Estratégias de Desenvolvimento de Hardware para Sistemas Embarcados - Arquitetura de Prateleira

Chipset
Este post faz parte da série Estratégias de Desenvolvimento de Hardware para Sistemas Embarcados. Leia também os outros posts da série:

Neste último artigo da série "Estratégias de Desenvolvimento de Hardware para Sistemas Embarcados" vamos estudar a arquitetura de prateleira (ou off-the-shelf).

 

Nessa arquitetura encontramos projetos eletrônicos parcialmente ou totalmente acabados, que contêm praticamente todos os circuitos necessários para fazer funcionar o equipamento eletrônico, os conectores para alimentação, I/Os, portas seriais e etc. Dependendo do produto ele pode ter alguma flexibilidade de personalização, como os Computadores de Placa Única (Single Board Computer), onde há uma placa funcional que permite anexar, via conectores, outros circuitos externos.

 

Há produtos que são fornecidos em uma caixa preta e com software proprietário. Geralmente o profissional que irá utilizar esse produto tem o trabalho de instalar adequadamente esse dispositivo e configurá-lo.

 

A utilização desse tipo de arquitetura é muito comum em mercados que necessitam de soluções eletrônicas para monitorar e controlar processos, análises de performance, comunicação e etc.

 

O segmento de engenharia de automação e processos é um exemplo de uso esse tipo de arquitetura. É muito comum que os profissionais desse ramo utilizem equipamentos como Controladores Lógicos Programáveis (CLP), Interface Homem Máquina (IHM) e Supervisórios para um projeto de automação de um chão de fábrica de produção de papel, por exemplo. A preocupação do profissional de automação, nesse caso, é em arquitetar e configurar o sistema e resolver um problema específico. Nem sempre ele irá se envolver em um projeto de eletrônica ou desenvolvimento de software, mas é importante que ele tenha conhecimentos básicos para poder entender o funcionamento do sistema.

 

arquitetura de prateleiraarquitetura de prateleiraarquitetura de prateleira

Figura 1 - Exemplos: IHM, CLP e Supervisório.

 

Considerando os fornecedores, há a introdução de uma indústria que se especializa em desenvolver soluções fechadas para problemas em específicos.

 

Geralmente esses produtos possuem a característica de serem específicos para um determinado setor, mas existem alguns de tom genérico.

 

Prós:

  • Soluções praticamente acabadas e de fácil utilização;
  • Rápido Time-to-Maket;
  • Abstração da complexidade do projeto eletrônico e de software, permitindo que o profissional trabalhe mais próximo da aplicação sem se envolver com atividades que sejam de desenvolvimento.

 

Contras:

  • Capacidade limitada de personalização;
  • Maior custo e alto valor agregado;
  • Maior dependência do fornecedor. É difícil encontrar produtos que seguem um padrão diferente do estabelecido pelo fabricante;
  • Produto possui escalabilidade em volume limitado.

 

 

Hardware Industrial vs Maker

 

O texto abaixo representa minha opinião e experiência, não devendo ser tomado como ponto de vista dos fabricantes mencionados.

 

É interessante discutir um pouco sobre algumas confusões que encontramos no mercado. Devido ao aquecimento do setor de eletrônica, a grande variedade de fornecedores, a grande demanda por soluções conectadas e à rapidez da evolução tecnológica, há uma confusão entre o que é um hardware para estudo e prototipagem e um hardware profissional que tem como objetivo a utilização em um produto comercial.

 

Exemplos de hardware de estudo e prototipagem são os famosos Arduino e Raspberry Pi.

 

Figura 2 - Arduino Uno e Raspberry Pi 3 model B.

 

Eles até podem ser classificados de produtos de prateleira, pois são circuitos funcionais incorporados em uma única placa e para utilizá-los é necessário somente incluir configurações de software no sistema e conectar circuitos adicionais (sensores ou os famosos shields) em seus conectores de expansão. O software para programação desses sistemas normalmente é facilitado por possuir diversas camadas de abstração já prontas para facilitar o acesso.

 

É muito comum um desenvolvedor inexperiente ou um estudante imaginar que é possível transformar esse tipo de sistema em um produto, pois ele aparenta ser um equipamento de arquitetura de prateleira. Em uma primeira análise, basta somente incluir uma caixa, anexar circuitos adicionais nos conectores de expansão e carregar seu software que o produto está pronto.

 

Porém, é essencial considerar algumas questões e cuidados que devem ser tomados quando pretendemos introduzir um produto no mercado, em especial nos setores industrial, médico e de automação:

  • Qual é o ciclo de vida do produto? Até quando a empresa que o fabrica irá mantê-lo no mercado?
  • Quais são os meios de aquisição do produto? Se eu precisar de novas peças, eu consigo ter acesso a estoques do produto?
  • Qual a garantia que o equipamento não irá mudar a pinagem no decorrer do seu ciclo de vida?
  • Qual a proposta do fornecedor do produto? No caso da Raspberry Pi, por exemplo, quem mantém o projeto é uma fundação sem fins lucrativos, que adota uma estratégia de introdução de equipamentos educacionais (há iniciativas para uso comercial, mas em estágio de aceitação e teste de mercado).
  • Bibliotecas de software, como as do Arduino, abstraem boa parte do trabalho de desenvolvimento, mas devemos avaliar qual o overhead que isso apresenta e qual é a licença de software dessa biblioteca. Veja um artigo sobre o uso de Arduino para trabalho comercial.
  • Quais são as outras preocupações, como, por exemplo, a estabilidade do equipamento? Veja um artigo sobre alta temperatura na Raspberry Pi 3.

 

Por outro lado, esses hardwares são excelentes para aprendizado e também para atrair pessoas que, sem formação em engenharia, querem se aventurar na área de eletrônica. É fácil prototipar uma ideia com esses dispositivos devido ao seu baixo custo e também por conta de um enorme ecossistema de shields no mercado, com diferentes sensores e circuitos adicionais.

 

Alguns fabricantes de chips adotam a padronização da pinagem estabelecida por plataformas como Arduino e Raspberry para construção dos seus References Designs que, do ponto de vista de engenharia, são extremamente interessantes. Além disso, facilitam bastante e aceleraram o processo de desenvolvimento, pois eles possuem extensa documentação e facilidades para estudo. São exemplos desse tipo de computador de placa única a Beaglebone da Texas Instrument, a Dragonboard da Qualcomm e a Freedom Board da NXP. Como os Arduinos e a Raspberry Pi, eles podem ser utilizados em um produto comercial, mas não são recomendados, pois a proposta aqui é facilitar o aprendizado de um determinado microcontrolador ou microprocessador.

 

 

Conclusão

 

Considerando as arquiteturas na série de artigos, vamos levantar o seguinte gráfico, destacando alguns pontos interessantes:

 

 

Na arquitetura de chipset é onde conseguimos construir produtos de baixo custo, massificados e altamente customizados, porém o investimento e time-to-market desse produto são muito maiores e, consequentemente, maior risco de investimento.

 

A arquitetura modular permite personalização, um bom time-to-market, capacidade de escalabilidade e investimento em engenharia intermediários, mas com maior custo devido ao valor agregado de engenharia, o que pode dificultar a competitividade do produto dependendo do tipo de mercado.

 

Os produtos de prateleira geralmente são produtos prontos, de fácil uso e utilizados por profissionais que estão mais próximos da sua aplicação final. Um produto de prateleira tem características de possuir custo elevado (devido ao alto valor agregado de engenharia no produto) mas ele é de fácil uso e acesso, além de possuir rápido time-to-market.

 

Essas três arquiteturas não são canônicas e é comum encontrar num produto variações e arquiteturas híbridas.

 

Uma noção interessante é que um projeto não precisa necessariamente ser conduzido por apenas um caminho e pode variar no decorrer do tempo. Pegue, por exemplo, uma Start-up que, por questões de baixo capital de investimento, escolhe construir seu produto a partir de uma arquitetura de prateleira (uma Raspberry Pi). Desta forma, ela consegue construir rapidamente uma prova de conceito e também testar o mercado. A partir disso, se sua prova de conceito é bem-sucedida, a empresa pode partir para um sistema modular para reduzir custos, ganhar customização e escalabilidade. E, finalmente, se seu produto tiver capacidade e mercado para escalar em altos volumes, a empresa, agora já mais consolidada e com capital de investimentos, pode escolher em desenvolver seu produto totalmente partindo de uma arquitetura de chipset.

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Fernando Luiz Cola
Formado em Engenharia Eletrônica pela EESC-USP. Possui 8 anos experiência em hardware, software e a integração entre eles e 5 anos em Linux Embarcado, RTOS e Python. Proprietário da Emc Logic, empresa de consultoria em desenvolvimento de software para sistemas embarcados. É gamer desde antes do termo ser inventado e foi jogador de longa data de World of Warcraft.

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João Paulo N Bino

Eu curti muito o seu último parágrafo. Eu realmente gosto do desenvolvimento chipset, mas nas fases iniciais de projeto eu gosto de usar modulos e placas prontas para provar o conceito e isso baixa muito o custo. Quando não tenho esses dispositivos disponíveis eu desenho uma placa maior que o produto final com várias opções e fabrico aqui por perto em Goiânia, pego ela em 3 dias no máximo, e testo os conceito. Claro que alguns conceitos mais profundos, como crosstalk e ruído, só com uma placa de design final.