บริษัทพัฒนาเฟิร์มแวร์นำต้นแบบฮาร์ดแวร์มาสู่ความเป็นจริงได้อย่างไร

เฟิร์มแวร์เป็นชั้นที่เปลี่ยนตัวเครื่อง แผงวงจร และเซ็นเซอร์จำนวนหนึ่งให้กลายเป็นอุปกรณ์ที่สามารถตอบสนองได้

ต้นแบบฮาร์ดแวร์ทั่วไปเริ่มต้นด้วยชิ้นส่วนทางกายภาพ ได้แก่ ตัวเคสที่ออกแบบใน CAD และพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่พอดีกับเสาสำหรับติดตั้ง และชุดเซ็นเซอร์ ปุ่ม และไฟ LED ที่จัดวางตามแบบ เมื่อประกอบเสร็จแล้ว ต้นแบบอาจดูคล้ายกับผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป อย่างไรก็ตาม หากไม่มีเฟิร์มแวร์ อุปกรณ์จะไม่สามารถอ่านค่าจากเซ็นเซอร์ ตอบสนองต่ออินพุต หรือสื่อสารกับระบบอื่นๆ ได้

เฟิร์มแวร์คือโค้ดที่ทำงานบนไมโครคอนโทรลเลอร์ของอุปกรณ์ บางทีมเขียนโค้ดของชิปเอง ในขณะที่หลายทีมจ้างบริษัทภายนอกมาเขียนโค้ดให้ การพัฒนาเฟิร์มแวร์ บริษัทจะเริ่มดำเนินการก็ต่อเมื่อการออกแบบทางกลมีเสถียรภาพแล้ว เพราะการทำให้ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือร่วมกับเซ็นเซอร์ วิทยุ และแบตเตอรี่ที่มีข้อจำกัดนั้นต้องอาศัยประสบการณ์เฉพาะด้าน เฟิร์มแวร์กำหนดว่าฮาร์ดแวร์ทำอะไร ทำตามลำดับอย่างไร และอุปกรณ์จะกู้คืนจากข้อผิดพลาดได้อย่างไร

หัวข้อด้านล่างนี้จะอธิบายว่างานเฟิร์มแวร์ในช่วงการสร้างต้นแบบนั้นเกี่ยวข้องกับอะไรบ้าง บริการใดบ้างที่มักจำเป็น และเมื่อใดที่การจ้างบริษัทภายนอกมาพัฒนาเฟิร์มแวร์จึงจะเหมาะสม

จากต้นแบบฮาร์ดแวร์สู่ผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้จริง

การออกแบบตัวเรือน การประกอบเชิงกล และแบบจำลอง 3 มิติ เป็นส่วนสำคัญของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ ตัวเรือนที่ผ่านการทดสอบอย่างดีจะแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์นั้นจับถนัดมือหรือไม่ ช่องระบายอากาศอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องหรือไม่ และชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ เช่น บานพับ มีความทนทานเพียงใด อย่างไรก็ตาม ต้นแบบที่มีเพียงรูปทรงที่ถูกต้องก็ยังคงเป็นเพียงแบบจำลองทางกายภาพ การอ่านค่าอุณหภูมิหรือการส่งข้อมูลไปยังโทรศัพท์นั้นต้องอาศัยซอฟต์แวร์ที่ทำงานบนโปรเซสเซอร์ภายในอุปกรณ์

ซอฟต์แวร์ที่ทำงานบนโปรเซสเซอร์ของอุปกรณ์เรียกว่าเฟิร์มแวร์ เฟิร์มแวร์มักเขียนด้วยภาษา C หรือ C++ และเชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางกายภาพกับฟังก์ชันที่ผู้ใช้โต้ตอบด้วย ข้อจำกัดด้านหน่วยความจำและพลังงานจะแตกต่างกันไปตามแพลตฟอร์ม ดังนั้นเฟิร์มแวร์จึงต้องได้รับการออกแบบให้สอดคล้องกับฮาร์ดแวร์ที่เลือกและโหมดการทำงาน เมื่อทีมเปลี่ยนเซ็นเซอร์ เฟิร์มแวร์ก็ต้องได้รับการอัปเดตด้วย การเปลี่ยนไปใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ราคาถูกกว่าเพื่อลดต้นทุนต่อหน่วยอาจต้องมีการเปลี่ยนแปลงไดรเวอร์ ชุดเครื่องมือ และแอปพลิเคชัน ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในฮาร์ดแวร์มักต้องมีการเปลี่ยนแปลงในเฟิร์มแวร์ด้วย ดังนั้นจึงควรพัฒนาฮาร์ดแวร์และเฟิร์มแวร์ไปพร้อมๆ กันมากกว่าที่จะพัฒนาทีละอย่าง การตัดสินใจทางด้านกลไกส่งผลโดยตรงต่อโค้ด เสาอากาศที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังโครงโลหะทำให้เฟิร์มแวร์ต้องรับมือกับสัญญาณที่อ่อนลงและการส่งซ้ำมากขึ้น และช่องใส่แบตเตอรี่ที่เล็กลงก็ต้องการโหมดประหยัดพลังงานที่เข้มงวดมากขึ้น เมื่อวิศวกรด้านกลไกและเฟิร์มแวร์ประสานงานกันตั้งแต่เนิ่นๆ หน่วยประกอบชุดแรกๆ จะมีปัญหาในระหว่างการทดสอบน้อยลง

บริษัทพัฒนาเฟิร์มแวร์ทำอะไรให้กับต้นแบบฮาร์ดแวร์บ้าง?

ในระหว่างขั้นตอนการสร้างต้นแบบ บริษัทพัฒนาเฟิร์มแวร์มีหน้าที่รับผิดชอบในการทำให้บอร์ดทำงานได้และรักษาการทำงานของบอร์ดให้ต่อเนื่องแม้ว่าการออกแบบฮาร์ดแวร์จะเปลี่ยนแปลงไป โดยปกติแล้วงานนี้จะประกอบด้วยหลายขั้นตอน

ขั้นตอนแรกมักเป็นการเลือกชิปซิลิคอน ต้นแบบส่วนใหญ่ทำงานบนไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) เช่น STM32, ESP32 หรือ nRF52 อุปกรณ์ที่ต้องการจอแสดงผล พลังการประมวลผลที่มากขึ้น หรือระบบปฏิบัติการ Linux แบบฝังตัว จะใช้ระบบบนชิป (SoC) แทน บริษัทวิศวกรรมเฟิร์มแวร์ที่มีประสบการณ์สามารถให้คำแนะนำเกี่ยวกับการเลือกชิปได้ เนื่องจากชิปจะเป็นตัวกำหนดว่าเครื่องมือพัฒนาและตัวเลือกไร้สายใดบ้างที่จะมีให้ใช้งานในภายหลัง

ขั้นตอนต่อไปคือการทดสอบการทำงานของฮาร์ดแวร์ ซึ่งวิศวกรจะตรวจสอบว่าสัญญาณนาฬิกาเสถียร แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับแหล่งจ่ายไฟถูกต้อง ตัวดีบักเกอร์สามารถเชื่อมต่อได้ และอุปกรณ์ต่อพ่วงแต่ละชิ้นตอบสนองหรือไม่ กระบวนการนี้ต้องใช้เครื่องมือต่างๆ เช่น ออสซิลโลสโคปและเครื่องวิเคราะห์ลอจิก การทดสอบการทำงานยังมักจะเปิดเผยข้อผิดพลาดในแผนผังวงจร เช่น ขาที่สลับกันหรือตัวต้านทานดึงขึ้นที่หายไป ซึ่งไม่พบในระหว่างการตรวจสอบการออกแบบ

โครงสร้างเฟิร์มแวร์ต้นแบบทั่วไป ตั้งแต่ชิปประมวลผลไปจนถึงพฤติกรรมที่ผู้ใช้เห็น

หลังจากเริ่มระบบ ทีมงานจะเขียนไดรเวอร์สำหรับเซ็นเซอร์และอุปกรณ์ต่อพ่วงบนบอร์ด รวมถึงมาตรวัดความเร่ง เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ จอแสดงผล ตัวควบคุมมอเตอร์ และหน่วยความจำแฟลชภายนอก แต่ละส่วนประกอบสื่อสารกันผ่านบัส เช่น I2C, SPI หรือ UART และแต่ละส่วนประกอบจะมีข้อมูลจำเพาะในเอกสารข้อมูลที่ปรากฏให้เห็นเฉพาะในสภาวะการทำงานจริงเท่านั้น จากนั้นจึงเพิ่มโปรโตคอลการสื่อสาร: อุปกรณ์ที่ทำงานร่วมกับแอปพลิเคชันบนมือถือมักใช้ Bluetooth Low Energy ในขณะที่การรายงานบนคลาวด์ต้องใช้ Wi-Fi หรือเครือข่ายเซลลูลาร์ ยานพาหนะมักใช้ CAN และอุปกรณ์อุตสาหกรรมมักใช้ Modbus

ขั้นตอนสุดท้ายคือตรรกะพื้นฐานของอุปกรณ์ ซึ่งกำหนดพฤติกรรมที่ผู้ใช้เห็น ตัวอย่างเช่น การกดปุ่มเปิด/ปิดค้างไว้สามวินาทีจะทำให้อุปกรณ์เข้าสู่โหมดจับคู่ และระดับแบตเตอรี่ต่ำกว่า 15% จะทำให้เกิดการแจ้งเตือนและหรี่ไฟ LED กฎต่างๆ เช่น การจับคู่และการแจ้งเตือนแบตเตอรี่ต่ำ จะเปลี่ยนวงจรที่ทำงานได้ให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้จริง

บริการพัฒนาเฟิร์มแวร์ที่สำคัญในช่วงการสร้างต้นแบบ

ขอบเขตของงานพัฒนาเฟิร์มแวร์ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ เครื่องบันทึกข้อมูลแบบเซ็นเซอร์เดี่ยวต้องการเฟิร์มแวร์น้อยกว่าอุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์ที่เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต อย่างไรก็ตาม บริการพัฒนาเฟิร์มแวร์ส่วนใหญ่ในขั้นตอนการสร้างต้นแบบนั้น แบ่งออกเป็นกลุ่มต่างๆ ดังต่อไปนี้:

• เฟิร์มแวร์ฝังตัว คือแอปพลิเคชันหลักบนไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ซึ่งรวมถึงโค้ดเริ่มต้น ลูปหลัก และเครื่องสถานะที่กำหนดพฤติกรรมของอุปกรณ์
• ไดรเวอร์อุปกรณ์ คือโค้ดระดับต่ำที่อนุญาตให้โปรเซสเซอร์อ่านและเขียนข้อมูลไปยังแต่ละส่วนประกอบบนบอร์ด ผู้ผลิตมักจัดหาไดรเวอร์สำหรับชิ้นส่วนยอดนิยม แต่โค้ดของผู้ผลิตมักไม่ครอบคลุมทุกกรณีการใช้งาน ดังนั้นจึงมักต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมเอง
• ระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์ (RTOS) เมื่ออุปกรณ์จำเป็นต้องเก็บข้อมูลจากเซ็นเซอร์ อัปเดตหน้าจอ และรับฟังแพ็กเก็ตวิทยุพร้อมกัน ระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์ เช่น FreeRTOS หรือ Zephyr จะจัดตารางงานทั้งสามอย่างนี้ได้อย่างเป็นระบบและคาดการณ์ได้
• การเชื่อมต่อ การบูรณาการ BLE, Wi-Fi, LoRaWAN, เครือข่ายเซลลูลาร์ หรือเครือข่ายแบบใช้สาย พร้อมด้วยการจับคู่ การเข้ารหัส และการอัปเดตแบบไร้สาย (OTA)
• การจัดการพลังงาน โหมดพักเครื่อง การปรับขนาดนาฬิกา และการปิดอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ไม่ได้ใช้งาน สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ การจัดการพลังงานจะเป็นตัวกำหนดว่าการชาร์จหนึ่งครั้งจะใช้งานได้นานหนึ่งสัปดาห์หรือหนึ่งปี งานวิจัยนี้ยังรวมถึงการวัดปริมาณการใช้กระแสไฟฟ้าจริง แทนที่จะพึ่งพาเฉพาะค่าจากเอกสารข้อมูลจำเพาะเท่านั้น
• การดีบัก คือการค้นหาและแก้ไขข้อผิดพลาด การหยุดทำงานเนื่องจากปัญหาเรื่องเวลา และความขัดแย้งระหว่างฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ โดยปกติจะใช้ดีบักเกอร์ JTAG หรือ SWD ที่เชื่อมต่อกับบอร์ด
• การทดสอบเฟิร์มแวร์ การทดสอบหน่วย การทดสอบฮาร์ดแวร์ในวงจร และการทดสอบความเครียดที่แรงดันต่ำ อุณหภูมิสูง หรือการเชื่อมต่อที่ไม่เสถียร

โดยทั่วไปแล้ว การแก้ไขข้อผิดพลาดและการทดสอบมักจะถูกลดระยะเวลาลงเมื่อใกล้ถึงกำหนดส่งงาน ซึ่งมีแนวโน้มที่จะทำให้ต้นทุนสูงขึ้นในภายหลัง การแก้ไขข้อผิดพลาดในต้นแบบที่ประกอบด้วยมืออาจใช้เวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมง ในขณะที่ข้อผิดพลาดเดียวกันที่พบหลังจากผลิตสินค้าไปแล้วหลายพันชิ้น อาจต้องมีการอัปเดตในภาคสนาม หรือในบางกรณี อาจต้องเรียกคืนสินค้าทั้งหมด

เหตุใดจึงควรทำงานร่วมกับพันธมิตรในการพัฒนาเฟิร์มแวร์ระหว่างการพัฒนาผลิตภัณฑ์?

สำหรับการทดสอบแนวคิดเบื้องต้น วิศวกรเพียงคนเดียวมักจะสามารถจัดการกับแผนผังวงจร โมเดลตัวเครื่อง และโค้ดได้ แต่ภาระงานจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่ออุปกรณ์ต้องการการเชื่อมต่อไร้สายที่เชื่อถือได้ อายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน และการอัปเดตเฟิร์มแวร์ที่ปลอดภัยในภาคสนาม

การเชื่อมต่อไร้สายที่เชื่อถือได้และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานเป็นสิ่งที่คุ้มค่าหากจ้างพันธมิตรพัฒนาเฟิร์มแวร์ วิศวกรที่มีประสบการณ์ในการพัฒนาบอร์ดจำนวนมากจะรู้จักข้อผิดพลาดทั่วไปของชิปและข้อจำกัดของ SDK ของผู้ผลิตแต่ละราย วิศวกรเฟิร์มแวร์ที่มีประสบการณ์ยังสามารถจัดโครงสร้างโค้ดเพื่อให้การเปลี่ยนจากชุดพัฒนาไปสู่ ​​PCB แบบกำหนดเองไม่จำเป็นต้องเริ่มต้นใหม่ทั้งหมด ทีมเฟิร์มแวร์ส่วนใหญ่มีอุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการอยู่แล้ว เช่น เครื่องวิเคราะห์พลังงานและเครื่องมือทดสอบ RF ดังนั้นลูกค้าจึงไม่จำเป็นต้องซื้ออุปกรณ์ทดสอบราคาแพงสำหรับโครงการเดียว

การทำงานร่วมกับพันธมิตรยังช่วยลดระยะเวลาได้ การพัฒนาเฟิร์มแวร์สามารถเริ่มต้นบนบอร์ดทดสอบที่ใช้ชิปตัวเดียวกันได้ ทำให้ทีมไม่ต้องรอฮาร์ดแวร์รุ่นสุดท้าย และการออกแบบเฟิร์มแวร์และกลไกสามารถดำเนินไปพร้อมกันได้

ค่าใช้จ่ายในการจ้างผู้เชี่ยวชาญภายนอกขึ้นอยู่กับอุปกรณ์: บริษัทพัฒนาเฟิร์มแวร์จะเพิ่มรายการแยกต่างหากในงบประมาณ และสำหรับอุปกรณ์ที่ง่ายมาก ผู้เชี่ยวชาญภายในองค์กรอาจเพียงพอ สำหรับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ หรืออุปกรณ์ที่ต้องมีการควบคุม ความเชี่ยวชาญจากภายนอกมักจะช่วยลดจำนวนการแก้ไขแผงวงจร และการแก้ไขแผงวงจรพิมพ์แต่ละครั้งจะเพิ่มเวลาในกำหนดการหลายสัปดาห์ รวมถึงค่าใช้จ่ายโดยตรงด้วย

เมื่อเลือกพันธมิตร ให้สอบถามว่าทีมงานเคยจัดส่งผลิตภัณฑ์ที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูลใดบ้าง ทีมงานจัดการกับการอัปเดตแบบ OTA อย่างไร และวิศวกรมีประสบการณ์กับอุปกรณ์ที่ได้รับการรับรองสำหรับตลาดของคุณหรือไม่ (FCC, CE หรือมาตรฐานทางการแพทย์ หากเกี่ยวข้อง) การทดลองใช้งานแบบเสียค่าใช้จ่ายสั้นๆ หนึ่งหรือสองสัปดาห์ ซึ่งใช้เวลาในการตรวจสอบแผนผังวงจรและข้อกำหนดของคุณ มักจะให้ภาพที่ชัดเจนกว่าการโทรเพื่อเสนอขายสินค้า

โปรดจำไว้ว่าทีมภายนอกต้องการข้อมูลรายละเอียดเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ของคุณ และการให้ข้อมูลแก่ทีมวิศวกรนั้นต้องใช้เวลาจากฝั่งคุณ ควรตกลงเรื่องมาตรฐานการจัดทำเอกสารและการเป็นเจ้าของซอร์สโค้ดตั้งแต่เริ่มต้น เพื่อให้เฟิร์มแวร์ยังคงเป็นของคุณหลังจากสิ้นสุดการทำงาน

เปลี่ยนแนวคิดด้านฮาร์ดแวร์ให้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง

ลองพิจารณาเซ็นเซอร์วัดความชื้นในดินสมมุติสำหรับเรือนกระจก ตัวอย่างต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงกระบวนการพัฒนาที่เป็นไปได้ ไม่ใช่กรณีศึกษาของลูกค้าที่บันทึกไว้ เวอร์ชันแรกเป็นเปลือกที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โดยมีแผงวงจรพัฒนาอยู่ภายใน และเฟิร์มแวร์จะส่งค่าความชื้นไปยังแล็ปท็อปผ่าน USB เท่านั้น เวอร์ชันแรกนี้เพียงพอที่จะยืนยันว่าแนวคิดนี้ใช้งานได้

เวอร์ชันที่สองใช้แผงวงจรพิมพ์แบบกำหนดเองที่พอดีกับเสาติดตั้งของตัวเรือน เฟิร์มแวร์จะอ่านค่าจากโพรบทุกสิบนาที เข้าสู่โหมดพักเครื่องระหว่างการอ่านค่า และส่งผลลัพธ์แต่ละครั้งผ่าน LoRaWAN ไปยังเกตเวย์ในอีกส่วนหนึ่งของอาคาร การกำหนดรอบการทำงานและกลยุทธ์วิทยุที่เหมาะสมสามารถยืดเวลาการทำงานได้ แต่ต้องคำนวณและตรวจสอบผลลัพธ์โดยใช้กระแสไฟฟ้าที่วัดได้ ความจุของแบตเตอรี่ และสภาพการรายงานจริง

งานพัฒนาเฟิร์มแวร์จะอยู่ระหว่างการผลิตตัวเคสชิ้นแรกที่พิมพ์ออกมาและการผลิตล็อตทดลอง

ในขั้นตอนการผลิตนำร่อง งานที่เหลืออาจครอบคลุมถึงเฟิร์มแวร์ อิเล็กทรอนิกส์ การออกแบบทางกล และการตรวจสอบความถูกต้องในการผลิต บริการด้านวิศวกรรมเฟิร์มแวร์ในขั้นตอนนำร่องจะเน้นที่การทำให้โค้ดมีความเสถียร การปรับแต่งการใช้พลังงาน การเพิ่มการบูตที่ปลอดภัยและการอัปเดต OTA และการเขียนการทดสอบตัวเองที่แต่ละหน่วยจะทำงานก่อนออกจากสายการผลิต เวอร์ชันแรกต้องทำงานได้บนหน่วยทดสอบเพียงหน่วยเดียวภายใต้การดูแลของวิศวกร ในขณะที่เวอร์ชันการผลิตต้องทำงานได้อย่างสม่ำเสมอในหน่วยหลายร้อยหน่วยในภาคสนาม

ในขั้นตอนการทำงานที่แสดงให้เห็นนี้ ทั้งตัวเคสและเฟิร์มแวร์จะได้รับการพัฒนาไปพร้อมกับการตรวจสอบความถูกต้องของอุปกรณ์โดยทีมงาน โครงการฮาร์ดแวร์หลายโครงการก็มีรูปแบบเดียวกัน โดยมีการแก้ไขเฟิร์มแวร์มากกว่าการแก้ไขตัวเคส เมื่อวางแผนโครงการฮาร์ดแวร์ ควรจัดสรรงบประมาณสำหรับงานเฟิร์มแวร์ตามความซับซ้อน การบูรณาการ และความต้องการในการตรวจสอบ และควรให้วิศวกรเฟิร์มแวร์เข้ามามีส่วนร่วมตั้งแต่ไฟล์ CAD ยังอยู่ในขั้นตอนการปรับปรุงให้เสร็จสมบูรณ์