurzen of stadions zijn vertrouwd met de toegangscontrolesystemen die worden gebruikt om de geldigheid van toegangsbewijzen te controleren. Het gaat om complexe systemen waarin alle soorten elektronische gegevensverwerking met elkaar zijn verweven: op de achtergrond werken klassieke computersystemen aan de configuratie en controle van het totale systeem, aan de consolidatie en verwerking van de gegevens die in de kaartlezers worden verkregen, en aan verdere controles.
De validiteitscheck en de opslag van de ticketgegevens doen de kaartlezers zelf, die daarvoor over speciale processor hardware en -software beschikken. Daarnaast zorgen andere processoren of controllers gewoonlijk voor de beweging van de kaarten in het leesmechanisme, de voorbewerking van de magnetische of chipgegevens en de communicatie met het omringende systeem. Meer nog: zelfs in het tourniquet zelf zijn er ingebouwde programmeerbare systemen die de beweging van de bars regelen naargelang van de gelegenheid.
Flexibiliteit door lokale intelligentie
Waar hard-wired elektronica vroeger nauw samenwerkte met mechanische hardware, leveren processoren of controllers tegenwoordig meestal de nodige intelligentie aan de apparaten waarin ze zijn geïntegreerd. Hierdoor krijgen ze een mate van flexibiliteit en onafhankelijkheid van omringende systemen die anders onbereikbaar zou zijn, terwijl ze ook gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in grotere totaaloplossingen, of rechtstreeks, of via het Internet of Things (IoT).
Oplossingen met geïntegreerde processoren worden doorgaans embedded systems genoemd. De uitdrukking ligt op ieders lippen, maar toch is er enige verwarring over de afbakening ervan. Hier is een presentatie van de situatie die probeert wat meer licht op de zaak te werpen.
Vloeiende grenzen
De grenzen tussen embedded systems en traditionele computers zijn natuurlijk niet strikt, aangezien tegenwoordig al hele PC’s volledig in andere systemen kunnen worden ingebouwd. Een belangrijk onderscheidend kenmerk is echter dat zij gewoonlijk alleen communicatiefuncties en controletaken uitvoeren op de apparaten waarin zij zijn ingebed.
De grenzen van de term mechatronica zijn nog minder duidelijk. Hier ontstaat een kruispunt, want in steeds meer elektronica die in mechanica wordt ingebouwd, is het niet langer hard-wired logica die het apparaat intelligentie geeft, maar zijn het processoren of microcontrollers. Anderzijds reiken embedded systems veel verder dan de eigenlijke mechatronica, aangezien zij vaak niet in afzonderlijke control cabinets of behuizingen werken, maar rechtstreeks in het complexe mechanische binnenwerk van de apparaten zijn geïntegreerd, d.w.z. diepe embedding. Vandaar de naam.
Scheiding van hardware en software
Nog maar 15 jaar geleden moesten de hardware en software voor embedded systems afzonderlijk worden ontwikkeld. Dit vereiste een grondige technische kennis, niet alleen van de programmering van microcomputersystemen, maar ook van het professionele ontwerp van complexe elektronische schakelingen. In klassieke computersystemen werd de software al ontwikkeld los van de grotendeels gestandaardiseerde hardware van die tijd. Hierdoor kunnen softwareontwikkelaars zich concentreren op hun kerntaak.
Ook single-board computers in het formaat van een creditcard, zoals de in 2012 uitgebrachte Raspberry Pi, die in feite complete pc’s zijn, maken dit voordeel beschikbaar voor thuisgebruikers en het onderwijs, maar vooral voor ingebedde systemen. Dankzij de voordelen van deze modularisering en standaardisering zijn dergelijke producten doorgedrongen tot gebieden waar de industriële elektronicus ze niet onmiddellijk zou vermoeden, zoals benzinepompen, verkoopautomaten of koffieautomaten.
Modularisering en standaardisering
De trend gaat duidelijk in de richting van modularisering en standaardisering, zowel op het gebied van hardware als besturingssysteemplatforms. Tegelijkertijd is er naast pc-achtige systemen een grote verscheidenheid aan single board controller-systemen met talrijke in- en uitgangen voor directe interactie met sensoren en actuatoren.
Single-board computers zoals de Raspberry Pi zijn niet langer een enkelvoudig product. Er is bijvoorbeeld een lijn van PLC-boards voor veeleisende besturingstaken op gebaseerd onder het merk PiXtend. Aan de andere kant van het spectrum staan kleinere single-board microcontrollers zoals de boards van het open-source Arduino platform of de Nucleo ontwikkelboards met ARM Cortex™ controllers die er qua connectiviteit compatibel mee zijn.
Kleine specialisten
Dergelijke single-board microcontrollers zijn compacte speciale platforms voor individuele besturings- of gegevensverwerkingstaken. Door hun geringe afmetingen kunnen ze in kleine ruimtes worden gebruikt en kunnen deze taken dus direct op de plaats van handeling worden uitgevoerd. Met digitale en analoge in- en uitgangen kunnen zij de aangesloten randapparatuur direct aanspreken. Adapters voor verschillende technologieën, zoals WLAN of GSM, zorgen voor een eenvoudige verbinding met de buitenwereld.
In tegenstelling tot single-board computers met PC-architectuur, hebben deze geen besturingssysteem nodig. Zij voeren rechtstreeks het voor het desbetreffende doel ontwikkelde programma uit, dat via een vrije ontwikkelomgeving wordt gecompileerd en naar de module wordt overgebracht. Gebruikers kunnen dit in veel gevallen compileren uit functies die gratis op het internet verkrijgbaar zijn. Hierdoor kunnen gebruikers in korte tijd zeer respectabele resultaten bereiken, zelfs zonder diepgaande softwarekennis.
Diversiteit vereist keuze
Een zeer goed begrip van de taak is echter onontbeerlijk voor het maken van zinvolle praktische toepassingen. Dit omvat kennis van de te besturen mechanica en hun uitrusting met sensoren en actuatoren, alsmede een duidelijk concept voor gebruikersbegeleiding op displays en gegevensuitwisseling met naburige of hoger liggende systemen.
Deze criteria zijn ook bepalend voor de keuze van de geschikte printplaat. Het aantal analoge en digitale in- en uitgangen wordt bepaald door de toepassing, evenals de mogelijke omvang. De uitrusting met communicatie-interfaces en netwerkaansluitingen – bijvoorbeeld op de CAN-bus – vloeit voort uit de systeemomgeving waarin het product zal worden gebruikt.
Voor andere criteria is het vaak nodig verschillende variabelen tegen elkaar af te wegen. Zo zijn bijvoorbeeld de verwerkingskracht van de microcontrollerchips en de geheugenuitrusting in de vorm van RAM, flash ROM en EEPROM van invloed op het energieverbruik van de module. Vooral voor toepassingen in batterijgevoede systemen moeten de prestatie-eisen daarom nauwkeurig worden bepaald en niet overdimensioneerd met het oog op de toekomstige extra vraag. In de regel brengen de fabrikanten van dergelijke boards voortdurend vorm-, aansluit- en programma-compatibele opvolgers op de markt.
Gekomen om te blijven
Embedded systems zijn niet nieuw en ook niet revolutionair. De voortschrijdende miniaturisering van elektronica maakt het mogelijk de intelligentie van complexe systemen verder te verspreiden en delen van de software dichter bij de plaats te brengen waar ze nodig is: Dicht bij de hardware en de mechanica. Hierdoor kunnen technische systemen zich nog meer aanpassen aan mensen en hun veranderende behoeften.
Single-board microcontrollers zijn een beproefde manier om dit te doen. Ze zijn uiterst veelzijdig en verrassend eenvoudig in het gebruik. Bij de selectie ervan is het goed om samen te werken met een partner wiens brede portfolio een zo nauwkeurig mogelijke dimensionering voor de op te lossen taak mogelijk maakt.
foto: Adobe Stock
