Concevoir un produit à base d’une carte de prototypage rapide
Arduino, Raspberry Pi, BeagleBoard : de nombreuses cartes de prototypage issues du monde des « makers » et de la culture « Do It Yourself » sont de plus en plus utilisées pour prototyper rapidement des produits industriels.
Procéder de la sorte offre de nombreux avantages, mais aussi quelques inconvénients qui doivent être pris en compte dès le choix de la carte.
Philippe Bourgault, directeur technique chez ELSYS Design, partage ses réflexions avec nous.
Arduino, Raspberry Pi, BeagleBoard…
Pour commencer, présentons rapidement les différentes plateformes de prototypage dont nous allons parler.
Arduino
Arduino est une marque rassemblant plusieurs cartes électroniques intégrant un microcontrôleur. Par exemple, la carte Arduino Uno est basée sur un microcontrôleur 8bits de type AVR. La carte Arduino Due a été conçue autour d’une architecture ARM de type Cortex-M3.
Raspberry Pi
Raspberry Pi est une marque rassemblant un écosystème de cartes et de modules de prototypage rapide. Les cartes Raspberry 3 ou 4 sont des nano ordinateurs de la taille d’une carte de crédit conçue pour encourager l’apprentissage de la programmation informatique. On peut y faire tourner un OS Linux et des logiciels compatibles.
A noter qu’en plus des Arduino et Raspberry Pi, il existe d’autres plateformes intéressantes pour le prototypage, par exemple la BeagleBoard, qui est également un mini-ordinateur à carte électronique unique basée sur un AM335x de Texas Instruments. Elle aussi permet de faire tourner un Linux.
BeagleBoard
De manière comparable à Raspberry Pi, BeagleBoard est une marque rassemblant un écosystème de cartes et de modules de prototypage rapide. La carte Bone Black par exemple est un mini-ordinateur à carte électronique unique basée sur un AM335x de Texas Instruments. Elle aussi permet de faire tourner un Linux.
Avantages des plateformes de prototypage rapide : un écosystème électronique et logiciel très fourni
Les écosystèmes Arduino, Raspberry Pi et BeagleBoard ont des avantages communs.
Concevoir rapidement et à moindre coût des architectures hardware
Tout d’abord, ces écosystèmes permettent de constituer rapidement et à moindre coût une architecture matérielle en assemblant une carte mère avec des shields (cartes fille) et des breakout boards (modules).
On peut ainsi rajouter des capteurs, des entrées vidéo, des GPS ou encore des modules de communication dédiés à l’IoT (LoRa, Sigfox, NBIoT etc.).
De plus, il est souvent possible de le faire sans concevoir le moindre PCB ni même réaliser la moindre soudure. Enfin, il existe des boîtiers en plastique et en aluminium pour encapsuler l’ensemble.
Une communauté logicielle active
Le support de la plateforme matérielle au niveau logiciel est facilité par l’importante communauté de passionnés qui partagent gratuitement codes et expériences.
Ainsi, cette simplicité permet de rapidement démontrer un concept de produit et ses fonctionnalités par l’intermédiaire d’un démonstrateur conçu en un temps record. C’est ce que font par exemple des startuppeurs ; cela incite également des entreprises n’ayant pas de compétences en électronique à proposer des produits basés sur ces plateformes.
Inconvénients des plateformes de prototypage rapide
Au moment de passer de l’étape du démonstrateur au produit, plusieurs problèmes majeurs surviennent.
Exigences obligatoires liées au marquage CE
Avant de mettre un produit sur le marché, il doit répondre à un certain nombre d’exigences liées au marquage Conformité Européenne (CE) ; on parle ici principalement de la sécurité électrique et de la compatibilité électromagnétique (CEM).
Par CEM, on fait ici référence aux émissions conduites et rayonnées et à la susceptibilité / immunité aux perturbations rayonnées et conduites. Dit plus simplement, on veut garantir que le nouveau produit ne va pas en perturber d’autres ou bien être lui-même perturbé par son environnement. Par exemple, on va s’assurer que la carte électronique ne va pas redémarrer si on passe un appel téléphonique à proximité avec un smartphone.
Bien que certaines plateformes de prototypage revendiquent leur conformité au marquage CE, il faut être extrêmement attentif à certains détails. La déclaration de conformité fournie par certains fabricants ne contient qu’une page recto listant les normes auxquelles la carte électronique est conforme quand d’autres fabricants fournissent aussi les rapports d’essais complets.
Ces rapports d’essais contiennent des informations essentielles sur les conditions d’essai pour lesquelles le fabricant déclare son électronique conforme. Voici deux exemples nécessitant une vigilance renforcée :
- Environnement de test rendant certains essais non applicables : les essais selon la norme EN 61000-4-4 (transitoires rapides et en salves) peuvent être applicables ou non en fonction de la longueur des câbles prévus dans les conditions d’essai. Le fabricant peut alors s’affranchir de ces essais alors que le futur produit devra lui utiliser des câbles plus longs et avoir alors à les passer… et ne pas échouer.
- Niveau de sévérité : chaque essai en immunité doit définir un niveau de sévérité et un critère de performance. Le fabricant peut avoir défini des niveaux de sévérité et des critères de performance bien moins exigeants que ceux qui seront obligatoires pour le futur produit. On peut citer par exemple les essais selon la norme EN 61000-4-2 (décharges électrostatiques) qui définit principalement 4 niveaux de tension de décharges dans l’air : 2kV, 4kV, 8kV et 15kV. Le fabricant peut parfaitement limiter ses essais à 4kV avec un critère d’acceptation B alors que le produit destiné par exemple au domaine médical exigera 15kV et un critère d’acceptation A.
Pour résumer, il faut exiger les rapports d’essais des cartes de prototypage et en faire une analyse détaillée pour déterminer les risques que le produit ne puisse pas obtenir la conformité CE. Il est fortement recommandé de consulter sur ce sujet les experts des laboratoires de certification.
Exigences liées aux conditions d’utilisation du produit
Le prototype, souvent conçu et testé sur un bureau, n’a pas nécessairement pris en compte toutes les exigences liées à son utilisation finale. On peut citer la température, l’humidité, l’étanchéité, la résistance aux chocs, aux chutes, les vibrations, la pression etc.
Par exemple, si le produit final est utilisé dans un train fonctionnant toute l’année dans une géographie au climat continental, la gamme de température étendue (-20°C / +60°C) peut générer un taux de pannes élevé.
Ainsi, ce qui a été très rapide et peu coûteux à prototyper, devient plus lent et surtout plus cher à industrialiser pour en faire un produit. Les essais de qualification peuvent même démontrer que l’architecture électronique basée sur la plateforme de prototypage rapide n’est pas adaptée.
Dans ce cas, il faut alors redesigner une carte complète.
Absence de documentation technique
Pour redesigner une carte complète, les plannings et coûts de développement peuvent être significativement réduits si le prototypage du produit a eu lieu à partir d’une plateforme dont le fabricant rend public le dossier de fabrication (schéma, nomenclature, placement/routage, etc…) et autorise sa réutilisation.
Ce n’est pas le cas de toutes les plateformes existantes sur le marché.
Concevoir un produit à base d’une carte de prototypage rapide : bilan
Les inconvénients décrits précédemment ne remettent nullement en cause les avantages des plateformes de prototypage rapide. Cependant, lorsque ces plateformes sont destinées à prototyper un futur produit industriel, il faut avoir conscience de ces contraintes et les prendre en compte dès la phase de prototypage.
Il faut avoir à l’esprit que sans marquage CE, un produit ne peut pas être mis en vente. En conséquence, le choix de la plateforme de prototypage rapide a un impact significatif sur le planning de mise sur le marché ainsi que sur les coûts afférents.
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