Οι πλακέτες ανάπτυξης μικροελεγκτών είναι συμπαγείς ηλεκτρονικές πλατφόρμες που έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν έναν προσβάσιμο και φιλικό προς το χρήστη τρόπο για άτομα, ειδικά για αρχάριους, να ασχοληθούν και να μάθουν για τους μικροελεγκτές.
Στην καρδιά των πλακετών ανάπτυξης μικροελεγκτών βρίσκονται οι ίδιοι οι μικροελεγκτές, ολοκληρωμένα κυκλώματα που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να εκτελούν συγκεκριμένες εργασίες. Οι μικροελεγκτές βρίσκουν εφαρμογές σε ένα ευρύ φάσμα τομέων, όπως η ρομποτική, ο οικιακός αυτοματισμός, το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT) και άλλα. Αποτελούν τη βάση πολυάριθμων ηλεκτρονικών έργων, επιτρέποντας στους χρήστες να μετατρέψουν τις ιδέες τους σε πραγματικότητα.
Καθοριστικοί παράγοντες για την επιλογή μιας πλακέτας ανάπτυξης μικροελεγκτών
- Ταχύτητα και Ισχύς Επεξεργαστή: Η ταχύτητα του επεξεργαστή ενός μικροελεγκτή καθορίζει πόσο γρήγορα μπορεί να εκτελέσει τις εντολές κώδικα και να επεξεργαστεί δεδομένα.
- Μνήμη: Η μνήμη είναι κρίσιμη για την αποθήκευση κώδικα προγράμματος και μεταβλητών κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του λογισμικού.
- Αποθήκευση: Η αποθήκευση είναι απαραίτητη για την αποθήκευση των δεδομένων και πρόσθετων πόρων λογισμικού όπως της βάσης δεδομένων.
- Ακροδέκτες GPIO: Οι ακροδέκτες εισόδου/εξόδου γενικής χρήσης (GPIO) είναι απαραίτητοι για τη σύνδεση εξωτερικών εξαρτημάτων, όπως αισθητήρες, ενεργοποιητές και μονάδες επικοινωνίας, στον μικροελεγκτή. Ο αριθμός και ο τύπος των ακροδεκτών GPIO σε μια πλακέτα ανάπτυξης όπως οι αναλογικοί σε ψηφιακούς μετατροπείς (ADC) και οι έξοδοι διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM) καθορίζουν το εύρος των περιφερειακών με τα οποία μπορείτε να διασυνδεθείτε.
- Επιλογές Συνδεσιμότητας: Οι επιλογές συνδεσιμότητας που παρέχει η πλακέτα, όπως USB, UART, I2C, SPI, Ethernet, Wi-Fi ή Bluetooth, διασφαλίζουν τη συμβατότητα με τα επιθυμητά περιφερειακά ή τις απαιτήσεις επικοινωνίας δικτύου.
- Κατανάλωση Ενέργειας: Η κατανάλωση ενέργειας είναι κρίσιμη, ιδιαίτερα για έργα που τροφοδοτούνται από μπαταρία. Η επιλογή μικροελεγκτών με λειτουργίες χαμηλής κατανάλωσης ή αποτελεσματικά συστήματα διαχείρισης ενέργειας μπορεί να βοηθήσουν στην παράταση λειτουργίας κατασκευής.
- Λειτουργικό Σύστημα και Γλώσσες Προγραμματισμού: Η ύπαρξη ή όχι, λειτουργικού συστήματος είναι καθοριστικός παράγοντας επιλογής. Πέρα απο την γενικότερη λειτουργικότητα του, θα επηρεάσει σημαντικά και την επιλογή της γλώσσας προγραμματισμού (όπως C/C++, Python) για την υλοποίηση του λογισμικού.
- Στρατιωτική βιομηχανία: Τα γενικά κριτήρια που ζητούνται είναι αξιοπιστία, χαμηλή κατανάλωση, ασφάλεια, πιστοποιήσεις (π.χ. ITAR, MIL-STD) και μακροχρόνια διαθεσιμότητα. Ειδικότερα πρέπει να είναι ανθεκτικής κατασκευής (ruggedized) δηλαδή να αντέχουν σε θερμοκρασίες, κραδασμούς, ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.
Τεχνολογική Κυριαρχία μέσα από τους Μικροελεγκτές και τις Αναπτυξιακές Πλατφόρμες
Γνωστές πλακέτες ανάπτυξης μικροελεγκτών
Arduino Uno
Το Arduino Uno είναι κατάλληλο για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Οι αρχάριοι μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για να δημιουργήσουν κατασκευές με οθόνες LED, αισθητήρες θερμοκρασίας και υγρασίας, βασικής ρομποτικής και συστήματα οικιακού αυτοματισμού. Χρησιμοποιείται επίσης σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα για την διδασκαλία ψηφιακών συστημάτων.
- Προέλευση: https://www.arduino.cc/ Ιταλία από το 2005 ως εκπαιδευτικό εργαλείο που έγινε μετέπειτα παγκόσμιως γνωστό.
- Επεξεργαστής: UNO R3 – ATmega328P, UNO R4 – 32bit Renesas
- Τεχνολογικό υπόβαθρο:
- Λειτουργικό Σύστημα: firmware χωρίς OS
- Γλώσσα Προγραμματισμού: C/C++
- Εργαλείο Προγραμματισμού: Arduino IDE
- Ενδεικτικό κόστος: 5–25 €
- Έργα και εφαρμογές: ρομποτική, DIY projects, καλλιτεχνικές εγκαταστάσεις, εκπαιδευτικά εργαστήρια
Raspberry Pi
Το Raspberry Pi είναι μια ισχυρή πλακέτα ανάπτυξης μικροελεγκτών σχεδιασμένη τόσο για αρχάριους όσο και για επαγγελματίες. Η προσιτή τιμή του, οι ακροδέκτες GPIO και η υποστήριξη για δημοφιλείς γλώσσες προγραμματισμού το καθιστούν εξαιρετική επιλογή για κατασκευές που κυμαίνονται από ενσωματωμένα συστήματα έως εφαρμογές IoT.
- Προέλευση: https://www.raspberrypi.com/ Ηνωμένο Βασίλειο από το 2012 ως χαμηλού κόστους, όλο σε μια πλακέτα υπολογιστής (low-cost-single-board-computer)
- Επεξεργαστής: Broadcom BCM2712 2.4GHz quad-core 64-bit Arm Cortex-A76
- Τεχνολογικό υπόβαθρο:
- Λειτουργικό Σύστημα: Rasberry Pi OS – Linux
- Γλώσσα Προγραμματισμού: C/C++, Python, Java
- Εργαλείο Προγραμματισμού: Visual Studio Code, Thonny, GCC
- Ενδεικτικό κόστος: 40–90 €
- Έργα και εφαρμογές: media centers, home automation, εκπαιδευτικά εργαστήρια
STM32 Nucleo
Οι πλακέτες STM32 προσφέρουν ένα ευρύ φάσμα χαρακτηριστικών κατάλληλων για αρχάριους. Παρέχουν ακροδέκτες GPIO, αναλογικές εισόδους, εξόδους PWM και διάφορες διεπαφές επικοινωνίας όπως UART, SPI και I2C. Αυτό επιτρέπει την απρόσκοπτη συνδεσιμότητα με αισθητήρες, ενεργοποιητές και άλλα εξωτερικά εξαρτήματα.
- Προέλευση: https://www.st.com/content/st_com/en.html. Γαλλία – Ιταλία από το 2007 ARM Cortex-M μικροελεγκτές.
- Επεξεργαστής: Arm Cortex M0+ … M55
- Τεχνολογικό υπόβαθρο:
- Λειτουργικό: Bare-metal/FreeRTOS
- Γλώσσα Προγραμματισμού: C/C++
- Εργαλείο Προγραμματισμού: STM32CubeIDE
- Ενδεικτικό κόστος: 2–20 €
- Έργα και εφαρμογές: drones, αυτοκινητοβιομηχανία, ιατρικές συσκευές. Ειδκότερα το είναι από τις πιο διαδεδομένες επιλογές στη στρατιωτική και αεροναυπηγική βιομηχανία.
BeagleBone Black
Το BeagleBone Black είναι ένας ισχυρός υπολογιστής μίας πλακέτας σχεδιασμένος για ενσωματωμένα συστήματα και εφαρμογές IoT. Προσφέρει προηγμένα χαρακτηριστικά και δυνατότητες επεξεργασίας, καθιστώντας τον κατάλληλο για αρχάριους που θέλουν να εξερευνήσουν πιο σύνθετα έργα. Το BeagleBone Black προσφέρει μια ποικιλία επιλογών εισόδου/εξόδου, συμπεριλαμβανομένων ακίδων GPIO, αναλογικών εισόδων και πολλαπλών διεπαφών επικοινωνίας όπως UART, SPI και I2C. Η πλακέτα διαθέτει επίσης ενσωματωμένη συνδεσιμότητα Ethernet, θύρες USB και έξοδο HDMI για εφαρμογές βίντεο.
- Προέλευση: https://www.beagleboard.org/. Texas Instruments (ΗΠΑ), από το 2011, βιομηχανικό single-board computer με Linux.
- Επεξεργαστής: Arm Cortex A8 1GHz
- Τεχνολογικό υπόβαθρο:
- Λειτουργικό: Debian Linux
- Γλώσσα Προγραμματισμού: Python, C/C++
- Εργαλείο Προγραμματισμού: GCC, TI SDK
- Ενδεικτικό κόστος: 70 €
- Έργα και εφαρμογές: ρομποτική, έλεγχος κινητήρων, avionics, βιομηχανικός αυτοματισμός. Επίσης διαδεδομένοι στη βιομηχανία και σε projects όπου χρειάζεται long-term availability (διαθεσιμότητα ίδιου chip για >10 χρόνια).
ESP32
Η πλακέτα ανάπτυξης ESP32 προσφέρει ενσωματωμένη την δυνατότητα ασύρματης συνδεσιμότητας (Wi-Fi/Bluetooth) και αποτελεί μια εξαιρετική επιλογή όσους ενδιαφέρονται για έργα IoT και ασύρματης επικοινωνίας. Παρέχει μεγάλο αριθμό ακίδων GPIO, συμπεριλαμβανομένων αναλογικών εισόδων και εξόδων διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM).
- Προέλευση: https://www.espressif.com/en. Κίνα από το 2016 ως η εναλλακτική τεχνολογική πλατφόρμα, φθηνό SoC για IoT
- Επεξεργαστής: dual-core RISC-V CPU
- Τεχνολογικό υπόβαθρο:
- Λειτουργικό: bare-metal ή ESP-IDF (RTOS).
- Γλώσσα Προγραμματισμού: C, MicroPython.
- Εργαλείο Προγραμματισμού: Arduino IDE, Espressif IDF
- Ενδεικτικό κόστος: 3–10 €
- Έργα και εφαρμογές: IoT, έξυπνοι μετρητές, wearables.
Eναλλακτικές/εξειδικευμένες πλατφόρμες
Στο άρθρο εξετάσαμε τις πιο δημοφιλείς πλατφόρμες που έχουν παγκόσμια διάδοση όπως είναι οι Arduino, STM32, Raspberry Pi, ESP32 και BeagleBone. Υπάρχουν και άλλες πλατφόρμες με ισχυρούς μικροελεγκτές και επεξεργαστές που είτε απευθύνονται σε εξειδικευμένε ανάγκες είτε δεν έχουν αποκτήσει μέχρι στιγμής ευρεία απήχηση:
- Teensy 4.1
- Propeller
- https://www.sifive.com/boards
- https://pine64.org/devices/star64/
- https://longan.sipeed.com/en/
- https://d1.docs.aw-ol.com/en/d1_dev/
Με τη συνεχή εξέλιξη των embedded συστημάτων, οι γλώσσες προγραμματισμού όπως Python, C/C++ παραμένουν θεμέλιοι λίθοι, ενώ πλατφόρμες όπως Raspberry Pi και STM32 παραμένουν έως σήμερα οι στρατηγικές επιλογές για το μέλλον της τεχνολογίας. Αυτό βέβαια ισχύει για εμάς (στην Ελλάδα), ως μέλη της Ευρωπαικής Ενωσης και ως σύμμαχοι στο ΝΑΤΟ.
Η τεχνολογική ανεξαρτησία στις πλατφόρμες μικροελεγκτών/τσιπ δεν είναι πολυτέλεια αλλά προϋπόθεση εθνικής κυριαρχίας.
Σε Ρωσία, Κίνα και την Τουρκία, βλέπουμε διαφορετικές στρατηγικές: η Ρωσία στρέφεται σε κινεζικά και εγχώρια chips, η Κίνα πρωτοστατεί σε εύρος παραγωγής και καινοτομίας, ενώ η Τουρκία επενδύει συστηματικά σε εγχώρια ανάπτυξη Risk-V IP blocks σε συνεργασία με πανεπιστήμια και startups.
