برد توسعه

برد توسعه، یک برد مدار چاپی (PCB) است که یک ریزپردازنده یا یک میکروکنترلر درون آن تعبیه شده است و به‌طور پیش‌فرض با حافظه، پورت‌های ورودی/خروجی و امکانات دیباگینگ عرضه می‌شود. این ویژگی‌ها یک محیط تست انعطاف‌پذیر و یکپارچه فراهم می‌کند که به مهندسان اجازه می‌دهد تا طراحی‌های مدار را تست کنند، نظریه‌ها را اعتبارسنجی کرده و پروژه‌های خود را پیش از ورود به تولید انبوه عیب‌یابی کنند. استفاده از بُردهای توسعه، ریسک خطاهای طراحی را کاهش می‌دهد و در عین حال زمان ورود به بازار را کوتاه می‌کند، که این امر در دنیای سریع الکترونیک به شما مزیت رقابتی می‌دهد. علاوه بر این، این بردهای توسعه در طیف گسترده‌ای از صنایع و کاربردها از جمله مخابرات، اتوماسیون و رباتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع مختلف برد توسعه بر اساس عملکرد آن‌ها

بردهای توسعه بر اساس عملکرد، قدرت پردازش و کاربردشان به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند. در ادامه به مدل‌های اصلی بردهای توسعه می‌پردازیم.

بردهای توسعه دارای میکروکنترلر

این نوع از بردهای توسعه بر پایه یک میکروکنترلر طراحی می‌شوند و ابزار محاسباتی فشرده‌ای هستند که یک پردازنده، حافظه و پریفرال‌های ورودی/خروجی را در یک تراشه مجزا جای داده‌اند. بردهای بر پایه میکروکنترلر، برای مدیریت و کنترل قطعات الکترونیکی بیسیک مثل سنسورها، موتورها و صفحه نمایش‌ها ایده‌آل هستند. به این ترتیب برای اجرای پروژه‌های نیازمند کنترل منطقی ساده و یا اتوماسیون عالی عمل می‌کنند. برد توسعه‌های عمومی مثل آردوینو و ESP32 در این دسته قرار دارند. این نوع از بردهای توسعه عموما ارزان قیمت و کم‌مصرف هستند و به راحتی برنامه‌نویسی می‌شوند. همچنین از پروتکل‌های ارتباطی مختلفی مثل I2C، SPI و UART پشتیبانی می‌کنند.

بردهای توسعه دارای میکروپروسسور

این نوع از بردهای توسعه، کامپیوترهای کوچکی هستند که روی یک circuit board ساخته می‌شوند و قدرت پردازشی آن‌ها نسبت به برد توسعه‌های بر پایه میکروکنترلر بالاتر است. عموما دارای پورت USB، خروجی HDMI، اترنت و فضای ذخیره‌سازی مجتمع هستند. می‌توانند یک سیستم عامل کامل مثل لینوکس را اجرا کنند و بنابراین برای کاربردهای پیشرفته‌تر مناسب هستند. برد توسعه‌های رزبری پای (Raspberry Pi) معروف‌ترین عضو این گروه هستند. از دیگر اعضای این گروه نیز می‌توان به BeagleBone و Jetson Nano اشاره کرد. با توجه به اینکه قدرت پردازشی بالاتری دارند بنابراین برای پروژه‌های مولتی تسک مناسب‌ترند. از این دسته از بردهای توسعه به‌خصوص وقتی نیاز به رابط گرافیکی، محاسبات پیچیده یا اتصال به شبکه احساس شود استفاده می‌شود.

برد توسعه FPGA

این قطعات بردهای توسعه خاصی هستند که به کاربران اجازه می‌دهند مدارهای دیجیتال اختصاصی طراحی و توسعه دهند که می‌تواند چندین وظیفه مختلف را به طور همزمان اجرا کند. بر خلاف میکروکنترلرها و پردازنده‌ها، FPGAها فقط برای یک وظیفه مشخص استفاده نمی‌شوند بلکه می‌توانند دوباره برنامه‌ریزی شده و دسته جدیدی از وظایف را اجرا کنند. از نمونه‌های این نوع برد توسعه می‌توان به سری Xilinx Zynq و بردهای Intel/Altera FPGA اشاره کرد. از این دسته از بردهای توسعه بیشتر در کاربردهای عملکرد بالا مثل پردازش سیگنال دیجیتال، پردازش عکس و ماشین لرنینگ استفاده می‌شود. نقطه قوت این دسته از بردهای توسعه امکان استفاده از آن‌ها در پردازش موازی است.

نکاتی که هنگام انتخاب و خرید برد توسعه باید به آن‌ها توجه کرد

برای خرید یک برد توسعه، چندین نکته کلیدی وجود دارد که باید در نظر بگیرید تا خریدی مناسب انجام دهید و مطمئن باشید که برد توسعه نیازهای خاص پروژه شما را تامین می‌کند. مهمترین این نکات عبارتند از:

میکروکنترلر یا میکروپروسسور

هسته اصلی کنترل کننده در بردهای توسعه یک میکروکنترلر یا یک میکروپروسسور است. بردهای توسعه دارای میکروکنترلر مثل برد توسعه آردوینو برای پروژه‌های ساده‌تر که نیاز به بهینه‌سازی انرژی و انجام وظایف کنترلی خاص مثل کنترل موتور و برقراری ارتباط با سنسور دارند ایده‌آل هستند. از طرف دیگر برد توسعه‌هایی که با میکروپروسسور کار می‌کنند مثل برد توسعه خانواده رزبری پای، برای اجرای وظایف پیچیده‌تر که نیازمند قدرت محاسباتی بالا هستند مثل اجرای سیستم عامل، پردازش داده‌های حجیم و اجرای وظایفی نظیر پردازش ویدئو مناسب‌تر هستند. با توجه به نیاز محاسباتی و کنترلی پروژه‌ای که در دست طراحی و توسعه دارید، برد توسعه مناسب را انتخاب کنید.

قدرت پردازشی برد توسعه

پیش از خرید برد توسعه نیازهای پردازشی پروژه‌تان را تعیین کنید. به چه تعداد هسته پردازشی نیاز دارید. سرعت کلاک مورد نیاز و همچنین معماری میکروکنترلر یا میکروپروسسور مورد نیازتان چیست. اگر پروژه‌ای که روی آن کار می‌کنید نیاز به پردازش بلادرنگ (real time)، مولتی تسکینگ و یا اجرای الگوریتم‌های هوش مصنوعی داشته باشد باید به فکر خرید برد توسعه‌ای با یک پردازنده قوی باشید.

حافظه تعبیه شده در برد توسعه

اندازه حافظه رم (RAM) در برد توسعه مستقیما روی میزان داده‌ای که می‌تواند در یک زمان مشخص پردازش کند موثر است. برای وظایف عملکرد بالا مثل هوش مصنوعی یا پردازش عکس معمولا نیاز به چندین گیگابایت حافظه RAM دارید. همچنین وجود فضای ذخیره سازی مناسب روی برد توسعه برای نگه‌داری کدها، firmware و حتی یک سیستم عامل کامل حیاتی است. مطمئن شوید که برد توسعه‌ای که انتخاب می‌کنید فضای ذخیره‌سازی کافی برای پروژه شما را دارد و همچنین بررسی کنید که آیا امکان استفاده از حافظه جانبی مثل SD card دارد یا نه.

پین‌های ورودی و خروجی برد توسعه

تعداد و نوع پورت‌های ورودی/خروجی (GPIO) تعیین می‌کند که چه تعداد دستگاه خارجی مثل سنسور، محرک و صفحه نمایش را می‌توان به برد توسعه وصل کرد. پیش از خرید برد توسعه حتما بررسی کنید که آیا قطعه انتخابی شما تعداد پین آنالوگ، دیجیتال و PWM مورد نیاز پروژه شما را دارد یا خیر. همچنین اطمینان حاصل کنید که پین‌ها نیازهای ولتاژ پروژه شما را برآورده می‌کنند.

رابط‌های ارتباطی موجود در برد توسعه

بردهای توسعه دارای رابط‌های ارتباطی متفاوتی هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهد با دستگاه‌های خارجی ارتباط برقرار کنند و به شبکه‌ها متصل شوند. رابط‌های کلیدی که پیش از خرید یک برد توسعه باید از وجودشان اطمینان حاصل کنید رابط‌های UART، SPI، I2C، وای فای، بلوتوث، لورا (LoRa) و GSM هستند. رابط‌های UART، SPI و I2C پروتکل‌های استاندارد ارتباطی هستند که برای برقراری ارتباط با پریفرال‌های جانبی مثل سنسورها، صفحه نمایش‌ها و حافظه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. وای فای، بلوتوث، لورا (LoRa) و GSM نیز برای برقراری ارتباط بی‌سیم در پروژه‌هایی مثل اینترنت اشیا کاربرد دارند. در صورت نیاز به برقراری ارتباط وایرلس، پیش از خرید یک برد توسعه حتما از وجود ماژول‌های وایرلس امبدد در آن مطمئن شوید و یا بررسی کنید که آیا از ماژول‌های خارجی به راحتی پشتیبانی می‌کند یا خیر.

منبع تغذیه مورد نیاز برد توسعه

در پروژه‌های باتری محور و یا پروژه‌های نیازمند صرفه‌جویی در مصرف انرژی، بررسی نیازهای انرژی برد توسعه‌ای که استفاده می‌کنید نکته‌ای حیاتی است. به دنبال برد توسعه‌ای باشید که بتواند از گزینه‌های منبع تغذیه ورودی شما مثل USB، آداپتور خارجی یا باتری خارجی پشتیبانی کند. بعضی از بردهای توسعه مدهای کم‌مصرف ارائه می‌دهند که در طراحی‌های باتری محور می‌تواند مفید باشد.

برنامه نویسی و دیباگینگ برد توسعه

رابط‌های برنامه‌نویسی و امکانات دیباگینگ از دیگر نکات مهمی هستند که باید پیش از خرید یک برد توسعه به آن‌ها توجه کنید. اطمینان حاصل کنید که برد توسعه از رابط برنامه‌نویسی دلخواه شما مثل USB، JTAG یا SWD پشتیبانی می‌کند. برنامه‌نویسی بعضی از بردهای توسعه راحت‌تر است در حالی که برای بعضی از نمونه‌ها نیاز به تنظیمات پیچیده‌تری دارید. به عنوان مثال یک برد توسعه آردوینو را می‌توانید به راحتی از طریق یک اتصال USB ساده برنامه‌نویسی کنید اما برای برنامه‌نویسی برد توسعه‌های FPGA نیاز به تنظیمات پیچیده‌تر برای برنامه‌ریزی گیت‌های منطقی آن خواهید داشت. ضمنا وجود رابط‌های دیباگینگ داخلی مثل JTAG و UART به شما کمک می‌کند مشکلات احتمالی کدها و سخت‌افزار را راحت‌تر ردیابی و برطرف کنید.

محیط توسعه نرم‌افزاری

پیش از خرید برد توسعه بررسی کنید که آیا از محیط توسعه مناسبی پشتیبانی می‌کند یا خیر. به عنوان مثال برد توسعه‌های متداول مثل آردوینو، رزبری پای و ESP32 محیط توسعه IDE ارائه می‌دهند که به راحتی قابل استفاده است و همچنین از چندین زبان برنامه‌نویسی مختلف مثل C، Python و JavaScript پشتیبانی می‌کنند. همچنین بررسی کنید که از کتابخانه‌ها و درایورهای مورد نیاز برای قطعاتی که می‌خواهید در کنار برد توسعه از آن‌ها استفاده کنید پشتیبانی می‌کند. نکته مهم دیگر در این زمینه وجود دیتاشیت ها و اطلاعات دقیق در رابطه با برد توسعه انتخابی شما است که می‌تواند سرعت توسعه پروژه شما را افزایش دهد. این مورد به‌خصوص در رابطه با پلتفرم‌های منبع باز (open-source) مثل آردوینو و رزبری پای اهمیت دارد.

انطباق برد توسعه با سیستم عامل

اگر برای راه‌اندازی پروژه‌تان نیاز به استفاده از سیستم عامل داشتید، برای برد توسعه‌هایی که بر پایه میکروپروسسور کار می‌کنند بررسی کنید که آیا از سیستم عامل مورد نظر شما مثل لینوکس یا اندروید پشتیبانی می‌کند یا خیر. برای برد توسعه‌های بر پایه میکروکنترلر نیز مطمئن شوید که از سیستم عامل بلادرنگ (RTOS) پشتیبانی می‌کند.

اندازه و مشخصات ظاهری برد توسعه

بسته به نوع پروژه‌ای که در دست طراحی و اجرا دارید ابعاد برد توسعه می‌تواند تاثیر به‌سزایی داشته باشد. بردهای کوچکتر برای کاربردهای فشرده و قابل حمل ایده‌آل هستند در حالی که بردهای بزرگتر تعداد پورت ورودی و خروجی بیشتری ارائه می‌دهند اما ممکن است برای طراحی‌های وابسته به فضا مناسب نباشند.

قیمت برد توسعه و در دسترس بودن آن

قیمت یک برد توسعه وابسته به مشخصات فنی و امکاناتی که ارائه می‌دهد می‌تواند بسیار متفاوت باشد. درست است که قیمت برد توسعه باید با بودجه پروژه شما هم‌خوانی داشته باشد، اما گاهی اوقات بردهای توسعه گران قیمت‌تر با امکانات جانبی ارائه می‌شوند که می‌توانند نیاز پروژه شما به بعضی از قطعات دیگر را برطرف کنند و به این ترتیب هزینه نهایی پروژه را کاهش دهند. در دسترس بودن برد توسعه نیز یک مورد کلیدی است چرا که بعضی از برد توسعه‌های پر طرفدار ممکن است به راحتی در بازار پیدا نشوند.

دوام و قابلیت اطمینان برد توسعه

اگر پروژه‌ای که تعریف کرده‌اید نیاز به استفاده طولانی مدت دارد و یا باید در شرایط سخت محیطی قرار داده شود، برد توسعه‌ای را انتخاب کنید که از لحاظ دوام شناخته شده باشد. بردهای توسعه صنعتی معمولا برای استفاده در شرایط محیطی سخت مثل دما و رطوبت بالا و همچنین وجود لرزش مناسب‌تر هستند.