Schede Elettroniche

I sistemi elettronici servono a conferire ai dispositivi una forma di “intelligenza”.

Sono diffusissimi: elettronica di consumo, elettrodomestici, sistemi d’allarme, domotica, veicoli, apparati per telecomunicazioni, apparecchi biomedicali, impianti produttivi industriali, robot, …

Esistono due modi per realizzare un sistema elettronico:

  • Circuito elettronico “tradizionale”
    basato su molti componenti elementari connessi in modo complesso, secondo una apposita progettazione complessa realizzata fisicamente;
  • Scheda programmabile
    basata su pochi componenti complessi connessi in modo semplice, oppositamente programmata con software astratto;

Le schede programmabili rispetto ai circuiti tradizionali offrono importanti vantaggi:

  • Permettono di spostare la complessità dalla progettazione elettronica (fisica) alla programmazione (astratta);
  • Rendono lo sviluppo più semplice e veloce, sono ideali nella prototipazione e nella customizzazione.

In buona sostanza le schede programmabili riducono la necessità di progettisti elettronici a favore di programmatori informatici; i primi si concentrano sullo sviluppo dell’elettronica di base, i secondi sulla realizzazione delle soluzioni.

 

Esistono innumerevoli modelli di schede programmabili, di diversi produttori e per specifici usi.
Si possono dividere in due grandi famiglie:

  • Sistemi Embedded basati su Schede a Microcontrollori;
  • Computer veri e propri basati su Schede a Microprocessore e SoC (System on a Chip);
Caratteristica Sistemi Embedded
(Microcontrollori)
Computer
(Microprocessori)
Rapporto 
Velocità massima di clock 200 MHz 4 GHz  x20
Capacità elaborativa massima in MegaFLOPS 200 5 000 x25
Potenza minima dissipata in watt (in stato di elaborazione) 0,001 50 x50000 
Prezzo minimo per singola unità in USD 0,5 50 1/100
Numero di pezzi venduti annualmente  11 000 000 000 1 000 000 000  1/10

Possiamo considerarle come le automobili, ne esistono di “taglie” diverse ma concettualmente sono del tutto simili.
Le caratteristiche che le differenziano sono:

  • Tecnologia costruttiva: TTL (5v) o CMOS (3.3v)
  • Potenza di calcolo/Velocità: Clock (MHz) e ampiezza BUS (4/8/16/32/64 bit);
  • Dimensione Memoria;
  • Numero di input/output;
  • Velocità di acquisizione;
  • Varietà di protocolli supportati (UART, I2C, SPI, WiFi/Ethernet, Bluetooth);
  • Consumo;
  • Costo;

Esempi di impiego

Dispositivo Scheda elettronica
Computer  Microprocessore
Smartphone/Tablet  Microprocessore SoC
Periferiche Microcontrollore
Elettrodomestici Microcontrollore
PLC (Programmable Logic Controller) industriali Microcontrollore

Elenco schede a Microcontrollore (Wikipedia):
 https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_single-board_microcontrollers
Elenco schede SoC (Wikipedia):
 https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_single-board_computers

 

Le schede a Microcontrollore sono più adatte ad acquisire segnali elementari dalla sensoristica e con maggiore velocità (nell’ordine dei millisecondi).
Le schede a Microprocessore sono più adatte per l’utilizzo di protocolli complessi e per l’elaborazione dei dati; ospitano un sistema operativo complesso e ad esse è possibile collegare dispositivi di interfaccia avanzati: tastiere , mouse, schermi standard e periferiche (es. telecamere).
Esistono anche schede ibride che ospitano sia un Microprocessore che uno o più Microcontrollori.

Esempi di schede

Microcontrollore Microprocessore Ibride
Arduino UNO
*duino
Raspberry PI
Raspberry PI Zero
Orange PI
Banana PI
BeagleBone
Intel Edison
Asus Thinker Board
ODROID
Arduino YUN
Intel Galileo

La grande e crescente varietà di schede è dovuta all’ampiezza del mercato che spinge ogni produttore ad offrire i suoi prodotti.

A livello di prototipazione o di attività formativa non è particolarmente importante la scelta della scheda.

 


Per eseguire il suo compito, elementare o complesso che sia, ogni sistema ha bisogno di tre elementi:

  • Input, ai quali saranno collegati sensori;
  • logica, cioè l’ “intelligenza” del sistema realizzata con un programma (software);
  • output, ai quali saranno collegati degli attuatori;

Metaforicamente i sensori costituiscono i “sensi” del sistema cioè vista, udito, olfatto/gusto e tatto, gli attuatori costituiscono le “azioni” che il sistema può compiere cioè le sue mani e la sua voce.

I sensori sfruttano fenomeni fisici e chimici per rilevare parametri della realtà; alcuni esempi: temperatura, umidità, luce, pressione atmosferica, pressione meccanica, campo magnetico, accelerazione, vibrazione, suono.
I sensori trasmettono i valori che rilevano in due modalità:

  • Analogica
    attraverso una tensione elettrica proporzionale alla grandezza misurata.
  • Digitale
    attraverso segnali digitali che rappresentano la grandezza misurata.

Esistono “sensori” maggiormente complessi (GPS, fotocamere, ecc.), che possiamo definire come veri e proprie dispositivi periferici , che trasmettono i valori che rilevano in formato digitale attraverso un protocollo di comunicazione (UART, I2C, SPI).

Gli attuatori sono tipicamente sistemi di avviso (led, display e avvisatori acustici) o controllo (relay, semiconduttori) di altri dispositivi: lampade, motori, elettromagneti.
Anche nel caso degli attuatori esistono dispositivi periferici complessi comandati attraverso i precedenti protocolli.

Tutte le schede elettroniche, i sensori e gli attuatori sono realizzati utilizzando specifiche tecnologie costruttive che ne definiscono i Livelli di segnale cioè le tensioni utilizzate per rappresentare i valori digitali (0 e 1).
Attualmente le due comunemente utilizzate sono:

  • TTL (Transistor-Transistor Logic)
    Il livello dei segnali è 0/5 V, tecnologia diffusissima, datata, consumo maggiore;
  • CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)
    Il livello dei segnali è 0/3.3 V, più moderna, maggiore miniaturizzazione, consumo minore;

L’incompatibilità dei livelli di segnale (5 V contro 3.3 V) obbliga all’impiego di componenti di un’unica tecnologia o ad utilizzare appositi adattatori per connetterli in modo misto.

Sensori e attuatori sono reperibili in forma di componente elementare o montati su micro schede con connettori.
Nel primo caso potranno essere necessari alcuni altri componenti (resistenze, condensatori, diodi, transistor) per la connessione alla scheda elettronica.
Nel secondo caso tutto il necessario è già assemblato semplificando molto il lavoro (e riducendo il divertimento e le conoscenze acquisite).

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