Una guida per sviluppare sistemi elettronici (seconda parte): Il progetto hardware

IL PROGETTO HARDWARE

Dr. Val Lynch, CEO bei AND Technology Research
Steve Norman, Manager, Global Ecosystems, Renesas Electronics Europe
Il progetto hardware di ogni prodotto è ormai così comune che il grande pubblico non lo nota nemmeno più.
Telefoni, TV, lavastoviglie: praticamente tutti gli elettrodomestici di uso quotidiano e molto di più; si fa affidamento su elettronica appositamente progettata per uno scopo specifico.
Inoltre, la visibilità di come l’elettronica è stata progettata è molto bassa.
La costruzione di case o ponti è sotto gli occhi di tutti e la ragione è evidente.
L’elettronica, invece, è spesso nascosta, mascherata dall’involucro funzionale del prodotto che controllerà o alimenterà.
Il progetto della stessa può facilmente essere ignorato o rimanere un mistero.
L’articolo fornisce una panoramica di alcuni degli elementi importanti del design hardware.
Per meglio inquadrare la scena di questo documento è importante fornire quattro definizioni.
Schema Elettrico: Un diagramma che rappresenta il progetto del sistema elettronico. Il diagramma mostra i componenti che forniscono la funzionalità richiesta e la connettività tra di essi.
Layout PCB: Una rappresentazione grafica creata partendo da uno schema elettrico che può essere stampata su una scheda al fine di fornire le connessioni elettriche tra i componenti del progetto stesso.
Componenti Discreti: I più semplici componenti utilizzabili per creare un sistema elettronico. Almeno uno dei componenti in un progetto elettronico deve essere attivo, ad esempio un dispositivo che può controllare una corrente elettrica.
Circuiti Integrati: Componenti complessi in grado di eseguire le medesime funzioni di un gruppo di componenti discreti.
Il progetto elettronico si può considerare sia una scienza che un’arte. Tutto sembra abbastanza semplice; lo schema cattura la logica in base ai componenti disponibili e il layout PCB fornisce la base fisica a cui i component saranno collegati.
Cosa può andare male?
Mai sottostimare le sfide da affrontare quando si progetta elettronica. Ogni piccolo dettaglio richiede l’esatta valutazione, dal componente selezionato fino alla

Figura 1

A livello puramente teorico se la logica circuitale è corretta allora l’elettronica funzionerà come previsto e lo farà ogni volta.
Ma i disturbi del mondo reale e le limitazioni di utilizzo dei componenti potrebbero portare a una differente visione.
Di seguito vengono forniti alcuni suggerimenti da parte di progettisti per facilitare il lavoro.
Disaccoppiamento: E’ il processo di regolazione dei segnali per garantire che le tensioni rimangano nei limiti previsti per i componenti presenti sulla scheda. Se ciò non viene fatto, i componenti potrebbero danneggiarsi o comunque ridurre il proprio tempo di vita. Lo scenario è simile alle fluttuazioni e alla perdita di pressione che può avvenire quando si apre un rubinetto mentre al piano superiore qualcuno si sta facendo una doccia. Le due situazioni devono essere disaccoppiate. Le cause di queste fluttuazioni sono argomenti per documenti più dettagliati, ma includere nel proprio progetto il disaccoppiamento dei componenti permetterà un proseguimento dello stesso più agevole.
Progettazione per EMC: L’Immunità Elettromagnetica è un argomento importante da considerare nel proprio progetto. Le maggiori problematiche sorgono quando i progettisti rimandano il momento in cui affrontarlo. Le EMC dovrebbero essere considerate sin dall’inizio. E’ importante sia valutare le aree che potrebbero emettere disturbi così come quelle che invece saranno suscettibili a disturbi provenienti da segnali esterni. Alimentazioni, quarzi e oscillatori sono le principali fonti di emissioni, in sostanza tutte le aree che producono oscillazioni. Esse stesse possono anche essere suscettibili. Il filtraggio e la regolazione dei segnali, l’applicazione di apposite schermi sono opzioni valide in quanto aiutano a valutare e posizionare i componenti suscettibili il più distante possibile da quelli che emettono, con connessioni opportune, durante il progetto del PCB.
Ingressi Floating: I microcontrollori (MCU), quali, ad esempio, i processori Synergy, sono utilizzati per ospitare il software che controllerà le funzioni della scheda. I pin del micro forniscono le connessioni tra il software e l’elettronica (hardware). Durante l’utilizzo essi saranno posizionati allo stato logico 1 o allo stato logico 0 (on o off). Il software leggerà lo stato dei pin quando richiesto ed eseguirà delle funzioni in base al valore letto. La figura 1 mostra i pin del microcontrollore e, osservando attentamente, si potrà notare che non tutti i pin sono connessi alla scheda. Ciò significa che il loro stato potrebbe essere indefinito, cosa che porterebbe poi il software ad eseguire funzioni scorrette. Al fine di evitare potenziali comportamenti imprevisti questi pin dovranno essere fissati ad uno stato definito. Molti MCU, tra i quali la serie Synergy, rendono disponibile internamente un supporto a ciò; viene fornito del software per impostare gli stati iniziali, ma è buona cosa che il progettista hardware esegua un controllo. E’ altamente raccomandata una collaborazione con il progettista software su come inizializzare e gestire l’hardware. In particolare, è opportuno utilizzare cautela quando si accende una scheda prima che si sia verificata l’inizializzazione del software. Assicurarsi che gli ingressi floating siano impostati a valori noti al fine di essere consapevoli di possibili comportamenti negativi possibili prima della procedura di impostazione.
Minimizzare il consumo di energia: Controllare il consumo è uno sforzo cooperativo tra i progettisti hardware e software. Spesso con l’hardware non esiste un metodo magico per ridurre drasticamente il consumo di corrente, ma facendo piccole riduzioni qua e là l’effetto cumulativo potrebbe portare a valori significativi. Si consideri se il micro è in grado di funzionare con una tensione di alimentazione ridotta oppure se è possibile abbassare la velocità di elaborazione. Selezionare componenti che funzionano con il più ampio range di tensioni al fine di avere maggiori opzioni per il progetto. In particolare verificare le correnti che fluiscono attraverso le resistenze. Se tutto ciò può essere minimizzato, l’effetto finale può dare risultati significativi. Collaborare con il progettista software per ottimizzare l’utilizzo del MCU. Se, ad esempio, il processore può essere posto in sleep per periodi di tempo, questo può portare a un risparmio di energia, ma potrebbe richiedere extra hardware per assicurare poi una corretta sequenza di wake-up. Il Synergy S1 è stato progettato in modo specifico con l’opzione di basso consumo in primo piano. Ha un buon numero di modalità di risparmio energetico che permettono ai progettisti di selezionare quale parte del processore mantenere attiva di volta in volta.
Collaborare attivamente con tutte le parti coinvolte nel processo di progettazione, e in particolare lavorare accanto ai progettisti software porterà a un design ottimale.

> Per una panoramica dei microcontrollori Renesas Synergy, usare il link seguente: https://www.renesas.com/en-eu/products/synergy/microcontrollers.html 

Redazione Fare Elettronica