Diré una palabra sobre el enfoque de ingeniería

Hola Habr

En este relajado domingo por la noche, me gustaría hablar sobre dos temas, en parte interrelacionados: sobre qué y cómo se ve el enfoque de ingeniería en el desarrollo de la electrónica, y cómo y por qué escribir artículos sobre esta electrónica en Habr para que sean agradables y comprensibles a todos

La frase en el artículo de hoy me llevó a esta idea: "Debajo del corte hay varios escarabajos, pero será ingeniería"; Desafortunadamente, no solo no había ingeniería bajo el corte, sino que, en general, en un porcentaje muy grande de artículos sobre el tema "Cómo hice el dispositivo" publicado recientemente en Habré, no hay nada de ingeniería.

Por qué

Porque cualquier ingeniero, como un programador, médico, abogado y cualquier profesional en general, tiene una metodología básica de trabajo, sin la cual la actividad de un profesional se convierte en un lanzamiento no sistemático. Más precisamente, ni siquiera es una metodología: podemos atribuir adzhayl, TRIZ a la metodología, y eso es todo, cada uno tiene la suya, sino una estrategia cruda que se puede escribir en unos pocos pasos.

Entonces, ¿qué aplica esto a la electrónica?

1) Formación de la tarea - o, formalmente hablando, declaración de la tarea técnica.

En la primera etapa, formulamos qué y por qué queremos obtener, así como las condiciones de contorno que queremos observar.

Ni siquiera tocaré los rastreadores GPS, el funcionamiento del módulo GPS, el tiempo que lleva ingresar al modo de captura de coordenadas, etc. - las cosas son bastante complicadas y dependen de mucho (solo notaré que cualquier módulo GPS mínimamente moderno tiene al menos cuatro modos de funcionamiento, con un consumo de 20-30 mA, 2-3 mA, 200-300 μA y <10 μA, sin contar el total paradas).

Tomemos una cosa más simple: un acelerómetro. Por ejemplo, aquí hay tres tareas completamente reales que se resolvieron en el acelerómetro ST LIS3DH MEMS barato:

• sensor de ángulo de inclinación: seguimiento del ángulo de inclinación de la columna de iluminación
• actividad física y sensor de caída: rastrea los hechos de la caída libre, así como evalúa la actividad física del transportista
• sensor de vibraciones - seguimiento del espectro de vibraciones 0.1 ... 100 Hz

En los tres casos: dispositivos alimentados por batería que queremos optimizar para el consumo de energía.

Nos fijamos en la hoja de datos del acelerómetro:

• sueño - 0.5 μA
• 1 Hz - 2 μA
• 25 Hz - 6 μA
• 1344 Hz - 185 μA

Obviamente, nuestras tres tareas requerirán tres modos operativos diferentes: en el primero, incluso 1 Hz es extremadamente redundante para una columna, la columna generalmente no tiene prisa y el equipo de reparación no tiene prisa, especialmente. En el segundo, el modo con una velocidad del orden de 25 Hz es bastante adecuado, y en el tercero, obviamente sería bueno tener un exceso de 10 veces de la frecuencia de muestreo sobre la frecuencia de la señal medida.

Además, en el caso de una columna, 1 Hz es tan excesivo que la interrogación manual del acelerómetro es generalmente la opción más efectiva. Supongamos que nuestro microcontrolador se despierta para una encuesta de este tipo una vez cada 15 minutos (acordamos con el cliente, está satisfecho con tal demora en la información sobre la columna a punto de caer; el equipo llegará allí en poco tiempo antes de dos horas más tarde), todo el procedimiento dura 100 ms, y el controlador al mismo tiempo, consume 5 mA: el consumo de energía promedio del modo activo del controlador resulta ser 5 * 0.1 / 15/60 = 0.55 μA, que en combinación con 0.5 μA del acelerómetro de reposo es aproximadamente dos veces más rentable que la trilla del acelerómetro en 1 Hz y controlador de vigilia solo si se supera el umbral.

De hecho, lo que estoy describiendo ahora es esencialmente la tercera etapa en la metodología del enfoque de desarrollo; ahora tiene la intención de ilustrar cuán importante es establecer la tarea por adelantado.

¿Haces un rastreador GPS? Genial ¿Lo estás haciendo por quién? ¿Para un peatón, en quien debería estar acostado en su bolsillo, pesar 50 gy vivir con la batería por un día? Para un vagón de ferrocarril, ¿dónde debería vivir durante cinco años, pero al menos cinco kilogramos? Para una vaca de pastoreo libre, en la que ha estado viviendo con una batería durante los mismos cinco años (porque la vaca ya no vive), pero ¿debería pesar un máximo de 35 g, porque está unida a su oreja?

Todas estas son tareas completamente diferentes.

Y establezca claramente lo que está haciendo y cuáles son las condiciones de contorno, si cae en la tarea que puede considerarse resuelta, es necesario de antemano.

En realidad, ya en esta etapa, la mayoría de los proyectos de bricolaje tienen un agujero negro: el autor hace algo completamente poco claro por qué. A veces, escribe honestamente "para practicar la soldadura", pero a menudo varios abstractos, sin TK, siempre serán abstractos, cosas como "lograr el consumo mínimo de energía del procesador al anotar todo lo demás para el consumo de energía" resultan ser un fin en sí mismos.

Tome el mismo artículo mencionado anteriormente: el autor del dispositivo está persiguiendo unidades de microamperios de consumo, cambiando la potencia del acelerómetro (menos de 2 μA en hibernación) y GPS (7-8 μA en modo de batería de respaldo) con transistores separados. ¿Es realmente necesario? Aquí frente a mí, ahora mismo, se encuentra el módulo electrónico para el "casco inteligente" (también tiene un rastreador GPS), tiene el tiempo de operación requerido con una sola carga con un margen obtenido con un consumo hospitalario promedio de 5 mA ( miliamperios ), ¿realmente cree que más o menos una docena de microamperios aquí ¿importa? Y si no es así, ¿por qué poner detalles adicionales en una tabla ya bastante ajustada?

2) Selección de componentes

Una vez que haya decidido las condiciones límite, comienza la segunda etapa, en la que elige de qué va a hacer su dispositivo.

La tarea, de hecho, no es muy simple, porque Cada componente tiene un montón de parámetros, como:

• parámetros eléctricos
• espacio de tablero
• complejidad y costo de instalación
• costo del componente
• disponibilidad en venta

Incluso tomamos las mismas tareas con el acelerómetro: bueno, está bien, en un casco inteligente definitivamente estará satisfecho con LIS3DH por medio dólar, las bobinas de Kompel. ¿Y en la medida de la desviación de la columna? ¿Y con qué precisión quiere el cliente medir esta desviación? ¿Aún más barato LIS3DH de 12 bits, LIS2HH de 16 bits un poco más caro o ADXL355 de gama alta que cuesta cincuenta dólares y con entrega durante dos semanas? Aquí volvemos a las condiciones de contorno del párrafo 1 y comenzamos a contar, contar, contar.

Y era solo un acelerómetro. E imagine qué tipo de variedad está sucediendo en el mercado, por ejemplo, las pantallas. Está claro que todo el mundo ama WH1602 (aunque yo personalmente amo WEH001602 más), pero de inmediato responderá qué poner en un medidor de agua que tiene 6-8 años funcionando con una batería, mientras muestra continuamente metros cúbicos.

En realidad, cada componente en el circuito debe estar justificado: el desarrollador debe comprender por qué el componente es exactamente el mismo o comprender que en este caso no importa cuál (bueno, por ejemplo, las resistencias generalmente están más o menos instaladas de todos modos, aunque Hay matices).

Y todo esto está interconectado. Por ejemplo, la misma opción de batería: LiMnO ₂ con un voltaje de 2.0 ... 3.0 V, LiSOCl ₂ con un voltaje de 2.4 ... 3.6 V o una batería generalmente recargable con su 3.0 ... 4 , 2 V? ¿Y componentes de lo que puede funcionar de usted? ¿Y de qué trabajarán más eficientemente o más económicamente? ¿La carga seleccionada atraerá corrientes máximas? Y si es LiSOCl ₂ , entonces, teniendo en cuenta la pasivación, ¿seguirá tirando? ¿Desea poner DC / DC boost, y cuando no, apagarlo? ¿El chip de desconexión de carga seleccionado sabe cómo, o se apaga? ¿Detiene el PWM, pero la entrada sale en la salida? ¿Existe el peligro de sobrecalentamiento, de lo contrario tal vez debería ir a LiFeS _{2 de} 1.5 voltios en general, que no tienen autoaceleración térmica?

Y así, en un círculo varias veces: el cambio de un componente atrae a otros, a otros ...

¿Crees que los mismos módulos GPS son todos iguales? En mi "casco inteligente", dentro del marco de las dimensiones acordadas con el cliente y dentro del marco de los requisitos de batería disponibles comercialmente y que satisfacen, los componentes deberán colocarse en el lado del tablero adyacente a la caja, y por lo tanto, hay algo sobre el límite de altura para estos componentes 1,5 mm. Ahora tome el módulo GPS más cercano y mida cuánto tiene la altura del cuerpo.

Si Exactamente Bueno, puede conciliar las dimensiones y hacer que la caja sea 1 mm más gruesa, o puede cambiar el Quectel L76 habitual al nuevo EVA M8M con sus 7 × 7 × 1.1 mm.

¿Qué vemos en el artículo anterior? El autor no sabe por qué está haciendo el rastreador GPS, por lo tanto, coloca el primer módulo GPS en él, sobre el cual no conoce los modos de funcionamiento y no quiere saberlo en particular, y por lo tanto, en aras del ahorro de energía (que tampoco está muy claro por qué) le corta toda la comida.

Es decir: el fracaso en la formación de la tarea conduce al fracaso en la elección de los componentes.

3) Producción de un producto prototipo

Bueno, probablemente no haya mucho para detenerse aquí: después de elegir los componentes, se realiza el circuito final, se ensambla la placa, se ensamblan los prototipos. Con esto, el bricolaje suele ser más o menos bueno, y el hecho de que la cinta eléctrica azul y los cables multicolores se reemplacen gradualmente por tableros personalizados es bienvenida.

4) Optimización de los modos de funcionamiento de los componentes.

A pesar de todos sus esfuerzos, los pasos anteriores dejarán puntos blancos separados: en muchos casos, siempre tendrá espacio para ajustar el funcionamiento de los componentes (el GPS es, por cierto, un buen ejemplo aquí; puede jugar con ellos durante mucho tiempo para configurar los modos de inactividad para minimizar el consumo de energía y garantizar precisión especificada de las coordenadas). Es difícil o imposible descubrir muchos matices por hojas de datos: los fabricantes a menudo no especifican datos o relaciones demasiado detalladas entre diferentes parámetros.

Por lo tanto, después de la fabricación del prototipo, que, según sus estimaciones preliminares, debe cumplir con los requisitos de TK, comienza la etapa de optimización .

Hay, por ejemplo, un ejemplo clásico: el consumo de energía del procesador en función de su velocidad. Sí, cuanto más megahercios, más miliamperios. ¡Pero cuanto más rápido el procesador completará la tarea y volverá a dormir! Pero al mismo tiempo, la tarea puede depender parcialmente de la velocidad de las interfaces externas que funcionan igual en 1 MHz o 64 MHz. En este caso, la salida del procesador a 64 MHz puede tomar más tiempo que su salida a 4 MHz (iniciar y estabilizar el resonador de cuarzo, iniciar y estabilizar el PLL, reconfigurar los modos de reloj) y, como resultado, de encendido a apagado, la misma tarea en el primer caso comer más microamperios-segundos que en el segundo!

Aquí, por supuesto, a menudo no es necesario dejarse llevar demasiado: si usted con un buen margen cae en las condiciones límite de TK, entonces tiene poco sentido dedicar tiempo a la optimización; bueno, como en el mencionado "casco inteligente", que con un consumo promedio de 5 mA ahorra unidades e incluso decenas de microamperios, simplemente no tiene sentido, esto es un error, no un ahorro.

En la misma etapa, se pueden verificar varios supuestos, por ejemplo, el autor de un artículo sobre un rastreador GPS sugirió que los dispositivos con alto consumo serán más económicos si se les suministra menos voltaje. En la práctica, este no es siempre el caso: si el módulo incluye un convertidor de pulso, en cualquier caso consume energía constante, lo que significa que cuando el voltaje disminuye, aumentará el consumo de corriente.

Como resultado, el consumo total del circuito, en el que se agrega un convertidor reductor más, y también el circuito de igualación de nivel, solo aumentará.

5) Prueba experimental de la solución óptima al problema.

La última etapa (que, sin embargo, puede realizarse parcialmente en el penúltimo) es una prueba experimental de que el dispositivo está hecho de manera correcta y óptima.

En primer lugar, vale la pena echarle un vistazo nuevamente, si se descubrieron detalles innecesarios durante el proceso de creación de prototipos y depuración. El exceso de ingeniería, en el que el dispositivo tiene un exceso excesivo, generalmente es bastante típico para proyectos de bricolaje: tome, por ejemplo, un artículo reciente sobre un interruptor táctil , el autor del cual, con un microcontrolador potente a mano, hizo sensores táctiles en chips separados, y luego aún no pudo sostenerlo El consumo de energía del producto resultante es aceptable. Bueno, o la creencia entre los arduinistas , que para "protección contra la interferencia", la salida del microcontrolador y la puerta del transistor que controla el relé deben estar separadas por un optoacoplador.

Sin embargo, en estos casos, un examen crítico de sus proyectos no ayudaría a los autores de ninguna manera: obviamente tienen una aguda falta de conocimiento básico que les permite resolver el problema de una manera óptima, en lugar de atornillar componentes adicionales con una funcionalidad que no es muy clara para ellos. Sin embargo, echar un vistazo al circuito y pensar si algo resultó no ser muy necesario al final, las señales, las pistas, los componentes, valen la pena.

En segundo lugar, es necesario comprender si el dispositivo realmente cumple con las condiciones límite de los requisitos técnicos, y si no, o incluso si sus parámetros simplemente no se ajustan a sus ideas sobre lo que deberían ser, entonces por qué (sí, destaqué especialmente en negrita: sin valor a un desarrollador que, después de haber recibido un consumo de energía de 40 μA en lugar de los estimados 5-10 μA, no puede explicar por qué).

No hay casos "bueno, todos entienden que 10 microA están escritos en la hoja de datos, pero en realidad, menos de 100 microA no funcionarán" en la naturaleza . O un error completamente específico en la hoja de datos, por ejemplo, el dedo del pie no se imprimió o no comprende algo. Para ser honesto, la probabilidad de que encuentre un error de este tipo es bastante pequeña en la actividad profesional y prácticamente igual a cero en los proyectos de bricolaje, este es un caso para muchos miles de componentes y, como regla, en algunos modos exóticos de su trabajo, por lo tanto, si Los parámetros de su dispositivo de manera fuerte y objetiva no coinciden con lo que contaba con una servilleta en una hoja de datos, lo que significa que no comprende algo.

Vi muchos ejemplos de esto en el mismo tema de consumo de energía: entradas digitales que quedan en el aire, periféricos de procesador desconectados, potencias olvidadas ... Pero no recuerdo un solo caso cuando al final resultó que "en realidad, realmente no funcionará ", Y el consumo no hubiera sido posible para llevar a uno calculado, o para corregir los cálculos teniendo en cuenta explícitamente indicado en las hojas de datos, pero por error no tenido en cuenta factores anteriores.

El estudio de tales problemas generalmente no es trivial, pero es necesario. Si sus cálculos no coinciden con sus mediciones, significa que se equivocó en uno u otro, y los errores deben corregirse.

Entonces, ¿sobre qué artículos escribir?

Bueno, en conclusión, sobre qué escribir en Habr para que no tenga quejas de profesionales, a quienes consideramos una parte importante de la audiencia.

De hecho, esos artículos sobre diseño electrónico que veo regularmente pertenecen a uno de los grupos:

• información basura duplicando la primera página de Google
• biografía "cómo pasé el fin de semana"
• una guía sobre cómo hacer algún tipo de dispositivo
• análisis de sutilezas que no son obvias para la mayoría

Un buen ejemplo de esto último es, por ejemplo, el último artículo sobre Bandas de bits de hardware CortexM3 / M4 . El contenido de tales artículos no es necesariamente un descubrimiento científico, pero en cualquier caso, un análisis suficientemente detallado de información desconocida para la mayoría de las personas para uso práctico. Dichos artículos son de complejidad y especificidad variables, pero todos están unidos por el hecho de que usted habría desenterrado información de ellos, por supuesto, tarde o temprano, pero pasó el tiempo que excedió en gran medida el tiempo de lectura del artículo.

Lo opuesto a ellos son los artículos "cómo parpadear un LED con un multivibrador". No es que contuvieran información incorrecta o innecesaria, pero si se puede obtener la misma información de casi cualquier enlace de la primera página de búsqueda de Google para la solicitud correspondiente, entonces el valor de dicho artículo es generalmente cero. Esto es basura, artículo por el bien del artículo.

Sin embargo, es posible que los artículos sean útiles, pero que no contengan información fundamentalmente nueva; estas son pautas sobre cómo crear algún tipo de dispositivo basado en la experiencia personal del autor. Como regla, estas son cosas relativamente simples (complejas, que atraviesan la ruta de diseño completa descrita anteriormente, aparecen en forma de artículos "cómo lo hicimos" y, de hecho, caen rápidamente en una lista de sutilezas que han surgido en el proceso y entran en la categoría correspondiente), y la información que dado en los artículos es necesario y suficiente para la repetición independiente y el desarrollo posterior por parte de los lectores del dispositivo. Estos son esquemas, firmware, explicaciones de por qué el dispositivo está hecho así y cómo se puede hacer.

Finalmente, un artículo biográfico, y el botón táctil y el rastreador GPS caen en esta categoría de los mencionados anteriormente, el género más misterioso para mí. Sus autores escriben muchas cartas, a veces muchísimas, acompañadas abundantemente de imágenes, pero un extraño no puede extraer nada útil de ellas . Los autores no justifican las decisiones que eligen, a menudo no indican por qué están haciendo esto, a menudo no presentan los esquemas conceptuales o los códigos fuente del firmware, no solo en su totalidad, sino al menos en partes significativas, y no indican ningún problema específico. surgido en el proceso y que puede ser interesante para otros ("al principio no sabía cómo soldar componentes SMD, pero aprendí con el tiempo" no es un problema que sea interesante para otros).

Aunque dicho artículo parece superficialmente un trabajo técnico profundo, en realidad es un ensayo escolar "Cómo pasé el verano", sin interés para nadie, excepto para el propio autor.

Evita esto si es posible.

PD: Debido a que debe haber algunas ilustraciones en el artículo, daré un ejemplo para el que a la gente no le gusta afirmar que la imagen de Fritzing es un circuito eléctrico completo:



intente comprender lo que sucede en esta figura.