Piattaforma di sviluppo Curiosity Nano

Negli ultimi anni le piattaforme integrate dotate di microcontrollori stanno diventando sempre più popolari (il marchio più noto in questo ambito è probabilmente Arduino). Con una disponibilità diffusa e un ampio supporto da parte dei produttori e della comunità di utenti, sono strumenti di sviluppo completi e facili da imparare. Tuttavia, in condizioni professionali, ad esempio, nel processo di prototipazione di dispositivi mobili, lo svantaggio di tali prodotti è il numero limitato di chip supportati. Pertanto, durante il lavoro in laboratorio, in fase di progettazione, la soluzione più affidabile rimangono le piattaforme di sviluppo preparate dagli stessi produttori di chip. Va sottolineato qui che alla loro attenzione non sono sfuggiti i vantaggi delle soluzioni popolari del segmento di consumo: facilità del loro adattamento e convenienza. Oggi sul mercato sono disponibili schede di sviluppo di facile utilizzo, preparate dai principali produttori di microcontrollori, in primo luogo dalla  Microchip, nel cui portafoglio rientrano chip delle famiglie PIC e AVR. Di seguito presentiamo una delle soluzioni, con la serie Curiosity Nano.

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Prodotti della serie Curiosity Nano

Microchip Curiosity Nano (o MC Nano) è una piattaforma di sviluppo dedicata principalmente per i microcontrollori PIC e AVR a 8 bit. Può anche essere utilizzata per sviluppare applicazioni dotate di alcuni prodotti a 32 bit delle famiglie PIC32 e SAM con architettura ARM Cortex. L’offerta della TME comprende 15 schede di sviluppo all’interno di questa piattaforma e 2 schede base. Indipendentemente dal chip utilizzato, la piattaforma Curiosity Nano è stata progettata per velocizzare il più possibile lo sviluppo di nuove applicazioni e, di conseguenza, ridurre il tempo tra la fase di prototipazione e l’implementazione nella produzione di massa. Un esempio dell’utilizzo delle soluzioni MC Nano nel processo di sviluppo dinamico del progetto è presentato nel seguente video.

Caratteristiche principali della piattaforma MC Nano

Le schede di sviluppo incluse nella piattaforma sono disponibili in molte dimensioni (lunghezze), a seconda delle dimensioni del microcontrollore utilizzato al loro interno. Le schede più piccole sono dedicate a sistemi con 20 pin (di cui 16 pin GPIO), mentre le più grandi contengono MCU in un alloggiamento con 48 pin, che si traduce in 40 pin I/O. Indipendentemente dalla lunghezza, i prodotti inclusi nella piattaforma condividono caratteristiche fisiche chiave (ad esempio, larghezza della scheda, piedinatura dei pin, presenza di una presa MicroUSB per l’alimentazione, comunicazione e programmazione) e caratteristiche tecniche, consentendo una migrazione senza problemi tra i singoli modelli. Inoltre, il produttore ha annunciato che la piattaforma sarà sviluppata insieme all’offerta di microcontrollori. Ci si può aspettare che i chip dell’azienda Microchip di nuova introduzione appaiano nella famiglia di schede Curiosity Nano, offrendo ai progettisti la comodità di lavorare con soluzioni all’avanguardia in un ambiente collaudato e familiare.

Contenuto della confezione

Con la MC Nano vengono forniti due connettori tipo C-Grid. A prima vista possiamo vedere un’interessante soluzione di progettazione utilizzata dalla Microchip. I campo GPIO, disposti sul PCB con un raster di 2,54mm, dispongono sia di connettori slot, che di fori. In entrambi i casi si tratta di occhielli metallizzati, predisposti per l’installazione di connettori di tipo C-Grid. Grazie al piccolo spostamento trasversale dei fori l’uno rispetto all’altro, viene assicurata una stretta aderenza dei giunti dei perni e parametri di connessione ottimali, e la necessità di saldarli è stata praticamente eliminata (anche se è raccomandata). Dopo la loro installazione, il PCB può essere montato su una breadboard più grande, una scheda base dedicata o un adattatore (i prodotti disponibili e compatibili sono descritti più avanti nell’articolo).

Circuiti nella scheda PCB

La piattaforma Microchip Curiosity Nano dispone di una serie di caratteristiche generali condivise da tutti i modelli della serie. Nella parte centrale della scheda è presente un microcontrollore (C), i cui pin sono collegati ai campi sui bordi del PCB (F), e un risonatore al quarzo (D). Per una semplice prototipazione sulla scheda sono installati un pulsante (A) e un LED (B). A differenza della piattaforma Arduino, l’interruttore non svolge una funzione di reset, è collegato al pin I/O del microcontrollore (l’indirizzo del pin dedicato è segnato sul PCB, differisce tra i modelli della serie). Per la comunicazione e l’alimentazione del sistema viene utilizzata la presa USB Micro (G).

La trasmissione dei dati tra MC Nano e il computer (sistema, software IDE, terminale di comunicazione, ecc.) avviene tramite una porta COM virtuale. La maggior parte dei dischi in questione, dopo il collegamento ad un PC saranno riconosciuti dal sistema operativo come un disco esterno con etichettata “CURIOSITY”. È sufficiente copiare il file .hex su questo dispositivo e la programmazione del microcontrollore avverrà automaticamente. Questa funzionalità è possibile poiché le schede MC Nano dispongono di un chip nEDBG integrato, ovvero debugger/programmatore (E). La sua presenza consente di utilizzare i prodotti in questione senza l’impiego di dispositivi aggiuntivi. Inoltre, grazie ad esso, il microcontrollore non è gravato dal supporto di un bootloader, che accelera l’esecuzione del programma di destinazione e libera memoria. Inoltre, nei circuiti MC Nano è stato utilizzato un regolatore di tensione programmabile. Consente di definire la tensione di funzionamento e l’intervallo di alimentazione del microcontrollore nell’intervallo da 1,8V a 5V DC.

Standardizzazione dei pin

Uno dei vantaggi della piattaforma Microchip è la standardizzazione dei pin. Indipendentemente dal modello di scheda scelto e dal microcontrollore installato su di essa, i campi situati sui bordi del PCB sono collegati ai pin del programmatore, del debugger e del sistema centrale con le stesse funzionalità. Pertanto: l’ordine dei connettori sulla scheda non coincide con la numerazione dei pin del microcontrollore, invece è invariato per l’intera serie MC Nano. Questo standard si applica ai primi (contando dal lato del connettore USB) 28 pin.

I pin sono suddivisi in diverse sezioni. La prima è stata definita come DEBUG (gruppo di collegamento di sistema). Questi pin vengono utilizzati per comunicare con il circuito nEDBG. Qui inoltre vi sono ingressi di alimentazione (VBUS, VTG regolabile), massa GND e pin VOFF che controllano il funzionamento del regolatore di tensione integrato. Inoltre è possibile disattivarlo, se necessario. L’utente ha inoltre a disposizione linee di comunicazione seriale (Virtual COM Port): CDC RX/TX. Altri 4 pin DBG1-DBG4 appartengono all’interfaccia del debugger. L’interfaccia supportata da un particolare modello di scheda dipende dal tipo di microcontrollore. Per i chip PIC si tratterà di un’interfaccia ICSP e MCLR, per l’AVR interfaccia UPDI, mentre per l’ARM interfaccia SWD.

La parte successiva dei pin sono sezioni di comunicazione (COM) e analogiche (ANALOG). Inoltre, rappresentano una caratteristica comune della serie MC Nano. La sezione COM raggruppa i pin destinati alla comunicazione tramite: UART, bus I²C e SPI. Sul bordo opposto del PCB vi sono ingressi analogici, ossia i pin dei convertitori analogico-digitali integrati nel microcontrollore. Molto spesso, possono anche fungere da uscita per contatori (timer) e generatori di segnali PWM. Naturalmente, questi pin non possono essere mappati a livello software, su qualsiasi pin del microcontrollore (come nel caso degli ingressi/uscite digitali). La standardizzazione della loro posizione sulla scheda si traduce in praticità d’uso e migrazione tra i singoli modelli di schede di sviluppo. Se il microcontrollore installato sulla scheda dispone di più ingressi ADC o uscite PWM, questi sono disponibili nella sezione successiva: GPIO. Qui la mappatura è più arbitraria, poiché il numero e le possibilità delle porte I/O dipendono strettamente dalla funzionalità del sistema centrale. Informazioni dettagliate su quale pin fisico è stato assegnato a un particolare connettore sono disponibili nella documentazione. Sono disponibili collegando la scheda NC Nano alla porta USB del computer. Il dispositivo di archiviazione (che verrà rilevato dal sistema e presentato come disco etichettato “CURIOSITY”) contiene il file KIT-INFO.HTM e al suo interno sono presenti informazioni dettagliate sulla funzionalità di ciascun pin presente su un determinato modello di scheda.

Funzionalità di debugger integrato

Il debugger integrato nella scheda Microchip Curiosity Nano (chiamato PKOB nano, nEDBG o nano debugger) dispone di funzionalità base, ovvero: controllo dell’esecuzione del programma (flow control – start, stop, step trigger, reset); lettura e scrittura del contenuto della memoria non volatile del microcontrollore; supporto di trap (breakpoint) in un numero che dipende dal tipo di chip.

Il firmware del debugger integrato può essere aggiornato tramite l’ambiente di sviluppo MPLAB IDE o Microchip Studio. PKOB nano è leggermente più lento di soluzioni analoghe come ad esempio, il programmatore PICkit 4. Inoltre presenta alcune limitazioni, ad esempio, sotto forma di impossibilità di scrivere determinate aree della memoria flash del microcontrollore. D’altra parte: ciò protegge dalla sovrascrittura accidentale delle aree di memoria responsabili del processo di debug stesso o la modifica indesiderata dei valori dei fuse bits nel caso dei microcontrollori AVR. Sul versante dei vantaggi c’è anche il fatto che grazie alla presenza del PKOB nano, la scheda viene automaticamente riconosciuta negli ambienti di sviluppo MPLAB IDE e Microchip Studio. Dopo aver collegato la scheda, l’utente ottiene immediatamente l’accesso a programmi esemplificativi, documentazione, schema elettrico, diagramma dei pin, scheda tecnica del microcontroller, ecc.

Alla fine di questo articolo, potrai trovare materiali video che presentano esempi e le basi per la programmazione delle schede Curiosity Nano.

SCHEDE E MODULI COMPATIBILI

L’offerta della TME comprende anche una serie di accessori e prodotti complementari che faciliteranno i primi passi con la piattaforma MC Nano, oltre a migliorare il lavoro di prototipazione stesso. La standardizzazione dei pin della serie di prodotti Microchip sopra descritta consente l’utilizzo di adattatori, schede di espansione e moduli digitali: sensori, controller, interfacce ecc.

Schede di sviluppo e adattatori

Con l’aiuto di connettori tipo C-Grid ogni modello MC Nano può essere posizionato sulla scheda base. L’offerta della TME comprende due modelli di tali prodotti: il modello AC164162 è dotato di connettori compatibili ad esempio, con moduli Mikroelektronika e Microchip. La seconda soluzione è il kit di valutazione AC80T88A, a cui è possibile collegare i prodotti della famiglia Xplained Pro. In entrambi i casi, l’utente ha a sua disposizione un interruttore di alimentazione separato e pin indipendenti di tutte le porte, ottiene anche una base comoda e stabile per migliorare il comfort del lavoro. Un indubbio vantaggio del modello AC164162 è il controller di ricarica della batteria integrato. Ciò migliora la prototipazione dei dispositivi mobile, applicazioni cui sono dedicati molti microcontrollori Microchip.

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Moduli della serie Click

Grazie alla standardizzazione dei pin di comunicazione nell’ambito della serie MC Nano, questi prodotti possono essere rapidamente combinati con molti moduli standardizzati, in primo luogo la serie Click di Mikroelektronika. Attualmente è la famiglia più numerosa di estensioni universali per microcontrollori. Per la trasmissione dei dati utilizza lo standard MikroBUS (che combina diversi metodi di comunicazione). Attualmente l’offerta della TME comprende oltre 1000 articoli della famiglia Click Board. Si tratta di numerosi circuiti di comunicazione (RF, WiFi, Bluetooth, ZigBee, GSM), sensori, strumenti di misura (amperometri, voltmetri), accessori utili sotto forma di lettori di schede di memoria e RFID, ricevitori GPS, nonché elementi di interfaccia (pulsanti, tastiere, controlli) e numerosi circuiti meno tipici, ad esempio, misti (sintonizzatori FM e AM), amplificatori audio.

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Confronto dei prodotti MC Nano

Uno dei maggiori vantaggi della serie MC Nano è l’ampia selezione di microcontrollori installati su questa piattaforma. La tabella sottostante mostra i circuiti attualmente disponibili direttamente dal catalogo della TME, ma questa offerta aumenterà sicuramente.

Già sull’esempio dell’assortimento attuale è possibile vedere quanto ampio sia lo spettro delle schede di prototipazione della famiglia Microchip Curiosity Nano. Nel caso di semplici applicazioni mobili, dove il fattore chiave sarà l’efficienza energetica, la scelta migliore saranno le schede dotate di chip ATTINY (un eccellente esempio di tale prodotto è il kit DM080104): predisposto per progetti a basso consumo energetico, ideale come controller, ad esempio, nell’elettronica domestica o nell’industria automobilistica. Le modalità di risparmio dell’alimentazione (eXtreme Low-Power) sono presenti anche nei microcontroller PIC16, che dispongono di periferiche di tipo CIP, ossia Core Independent Peripherals. Si tratta di circuiti integrati in grado di operare indipendentemente dal core e persino di riattivare il microcontroller dall’ibernazione, generando un interrupt condizionato da un parametro programmabile (ad esempio, il superamento della tensione impostata all’ingresso del convertitore A/D).

Per applicazioni più complesse che richiedono calcoli e risposte in tempo reale, oltre a supportare numerosi sensori, vale la pena prestare attenzione ai prodotti della famiglia PIC18, come ad esempio, il kit EV26Q64A. I microcontroller di questo gruppo di articoli sono dotati di numerose interfacce, convertitori A/D e convertitori D/A (ossia DAC), amplificatore operazionale integrato, generatori PWM con risoluzione 16 bit, nonché memorie predisposte per un’acquisizione dati veloce e affidabile.

Esempi di applicazioni e programmazione

Per gli utenti che muovono i primi passi negli ambienti MPLAB IDE o Microchip Studio, il produttore ha preparato molti materiali di supporto. Possono essere trovati sia sul sito web Microchip, che sulla piattaforma YouTube. Con il loro aiuto la creazione del primo progetto e il funzionamento dell’IDE non causeranno difficoltà.

Il seguente materiale illustra come importare e modificare un’applicazione esemplificativa dimostrando la funzionalità di una delle schede MC Nano:

Un modo comodo per saperne di più sulle funzionalità della piattaforma Microchip Curiosity Nano è la partecipazione alle lezioni nell’ambito del programma della Microchip Univerisity.

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Testo redatto dalla Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
The original source of text: https://www.tme.eu/it/news/library-articles/page/45286/piattaforma-di-sviluppo-curiosity-nano-dellazienda-microchip/