將微控制器開發板當作單板電腦使用

半導體供應商都會提供評估板與展示板等開發板，支援其微控制器。這些板的預期用途是先讓工程師熟悉目標微控制器，然後再協助其進行微控制器的硬體與韌體開發。這些板件包括由排針座連接器提供一般用途輸入／輸出 (GPIO) 的最簡單板件，到具備鍵盤與 LCD 顯示器的複雜板件。由於有如此廣泛多樣的開發板，有些工程師會選擇大量採購這些板件，以用於工業應用中。

不過，開發板不同於工業品質的單板電腦 (SBC)，往往沒有經過製造商嚴格的品質保證 (QA) 測試，因而無法保證可在工業條件下持續運作並使用。開發板通常只會在室溫及低濕度下進行 QA 測試。對於持續使用的應用，這會產生可靠性與合適性問題。雖然開發板使用的半導體與硬體元件，依然會經過商業或工業用途的相關測試，以及通過 QA 測試，工程師需要知道開發板與工業 SBC 的規格有何不同，以及應該做到何種程度的測試，然後才能核准板件用於持續使用的目的。

為瞭解決這些問題，本文將探討這些板件的限制，如何正確判斷是否適合目標應用，以及工程師在選擇適合持續使用之開發板時應考慮的問題。接著，本文將檢視來自 STMicroelectronics 和 Infineon Technologies 的兩種板件，並探討其適用於持續使用之應用的方式。

工業 SBC 品質保證

在控制工業用機電設備，以及管理物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 節點時，最常用的方法是現成的工業用 SBC。SBC 早已安裝經過測試的元件，並隨附完整的使用說明文件。如果數量夠多，且沒有現成的 SBC 能以適當的價格提供所需的功能，客製化 SBC 便是一種可用的選項。然而，早已經過測試的現成解決方案依然會優於客製化 SBC，因為其能提供更快的開發速度與更短的上市時間。

SBC 的製造商會對全新板件進行一長串的嚴苛品質控制測試，然後才會讓設計進入生產。專為工業用途而設計的 SBC 會經過嚴苛的品質控制測試，以確保能在目標應用中可靠地運作。對於額定溫度為 -40°C 至 +85°C 的常見工業應用，會根據額定溫度範圍選擇工業級半導體與硬體。元件安裝所在的 PC 板，也是以能在額定溫度範圍內工作的材料製成。對某些應用來說，SBC 可以塗上共形塗層，以保護板件免受濕氣、灰塵及環境粒子，以及化學溢出物的侵害。

全新工業用 SBC 的初始 QA 包括：對電流及電壓的電性額定值上限與下限進行工作台測試。在這個基本測試之後，新的 SBC 接著會經過完整且漫長的 QA，並且在極端的目標高溫和低溫下，以及於極端濕度與振動下，進行完整運作的測試。全新工業用 SBC 的製造商也會執行壓力測試，在極端條件下進行數天的測試。任何故障，無論多麼小，都會記錄下來，並盡力追蹤其成因。測試失敗會導致更換元件或重新設計 SBC。QA 測試可能需要數週或數月的時間。只有當 SBC 設計完全合格時，製造商最後才會進入板件生產。現在，投入生產的每個 SBC 都會在生產線末端進行快速測試，而測試時間通常不到 1 分鐘。

即使 SBC 進入生產階段之後，測試也沒有停止。工業用 SBC 的製造商可能在每季或每年隨機從生產品中取出一個 SBC，並對其進行完整的 QA 測試，以確保仍持續保持品質。

這些 QA 結果通常會提供給客戶。此外，每當發生任何變更時，例如更換了板件元件，SBC 製造商就會給 SBC 客戶傳送工程變更通知 (ECN)。

微控制器開發板

微控制器製造商以及第三方工具供應商，都會提供用來支援微控制器的開發板。評估板是一種簡易板件，可用來大致研究微控制器，以及檢視基本操作。展示板能展示微控制器的操作，因為含有閃爍 LED、開關以及 LCD 顯示器，因此通常會更為複雜。開發板則用於硬體和韌體開發。

事實上，評估板、展示板與開發板等名稱，本身並未經過標準化，而且板件的目標用途也有大幅的重疊。板件名稱本身不如功能重要，將所有板件都歸在「開發板」這個名稱底下，比較容易分辨且不易混淆。

工業用途開發板的測試

微控制器製造商發佈的或第三方供應的開發板，所經過的測試不如工業用 SBC 的測試嚴苛。多數元件通常是商業等級，但有些板件包含了工業級元件。開發板設計為僅能在室溫下工作。開發板的首批原型會經過數天或數週的室溫下測試，但這會因製造商的不同而有很大的差異。開發板唯一的目標品質要求是能在室溫下工作。因此必須保守假設，板件並未在極端溫度、高濕度或在振動或衝擊條件下經過相關的測試。

在決定工業應用應使用哪種開發板時，主要目標在於降低風險。為此，務必要先瞭解板件製造商，特別是製造商的停產 (EOL) 政策以及開發板歷史。工程師最需要避免的做法是，在完美的板件因 EOL 而停止銷售之前，進行大量採購。如果製造商有持續生產開發板的歷史，則此製造商便是安全的商源。但是，如果製造商有定期停止銷售此類板件的歷史，則採購的風險就太大了。

在決定是否在工業應用中使用開發板時，可瞭解板件上的元件，確保元件的溫度級別適合目標應用。如果板件要用在與人類操作員共處的工業環境中，則商業級元件可能足以適合此種應用。任何連接器或其他相關的硬體零件均應進行檢查，確保已牢固地安裝。任何未焊接的螺絲都應該用螺絲起子輕輕轉動以進行測試，過於鬆動便是個警訊，這暗示著 QA 流程不一致。

如果板件的元件和結構都可以接受，則讓三個或以上的板件同時經過高溫壓力測試達數天之久，這是一個相當不錯的做法。想要更好地瞭解生產一致性，應該在不同時間分別購買各個測試板，如此便能取得不同生產批次板件的樣品。任何故障都是不能接受的，除非製造商能適當地解釋該故障是個例外，否則就應該選擇不同的開發板。

如果板件將用於高濕度的環境中，則應該在適當濕度的環境下進行測試。開發板的設計並不適合用於高濕度環境中。PC 板可塗上共形塗層以提供濕度防護，但前提是連接器與電氣接觸點都已獲得妥善的防護，不會因塗層而受到影響。

另外，還應與製造商確認，瞭解他們是否會在每次變更板件時提供 ECN。通常不會對開發板做到這一點，因此為了安全起見，所有採購進來的板件都應該以目視檢驗，確認是否有變更元件。

如果板件將用於高振動環境裡，則應該將其安裝在測試架中，並進行振動測試。測試結束時，應該要目視檢視是否有裂痕或變形；應該檢查螺絲和凸片固定物是否鬆動。任何的故障或缺陷都是不能接受的，因此不應考慮此種板件。

連續使用的開發板

下面是兩種可能適合連續使用的工業應用開發版範例。製造商並未認證這些板件能否用於連續使用的工業用途：工程師須自行測試，以確認板件是否適合用於特定的終端應用。

Arduino 尺寸相當受歡迎，已讓製造商製造出許多該板件的衍生產品。舉例來說，STMicroelectronics 的 NUCLEO-L4P5ZG 便是搭載 Arm® Cortex®-M4 微控制器的產品。板件佈局概覽顯示了眾多功能 (圖 1)。NUCLEO-L4P5ZG 有一組排針座連接器，可讓微控制器所有的 GPIO 都能適合應用。

圖 1：STMicroelectronics 的 NUCLEO-L4P5ZG 是一種與 Arduino 相容的 Nucleo 板，擁有基本的開發板功能，所有 GPIO 引腳都能拉出並接到排針座連接器。此產品有三個使用者可編程的 LED、一個使用者按鈕及一個重設按鈕。(圖片來源：STMicroelectronics)

NUCLEO-L4P5ZG 的一項重要優勢在於，GPIO 也相容於許多 STMicroelectronics 的 Nucleo 系列 Arduino 相容板。這表示若有產品停止銷售，便能使用相容的 Nucleo 第二來源替代品。此板有韌體控制的三個 LED 和一個按鈕，以及一個固線式重設按鈕。LED 可顯示簡易的狀態，而固線式重設按鈕可讓板件快速地從韌體鎖定中復原。此元件有韌體控制的 USB On-The-Go (OTG) 全速連接器，以及可供編程與除錯用的 micro USB 連接器。白色 PC 板可在溫暖環境中更易於排放熱量。NUCLEO-L4P5ZG 適用於需要管理 I/O 的應用，包括感測器、開關和致動器等。

另一個可能適合應用用途的開發板範例為 Infineon Technologies 的 KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 套件。此產品也搭載 Arm Cortex-M4，擁有一組完整的 Arduino 墊片，但沒有排針座連接器 (圖 2)。Relax 套件相當適合用於以 RJ45 連接器進行乙太網路連線的網路連線應用，或基本 IIoT 節點。此產品有韌體控制的兩個按鈕和兩個 LED，以及一個重設按鈕。

圖 2：Infineon Technologies 的 KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 套件可將所有的 GPIO 拉出，並接到 PC 板接觸孔。此產品可使用現有的乙太網路和 USB 連接器來支援序列介面，還能用 microSD 卡插槽來擴充記憶體。(圖片來源：Infineon Technologies)

Infineon 的 Relax 套件還具備 microSD 卡插槽。如此只須切換至不同的 microSD 快閃記憶體卡，即可為不同板件輕鬆地變更韌體或應用資料。此套件適用於需要監控感測器、開關及控制致動器的耐用型網路連線應用，而 microSD 卡對於會定期發生韌體或資料變更的情況極為有用，而且會比重新編程板件更有效率。

結論

微控制器開發板可作為工業應用板件使用，前提是只要已經過仔細挑選並測試，再用於目標應用即可。工程師需要在使用前先對硬體進行嚴格的測試，並且仔細瞭解製造商的供應狀況是否可靠 (包括 EOL 政策)。有如此多可供選擇的開發板，工程師應能輕鬆找到通過內部 QA 的板件，以用於工業應用。