创客、开源硬件和MCU的新发展

 中国电子报、电子信息产业网  作者:中国软件行业协会嵌入式系统分会副理事长何小庆
发布时间:2016-08-09
放大缩小

  2016年6月某天我来到硅谷Sannyvale的大型电子超市Fry’s ,一款小巧的Arduino开发板进入我的视野,它就是Arduino 101 (美国以外的市场统称为Genuino 101) 见图1。Arduino 101 的核心是Intel Curie(居里)芯片模块,它包含一个32位Quark微处理器和一个32位ARC微处理器,有384kB闪存、80kB SRAM,还包含一个低功耗蓝牙芯片,一个用于手势识别的加速度传感器和一个六轴加速度陀螺仪,你可以把居里芯片模块看作一个超级的物联网SoC MCU(片上系统单片机)。

  图1 Fry’s 陈列的Arduino 101

  如同Intel新硬件组负责人Mike Bell所说,居里会让你“离终端产品的距离更近一步,你只需要把你所需要的功能添加上去然后就有了一个非常棒的可穿戴式设备。”

  开源硬件Arduino

  Massimo Banzi是意大利一家设计学院的教师,他的学生常常抱怨不能找到一块价格便宜、功能强大的控制主板来设计他们的机器人。2005年的冬天,Banzi和David Cuartielles讨论到这个问题。David Cuartielles是西班牙的MCU设计工程师,当时在这所学校做访问研究。讨论之后,他们决定自己设计一块控制主板,他们找来了Banzi的学生David Mellis,让他来编写代码程序,Arduino从此诞生。

  Arduino的流行和创建团队奉行的开源思想有很大的关系。与开源软件一样(比如Linux),任何人都可以免费复制、修改Arduino的设计,并且可以生产原版硬件和修改后的硬件,只有你在产品上注明版权来自Arduino, 而且你也必须要把你的硬件设计开源。这样让新的硬件项目的开发周期大大缩减,成功率大大提高。

  Arduino平台由两部分组成: 一个部分是硬件主控板和接口板(shield),另一个部分是Arduino IDE (开发环境)。最著名的主控板是Arduino Uno,其他的主控板,还有Arduino Yun、Mega和LilyPad (可穿戴方向)。每一个主控板都包含一颗MCU ,上面讲到这几块主控板的MCU 都是Atmel 公司的MCU,比如Uno 使用的是AVR ATMega328,一款8 位MCU。2013年有了ArduinoDue,Arduino世界迎来了首款32 位MCU 主控板-Arduino Due。Due采用MCU 是AT91SAM3X8E ,这是一个ARM Cortex M3核心的单片机。2014年Arduino又推出 Zero,这是一款基于Atmel SAMD21 ARM Cortex M0的主控板。因为种种原因, Due 和Zero这两款ARM内核的主控板在Arduino社区的影响力都不高。

  Arduino集成开发环境(IDE)使用了接近自然语法的高级语言编程,当程序员写完代码后,点击上传按键,系统自动编译成机器码,然后上传到开发板上执行。这样的设计思路和使用方式,让单片机(MCU)开发更加简单和实用。开发者不需要很强的硬件芯片级知识,不一定有C 语言编程经验,就可以完成一个简单控制电路,因此,Arduino受到了创客们(maker)的追捧,创客们使用Arduino产品开发出了许许多多很酷的产品,最著名的就是开源的3D打印机makerBot。

  创客和电子积木

  我在Fry’s 还看到一款电子积木Littlebits。

  图2 littlebits电子积木

  LittleBits是一种可以组装的DIY电子元件套装,与大家很熟悉的乐高积木有些相似,所以大家也就称这样的设计为电子积木。可以说,它是一种“不是玩具”的玩具。每一个“bit”都是一个独立的电子组件,比如一个扬声器、一个光传感器、一个闪烁的LED灯。把这些电子积木组装在一起,就能制作出很酷的东西出来,没有任何编程要求。这让那些没有任何电子线路和软件编程经验的创客们开心极了,甚至时尚设计师们也可以圆自己的创客梦了。其实LittleBits自己也是个创业公司,公司在纽约,最近在曼哈顿开了一家专卖店,不仅卖产品,还展示使用LittleBits创客们的作品。

  LittleBits的“没有编程要求”也意味着“不支持编程”。每个模块功能都是写死的,如果你想要尝试一些新功能,它就无能为力了。为了解决这个问题,最近littleBits宣布推出Arduino模块,这个模块和其他模块功能一样,还增加一个可编程功能。创客们需要做的,就是使用模块上的USB接口连上电脑,通过标准Arduino IDE上传程序就可以了。

  为了让希望掌握littleBits编程的创客们学习,LittleBits专门提供了一个以Arduino为核心的起步套装产品coding kit ,包含一个Arduino模块和八个其他littleBits模块(电池、开关、伺服和控制模块),售价为89美元,见图2。

  结束语

  据Gartner 预测,50%的新物联网装置将来自未来三年内成立的创客公司,看到如火如荼的创客大潮,传统的嵌入式和物联网芯片公司也跃跃欲试,文章开始提到的Intel与Arduino合作开发的Arduino 101 开发板就一个例子,市场对这个32位 MCU 的Arduino平台的反映非常积极,将WiFi和蓝牙模块集成在平台上,为该板增添吸引力,解决长期以来Arduino蓝牙和WiFiShield不标准,使用在物联网系统中不方便的问题。

  另外一家传统的MCU公司-意法半导体(ST)近日与Arduino公司宣布了一项合作协议,让业界领先的STM32系列MCU以及意法半导体的传感器、功率器件和通信连接技术走近Arduino创客社区。合作协议中的STAR开发项目的首款产品是基于STM32F469的STAR Otto主控板,据悉最近可以向公众展出, STAR 是ST和Arduino的前两个字母组合。

  以后,基于MCU 的开发多数都会转向Arduino为代表的开源硬件吗?答案是否定的,因为嵌入式系统应用非常广泛,Arduino很难满足各个行业的需求。比如汽车和医疗电子,它们对安全和可靠性要求极为严格,Arduino设计很难满足。

  Arduino自己对产品市场定位是很清楚的,在谈到与ST 合作的项目时,Arduino公司首席执行官兼总裁Federico Musto表示:“创客社区欢迎STM32家族到来,我们的产品将增加音频输入输出和触屏控制器等新功能。我们有十足的把握,商用物联网公司也将会使用这些新功能,轻松设计新的智能家居产品应用,或改进工业自动化和工控产品。”

  以Ardunio为代表的开源硬件的思想、技术和产品对MCU嵌入式开发和教学工作将产生深远的影响,国内同行应给予足够的重视和关注。


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:陈炳欣
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