Гид по выбору платформы разработки

Итак, у вас есть замысел проекта, но вы сомневаетесь, какую плату выбрать в качестве мозга устройства? Попробуем помочь вам определиться.

Если вы просто хотите освоить схемотехнику, программирование, Linux и конкретной цели кроме обучения пока нет, возможно лучшим выбором станет один из готовых обучающих наборов.

Но если вы уже освоились, и хотите сделать конкретный проект, этот гид поможет определиться с платформой для разработки и сделать взвешенный выбор.

Arduino или Raspberry Pi? Микроконтроллер или микрокомпьютер?

Все платы для разработки можно разбить на 2 большие категории:

Платы на микроконтроллере
(MCU, MicroController Unit)
Одноплатные компьютеры
(SoC, System on a Chip)
Типичный представитель —
Arduino Uno
Типичный представитель —
Raspberry Pi

Микроконтроллеры могут одновременно исполнять всего одну задачу и отлично с этим справляются. А одноплатные компьютеры исполняют программы в рамках операционной системы (чаще всего Linux), обладают большей производительностью и широкими мультимедийными возможностями.

Существуют также гибридные платформы, где на одной плате расположен и микроконтроллер и процессор. Идея в том, чтобы оставить мощному процессору сложные задачи: выход в сеть, обработку медиа, а на микроконтроллер возложить функцию точного управления приводами, реле, сенсорами и другой периферией. Вы можете создать гибрид и сами, если возьмёте по одной плате из каждого семейства. У всех них найдутся общие интерфейсы, через которые можно организовать их взаимодействие.

И в одном и в другом лагере можно найти специализированные платы, которые сильно выделяются среди прочих какой-нибудь особенностью, но сравнить возможности среднестатистических микроконтроллеров и компьютеров поможет таблица.

 МикроконтроллерОдноплатный компьютер
Производительность 1 ядро,
десятки-сотни МГц,
десятки КБ оперативки,
десятки-сотни КБ постоянной памяти.
1 или более ядер,
сотни-тысячи МГц,
сотни МБ оперативки,
гигабайты постоянной памяти.
Многозадачность Нет.
Но можно эмулировать.
Да.
Управляется ОС.
Удобство работы с интернетом
★☆☆
Обычно нужны дополнительные модули и глубокое знание протоколов.
★★★
Легко подключается из коробки, сетевой модуль обычно уже на борту.
Длительность работы от батареек
★★★
Потребляет единицы-десятки мА. Возможны недели работы от батареек.
★☆☆
Потребляет сотни-тысячи мА. Заряда большого аккумулятора хватит от силы на десяток часов.
Скорость реакции в проектах критичных к времени
★★★
100% контроль над временем и длительностью подачи сигналов.
★☆☆
Из-за многозадачности критический процесс может проспать своё время.
Выбор языков программирования
★☆☆
Ограниченный. Чаще C/C++.
★★★
Python, JavaScript, Bash и десяткии других: любые доступные в ОС.
Возможности для работы с видео, компьютерным зрением
☆☆☆
Не хватит мощности.
★★★
OpenCV, аппаратные видеокодеки, HDMI-выход.
Возможности для работы со звуком
★★☆
На мощных микроконтроллерах возможен синтез звука. Для работы с MP3/OGG/WAV нужны дополнительные модули.
★★★
Поддержка MP3/OGG/WAV на уровне ОС. Аудиовыход HDMI и/или разъём 3,5 мм.

Итак, в зависимости от своей задачи вы определились нужен ли вам микроконтроллер или компьютер. Как решить какая именно плата подойдёт лучше всего?

Так как нет большого смысла сравнивать лицом к лицу микроконтроллеры и микрокомпьютеры, далее мы отдельно приведём преимущества и недостатки конкретных плат в рамках своего семейства.

Сравнение микроконтроллеров

Если рассматривать микроконтроллерные платы в отрыве от задач вашего проекта, сложно в двух словах объективно описать преимущества и недостатки разных платформ. То, что в общем является недостатком, в вашем устройстве может не играть роли и наоборот.

Мы попытались сравнить платы, отталкиваясь от возможностей флагманской DIY-платформы Arduino Uno, так как платы именно этого семейства дали невероятный пинок развитию хобби-электроники во всём мире. Разные компании выпускают модули, сенсоры, платформы, дополнения с шильдами «Arduino compatible», «Designed for Arduino» и т.д. За этими словами стоит электронная и программная совместимость в первую очередь с Arduino Uno, а уж затем со всем остальным.

Как правило, с помощью ухищрений или дополнительных компонентов можно подключить что угодно, к чему угодно. Но ведь вам хочется сосредоточиться на своём проекте, а не на борьбе с электроникой? Поэтому волей не волей хочется сравнить любую плату на микроконтроллере именно с Arduino Uno. Так и сделаем.

Arduino Uno
Процессор на 16 МГц, 32 КБ постоянной и 2 КБ оперативной памяти, 20 портов ввода-вывода, 6 аналоговых входов, 6 каналов ШИМ, 2 аппаратных прерывания, может, и не впечатляют, но без балласта в виде операционной системы и интерпретаторов, они позволяют решать практически любые задачи по точному дирижированию множеством сенсоров и исполнительных устройств.
Тонны документации, уроков и готовых библиотек, огромное сообщество, работа из простой в освоении среды Arduino IDE с языком Arduino C++. Всё это просто не даст вам возможности сказать «не осилил».
Родное напряжение в 5 вольт, которое является де-факто стандартом и колодки для установки плат расширения, аналоговые входы, всевозможные аппаратные интерфейсы позволяют подключить практически любую периферию, сенсоры и исполнительные устройства.
Arduino Leonardo
Та же Arduino Uno, но с другим микроконтроллером, который находится в том же классе, но имеет некоторые отличия положительного характера.
Большее количество аналоговых входов (12 против 6) для сенсоров, больше каналов ШИМ (7 против 6), больше пинов с аппаратным прерыванием (5 против 2), раздельные независимые serial-интерфейсы для USB и UART.
Arduino Leonardo может притворяться клавиатурой или мышью (HID-устройством) для компьютера. Это позволяет легко сделать своё собственное устройство ввода.
Из-за распиновки чуть отличной от Arduino Uno возможна несовместимость с некоторыми платами расширения. Такие случаи, однако, редки, и в нашем магазине мы явно их прописываем.
Iskra Neo
Та же Arduino Leonardo, но произведённая нами, в России.
Заметно дешевле оригинала.
Arduino Mini
Та же Arduino Uno, но в другом форм-факторе.
Компактная. Всего 30×18 мм.
Из-за форм-фактора нельзя без ухищрений устанавливать платы расширения Arduino. Предполагается соединение с дополнительными модулями проводами и/или через макетную плату.
На плате нет USB-порта, поэтому прошивать нужно через отдельный USB-Serial адаптер.
Iskra Mini
Та же Arduino Mini, но произведённая нами, в России.
Заметно дешевле оригинала.
Есть в варианте с распаянными колодками и с незапаянными отверстиями.
Arduino Micro
Та же Arduino Leonardo, но в другом форм-факторе.
Компактная. Всего 48×18 мм.
Из-за форм-фактора нельзя без ухищрений устанавливать платы расширения Arduino. Предполагается соединение с дополнительными модулями проводами и/или через макетную плату.
Arduino Mega
Как Arduino Uno, но на базе более мощного микроконтроллера той же архитектуры. Отличный выбор «на вырост» или если Arduino Uno перестала справляться.
В разы больше памяти: 256 КБ постоянной и 8 КБ оперативной. В разы больше портов: 60 из них 16 аналоговых и 15 с ШИМ.
Немного длиннее базовой Arduino Uno: 101×53 мм против 69×53 мм.
Arduino Due
Одна из самых производительных плат от Arduino на микроконтроллере Cortex-M3 по форм-фактору аналогичная Arduino Mega.
Процессор на 84 МГц и 512 КБ памяти. 66 пинов ввода-вывода, из которых 12 могут быть аналоговыми входами, 12 поддерживают ШИМ и все 66 могут быть настроены, как аппаратные прерывания.
Встроенный контроллер шины CAN позволяет создавать сеть из Due или взаимодействовать с автомобильной электроникой. Два канала ЦАП позволяют синтезировать стереозвук с разрешением в 4,88 Гц.
Родным напряжением для платы является 3,3 В, а не традиционные 5 В. Необходимо следить, чтобы выбираемая периферия поддерживала работу с этим уровнем или ставить преобразователи уровней напряжения.
Iskra JS
Плата на ядре Espruino: её программируют на JavaScript.
JavaScript — язык высокого уровня. Программы писать проще, они компактнее и выразительнее. Особенно если речь идёт о многочисленных строковых операциях, массивах данных, веб-интерфейсе.
Мощный микроконтроллер Cortex M4 на 168 МГц, 1 МБ флеш, 192 КБ оперативной памяти, десятки портов с ШИМ и аналоговых входов, 2 аналоговых выхода, по нескольку I²C, SPI, UART — всё это даёт подключить и одновременно работать с самыми разнообразными сенсорами и модулями.
Несмотря на то, что родной уровень для платы — 3,3 вольта, пины толерантны к 5 вольтам: подключение пятивольтовой периферии тривиально.
Из-за другой среды и экосистемы для программирования, может не существовать готовой библиотеки для выбранной периферии. Её придётся реализовать самостоятельно.
Strela
Робототехническая платформа «всё в одном» содержит в себе большинство тех вещей, которые нужны при создании любого лёгкого мобильного робота. Strela, как и любая другая Arduino, программируется из Arduino IDE, а в основе содержит тот же микроконтроллер, что и Arduino Leonardo.
Встроенный драйвер для двух двигателей, 4 разъёма для сервоприводов, 4 кнопки и 4 светодиода свободного назначения, зуммер, слоты для ЖК-экрана и модуля беспроводной связи.
Мощный регулятор питания позволяет без ухищрений использовать множество различных аккумуляторов.
11 входов-выходов выведены в виде 3-контактных разъёмов для лёгкого подключения дополнительных датчиков и модулей. ЖК-экран, кнопки и светодиоды подключены через расширитель портов, поэтому они не занимают входы-выходы общего назначения.
На плате не предусмотрены колодки для установки плат расширения Arduino.
Из-за изменённой нумерации контактов (в сравнении с базовой Arduino Leonardo), необходимо использовать немного другие функции для работы с пинами платы. Они предоставлены в одноимённой библиотеке.
Arduino Yún
Уникальный гибрид Arduino Leonardo и микрокомпьютера на OpenWRT Linux. Отличный выбор для «интернета вещей».
Плата оснащена Ethernet и WiFi, через которые можно общаться с устройством и даже перепрошивать платформу удалённо.
Мощь Linux позволяет работать с мультимедиа, а его сетевые возможности легко интегрироваться с социальными сетями и другими веб-сервисами.
OpenWRT — это порезанный Linux. На микрокомпьютере можно установить не любой Linux-софт. А в качестве скриптовых языков программирования из коробки можно использовать только Bash и Python.
STM32 Nucleo F401RE
Плата с мощным микроконтроллером Cortex-M4. Платформа программируется не через Arduino IDE, а через онлайн-среду mbed.org. Субъективно, она мощнее и стройнее Arduino IDE, хотя и не так распространена. Для пытливого ума — отличный выбор.
Процессор на 84 МГц, 512 КБ постоянной и 96 КБ оперативной памяти. 50 портов ввода-вывода, из которых 16 аналоговых и 29 с ШИМ. Родной уровень напряжения — 3,3 В, но все пины толерантны к 5 В, поэтому проблем электронной совместимости с Arduino-периферией возникнуть не должно.
Колодки для плат расширения по конфигурации совпадают с Arduino Uno, поэтому на Nucleo можно поставить множество плат расширения от Arduino.
На плате не выведен отдельный SPI-разъём. Платы расширения Arduino, которые используют SPI через ICSP-разъём без ухищрений не будут работать.
Из-за другой среды и экосистемы для программирования, может не существовать готовой библиотеки для выбранной периферии. Её придётся реализовать самостоятельно.
Teensy 3.2
Компактная плата с мощным микроконтроллером Cortex-M4. Программируется из привычной Arduino IDE.
Меньше Arduino Micro (35×17 мм), но почти столь же мощная, как Nucleo: процессор 72 МГц, 256 КБ постоянной и 64 КБ оперативной памяти, 34 порта ввода-вывода, из которых 21 могут быть аналоговыми, а 12 поддерживают ШИМ.
Teensy 3.1 очень энергоэффективна. У неё нет регулятора напряжения, но входным может являться любое от 3,3 до 5,5 В. Это же напряжение и будет логическим уровнем. В режиме сна плата потребляет всего 0,25 мА, что даёт возможность работать от аккумулятора несколько месяцев.
Встроенный контроллер шины CAN позволяет создавать сеть из Due или взаимодействовать с автомобильной электроникой. Два канала ЦАП позволяют синтезировать стереозвук с разрешением в 4,88 Гц.
Плата поставляется с нераспаянными контактами. Вам предстоит самостоятельно впаять штырьковые соединители или проводки.
Из-за большой разницы в архитектуре с классическим Arduino не все библиотеки для сторонней периферии могут работать из коробки.
Рабочее напряжение равно входному, а поэтому плывёт по мере разряда батарейки. Это может оказаться важным при выборе периферии, если она рассчитана на какой-то конкретный вольтаж.
Netduino 2
Плата повторяет форм-фактором Arduino Uno, но имеет мощную начинку, достаточную для исполнения программ, написанных на платформе .NET. Netduino программируется на C# или любом другом .NET-языке в привычной любому .NET-разработчику среде Visual Studio. В качестве стандартной библиотеки предоставляется .NET Micro Framework.
В Visual Studio работает автодополнение, подсказки, контекстная помощь в MSDN и полноценный отладчик. Вам доступны breakpoint’ы, пошаговое исполнение кода, наблюдение за переменными. Отладка происходит без ухищрений, просто с подключённым USB-кабелем. Благодаря всему этому, скорость разработки под Netduino в разы превосходит скорость разработки под любую другую платформу.
На плате не выведен отдельный SPI-разъём. Платы расширения Arduino, которые используют SPI через ICSP-разъём без ухищрений не будут работать.
Из-за другой среды и экосистемы для программирования, может не существовать готовой библиотеки для выбранной периферии. Её придётся реализовать самостоятельно.
Netduino Plus 2
Как Netduino, только мощнее и с Ethernet на борту. Отличный выбор для реализации проектов интернета вещей.
Те же, что и у Netduino 2.

Сравнение одноплатных компьютеров

Законодателем моды среди одноплатных компьютеров является Raspberry Pi. Эта сверхпопулярная платформа в своё время перевернула представление о возможностях, габаритах и стоимости полноценного компьютера для DIY-электронщиков.

Опять же, для каждого проекта может лучше подойти тот или иной одноплатный компьютер, но в силу популярности Raspberry Pi, будем сравнивать другие платформы именно с ней.

Raspberry Pi 3 Model B
Один из самых популярных одноплатников. Четыре ядра по 1200 МГц, 1 ГБ оперативной памяти и полноценный Linux, основанный на Debian помогут решить множество задач, требовательных к вычислительным ресурсам. Среди них можно выделить компьютерное зрение, обработку звука в реальном времени, создание веб-сервисов.
Тонны документации, уроков и готовых библиотек, огромное сообщество. Всё это просто не даст вам возможности сказать «не осилил».
Привычные порты HDMI, 3,5 мм аудио, 4 USB помогут с лёгкостью подключить монитор, колонки, клавиатуру, мышь и другие USB-устройства. Модули BLE и WiFi на борту помогут соединить компьютер с другими устройствами без проводов.
На плате нет АЦП, поэтому подключение аналоговых сенсоров возможно только с помощью внешних, дополнительных компонентов.
Предоставляется лишь 1 аппаратный ШИМ-канал, что усложняет работу с периферией, которая управляется ШИМ’ом.
BeagleBone Black
Микрокомпьютер схожий с Raspberry Pi, который даёт больше благ, привычных для микроконтроллерных плат. Отличный выбор для проектов интернета вещей, когда необходимо управляться с множеством сенсоров и исполнительных устройств.
Мощная среда для разработки Cloud9 IDE. Вы просто заходите на BeagleBone через браузер и программируете на любимом языке будь то Python, JavaScript (Node.js), Bash или любой другой язык Linux. Результат можно проверить мгновенно, а если что-то не заработало, использовать встроенный в среду полноценный отладчик.
На борту уже установлена флеш-память eMMC на 4 ГБ с операционной системой Linux. Память может быть увеличена внешней microSD-картой.
Широкие возможности по подключению периферии. 8 ШИМ-выходов и 7 аналоговых входов. Возможны аппаратные прерывания.
Диковинный разъём microHDMI для подключения монитора. Для передачи звука используется он же.
Вычислительная мощность скромнее, чем у Raspberry Pi: 1 ядро на 400 МГц и 512 МБ оперативной памяти.