基于Arduino和Raspberry Pi开发板的嵌入式设计案例

作者：Steve Leibson

Arduino 和 Raspberry Pi 开发板是颠覆嵌入式系统开发方式的登峰造极之作。从前，嵌入式系统的开发从硬件开始。项目步骤一般如下：

1. 规范系统要求，包括粗略估计处理速度和 I/O 要求。

2. 选择符合功率、性能和价格要求的适当微控制器或微处理器。

3. 连接硬件原型。

4. 调试硬件原型。如有必要，编写少量驱动程序代码来调动线路。

5. 硬件运行后，开始执行代码。

6. 调试代码。

7. 发货！

现在没那么简单了。首先，有数以千计的处理器和微控制器可供选择，而它们来自众多供应商。没有人可以把所有这些替代方案都记在脑中。

其次，上述第三项（连接硬件原型）提出了一个实际问题，因为三十年前全球已发展到采用表面贴装技术的阶段。对于电气工程，上世纪 70 年代普遍使用的原型开发技术手工布线甚至绕接技术，类似于手工锻造技术。现今已很少用到此类技术。您确实需要设计、制造和焊接原型印刷电路板，如果有更好（更快、更低成本）的替代选项，谁会花时间那样做呢？

这种情况为开发板创造了机会，直接绕过上面的一至四步。目前市场上最知名的两种开发板是 Arduino Uno（及其众多型号）和 Raspberry Pi。Raspberry Pi 的最新型号是 Raspberry Pi 3 Model B+。虽然人们经常将 Arduino 开发板与 Raspberry Pi 开发板相提并论，但两者截然不同。

Arduino 是一家开源计算机硬件与软件公司的名称、一个开源社区项目、设计和制造 Arduino 开发板的用户社区、一种集成开发环境 (IDE) 以及实际 Arduino 微控制器板本身。（Arduino 这个名字出自意大利伊夫雷亚的一家酒吧，Arduino 项目的一些最初创始人过去常在那里会面。）

最初的 Arduino 开发板基于 Atmel 的 AVR 微控制器。在使用 Arduino IDE 开发代码后，Arduino IDE 随后会编译代码，并将代码下载到板载微控制器的闪存中。Arduino IDE 支持 C 和 C++ 语言，具备其独有的特殊代码结构规则。由于 Arduino 概念得到了极大发展，较新的 Arduino 型号已升级到基于 32 位 Arm® Cortex®-M0 的微控制器，以实现更高性能（图 1）。

Arduino 开发板是作为入门级微处理器开发板，用于控制相对简单的嵌入式系统，因此其 I/O 功能非常简单。除了一些带有简单数字 I/O 和模拟输入引脚的 0.1 英寸针座外，Arduino Uno 开发板还有一个 USB 端口以及一些可以闪烁的板载 LED。就这么简单。I/O 引脚由软件控制，因此在发挥这些引脚的性能时不会有太多阻碍。

图 1：Arduino Uno 是一款基于 8 位 Atmel 微控制器的入门级开发板，具有一些简单的 I/O 功能，可作为不需要高性能的嵌入式设计的开发平台。（图片来源：Arduino）

升级到 Raspberry Pi

如果嵌入式设计需要更高性能，那么可以考虑从 Arduino 升级到 Raspberry Pi 3 B+ 开发板（图 2）。以下是该开发板的重要特性：

• Broadcom BCM2837B0，1.4 GHz Cortex®-A53 (Arm®v8) 64 位 SoC
• 1 GB LPDDR2 SDRAM
• 2.4 GHz 和 5 GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac 无线 LAN，蓝牙 4.2，BLE
• USB 2.0 千兆位以太网（最大吞吐量 300 Mbps）
• 扩展型 40 引脚 GPIO 针座
• 全尺寸 HDMI
• 四个 USB 2.0 端口
• 扩展型 40 引脚 GPIO 针座
• CSI 摄像头端口，用于连接 Raspberry Pi 摄像头
• DSI 显示端口，用于连接 Raspberry Pi 触摸屏显示器
• 4 极立体声输出和复合视频端口
• Micro SD 端口，用于加载操作系统和存储数据
• 5 V/2.5 A 直流电源输入
• 以太网供电 (PoE) 支持（需要独立的 PoE HAT）

图 2：Raspberry Pi 3 Model B+ 是一款出色的嵌入式硬件开发平台，具有四核 64 位 Arm 应用处理器、1 GB SDRAM 以及丰富的 I/O 功能。（图片来源：Raspberry Pi）

有了如此多的处理能力、存储器和 I/O 功能，您可以做很多事情。Raspberry Pi 3 B+ 开发板可运行 Linux，且该产品具有庞大的支持社区。Raspberry Pi 3 Model B+ 价格低廉，成为许多嵌入式开发项目的绝佳硬件平台。

当您觉得需要提速时，该怎么办？

如果 Raspberry Pi 3 Model B+ 满足您对嵌入式系统设计的所有要求，则无需再寻找其他产品。既然这款开发板价格低廉，功能又极其强大，那么何必多此一举呢？但是，如果您的嵌入式系统需要的特殊 I/O 功能超出 Raspberry Pi Model 3 B+ 的大量 I/O 资源，该怎么办？

这种情况就是您需要 FPGA 的高性能功能的一个例子，FPGA 擅长让您仅使用软件即可定义出新型高速接口。无需额外布线。此外，您还可以使用 Trenz Electronic 的 TE0726-03M 开发板 ZynqBerry（图 3），获得已内置于 Raspberry Pi Model 2 外形尺寸中的 FPGA 功能。

图 3：Trenz 的 TE0726-03M ZynqBerry 开发板采用 Raspberry Pi Model 2 外形尺寸封装了一个 Xilinx 的 Zynq Z-7010 SoC，适合需要额外 I/O 性能的嵌入式设计。（图片来源：Trenz Electronic）

ZynqBerry 基于 Xilinx 的 Zynq Z-7010 SoC，融合了双核 Arm® Cortex®-A9 32 位微处理器和 FPGA。以此打造的器件与单个处理器（或甚至以 1.4 GHz 运行的四个处理器）相比，能够处理更多的高性能任务。您可以使用可下载的 Xilinx Vivado 工具套件对 Trenz ZynqBerry 进行编程，该套件可为 Zynq SoC 的软件（处理器）和硬件 (FPGA) 端提供 IDE。

更喜欢 Arduino 的外形尺寸？

但如果您更喜欢 Arduino Uno 的外形尺寸呢？Trenz Electronic 的 TE0723-03M ArduZynq 也可满足您的这一需求（图 4）。

图 4：对于需要更多处理器和 I/O 性能的 Arduino 项目，Trenz Electronic 的 TE0723-03M ArduZynq 将 Xilinx Zynq SoC 置于 Arduino 开发板外形尺寸中。（图片来源：Trenz Electronic）

与 Trenz ZynqBerry 一样，您可以使用可下载的 Xilinx Vivado 工具套件对 Trenz ArduZynq 进行编程。

像 Arduino Uno 和 Raspberry Pi 这样的开发板可以简化许多嵌入式开发选择，但无法应对所有嵌入式设计挑战。当您的需求超出这些开发板的功能时，无需更改开发板的外形尺寸。您只需在组合中添加一点 FPGA。

关于作者
Steve Leibson 是 HP 和 Cadnetix 的系统工程师、《EDN》和《Microprocessor Report》杂志主编以及 Xilinx 和 Cadence 的技术博主，并担任过两集“The Next Wave with Leonard Nimoy”的技术专家。33 年来，他一直致力于帮助设计工程师们开发出更好、更快、更可靠的系统。

编辑：hfy