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 en doordat 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, remsystemen of de oude vertrouwde kamerthermostaat. 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.
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.
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 vijftien jaar geleden moesten de hardware en software voor embedded systems afzonderlijk worden ontwikkeld. 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 embedded systems. 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.
Dergelijke single-board microcontrollers zoals de boards van het open source Arduine platform 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.
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.
Diversiteit vereist keuze
Een 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 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 batterij gevoede systemen moeten de prestatie-eisen daarom nauwkeurig worden bepaald.
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. 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.
(Auteur Sven Pannewitz is productmanager single-board pc’s en developer boards bij Reichelt Elektronik.)
Reacties
Een interessant verhaal over een automatiseringsaspect wat je eerder in C't Magazine zou verwachten dan in Computable want ik lees hier weinig over embedded computing, al dan niet met hard-wired elektronica of met electro-experimenteerdoos van Arduino of Raspberry. Met laatste ben ik niet verder gekomen dan wat simpele projecten op basis van de GPIO met oude meccano zonder het hard-wired solderen vanuit een interesse die ik helaas niet op mijn kinderen over kon brengen. Dat laatste is zorgelijk als ik kijk naar het belang van hard-wired IT op het niveau van spijkers en planken.