سأقول كلمة عن النهج الهندسي

مرحبا يا هبر.

في مساء يوم الأحد المريح هذا ، أود أن أتحدث عن موضوعين ، مترابطان جزئياً - حول كيف وكيف يبدو النهج الهندسي في تطوير الإلكترونيات ، وكيف ولماذا لكتابة مقالات عن هذه الإلكترونيات على هبر حتى تكون ممتعة ومفهومة للجميع.

العبارة في مقالة اليوم قادتني إلى هذه الفكرة: "تحت الخفض هو خنفساء متعددة ، لكنها ستكون هندسية" ؛ لسوء الحظ ، لم يكن هناك أي هندسة تحت الإنشاء ، ولكن بشكل عام في نسبة كبيرة جدًا من المقالات حول موضوع "كيف صنعت الجهاز" التي نُشرت مؤخرًا على حبري ، لا يوجد شيء هندسي.

لماذا؟

لأن أي مهندس - مثل المبرمج والطبيب والمحامي وأي مهني بشكل عام - لديه منهجية عمل أساسية ، وبدون ذلك يتحول النشاط من محترف إلى إلقاء غير منتظم. بتعبير أدق ، ليست حتى منهجية - يمكننا أن نعزو adzhayl ، TRIZ إلى المنهجية ، وهذا كل شيء ، لكل منها الخاصة به - ولكن استراتيجية الخام التي يمكن تدوينها في بضع خطوات.

فماذا ينطبق هذا على الالكترونيات؟

1) تشكيل المهمة - أو ، رسميًا ، بيان المهمة الفنية.

في المرحلة الأولى ، نقوم بصياغة ما ولماذا نريد الحصول عليه على الإطلاق ، وكذلك الظروف الحدودية التي نريد مراعاتها.

لن أتطرق حتى إلى متتبعات GPS ، وتشغيل وحدة GPS ، والوقت المستغرق لدخول وضع التقاط الإحداثيات ، إلخ. - الأمور معقدة للغاية وتعتمد على الكثير (سألاحظ فقط أن أي وحدة GPS حديثة الحد الأدنى بها أربعة أوضاع تشغيل على الأقل ، باستهلاك 20-30 مللي أمبير ، 2-3 مللي أمبير ، 200-300 أمبير و <10 ميكروليتر ، دون احتساب القيمة الكاملة إيقاف).

لنأخذ شيئًا أبسط - مقياس التسارع. على سبيل المثال ، فيما يلي ثلاث مهام حقيقية تمامًا تم حلها باستخدام مقياس التسارع ST LIS3DH MEMS الرخيص:

• مستشعر زاوية الإمالة - تتبع زاوية ميل عمود الإضاءة
• النشاط البدني ومستشعر السقوط - تتبع حقائق السقوط الحر ، وكذلك تقييم النشاط البدني للناقل
• مستشعر الاهتزاز - تتبع طيف الاهتزاز 0.1 ... 100 هرتز

في الحالات الثلاث - الأجهزة التي تعمل بالبطاريات والتي نريد تحسينها لاستهلاك الطاقة.

نحن ننظر إلى ورقة بيانات التسارع:

• النوم - 0.5 μA
• 1 هرتز - 2 أ
• 25 هرتز - 6 أ
• 1344 هرتز - 185 أمبير

من الواضح أن مهامنا الثلاث ستتطلب ثلاثة أوضاع تشغيل مختلفة - في الحالة الأولى ، حتى 1 هرتز تكون زائدة عن الحاجة بالنسبة للعمود ، العمود عادةً ليس في عجلة من أمره ، وفريق الإصلاح ليس في عجلة من أمره ، خاصة. في الحالة الثانية ، يكون الوضع الذي تبلغ سرعته 25 هرتز مناسبًا تمامًا ، وفي الحالة الثالثة ، سيكون من اللطيف وجود فائض 10 أضعاف تردد أخذ العينات على تردد الإشارة المقاسة.

علاوة على ذلك ، في حالة العمود ، يكون 1 هرتز مفرطًا للغاية بحيث يكون الاستجواب اليدوي لمقياس التسارع هو الخيار الأكثر فعالية عمومًا. لنفترض أن متحكمنا يستيقظ لمثل هذا الاستطلاع مرة كل 15 دقيقة (اتفقنا مع العميل ، إنه راض عن مثل هذا التأخير في المعلومات حول العمود على وشك السقوط - سيصل الفريق جميعًا في موعد لا يتجاوز ساعتين لاحقًا) ، ويستغرق الإجراء بأكمله 100 مللي ثانية ، ويتحكم الإجراء بأكمله في نفس الوقت ، يستهلك 5 مللي أمبير - يتضح أن متوسط ​​استهلاك الطاقة في الوضع النشط لوحدة التحكم هو 5 * 0.1 / 15/60 = 0.55 μA ، وهو ما يقترن بـ 0.5 μA من مقياس التسارع أثناء النوم ما يقرب من ضعف ربحية التسارع نفسه بمقدار 1 هرتز والاستيقاظ تحكم فقط إذا تم تجاوز العتبة.

في الواقع ، ما أصفه الآن هو في الأساس المرحلة الثالثة في منهجية نهج التطوير ؛ والآن يهدف إلى توضيح مدى أهمية تعيين المهمة مسبقًا.

هل تجعل تعقب GPS؟ ممتاز. هل تفعل ذلك لمن؟ بالنسبة للمشاة ، الذي يجب أن يكون مستلقياً في جيبه ، يزن 50 غرام ويعيش على البطارية ليوم واحد؟ بالنسبة لعربة السكك الحديدية ، أين يجب أن يعيش لمدة خمس سنوات ، ولكن على الأقل خمسة كيلوغرامات؟ بالنسبة إلى بقرة خالية من الرعي ، كان يعيش عليها ببطارية لمدة خمس سنوات (لأن البقرة لم تعد تعيش) ، لكن هل يجب أن يزن 35 جرامًا كحد أقصى ، لأنها متصلة بأذنها؟

هذه كلها مهام مختلفة تماما.

وضح بوضوح ما تقومون به وما هي الشروط الحدودية ، إذا وقعت في المهمة التي يمكن اعتبار حلها ، فمن الضروري مقدما.

في الواقع ، في هذه المرحلة بالفعل ، تحتوي معظم مشاريع DIY على ثقب أسود: يقوم المؤلف بعمل شيء غير واضح تمامًا. في بعض الأحيان يكتب بصراحة "من أجل التدرب على عملية اللحام" ، ولكن في أغلب الأحيان تكون الأشياء المجردة المتنوعة - بدون المعارف التقليدية - ستكون دائماً مجردة - أشياء مثل "تحقق الحد الأدنى من استهلاك طاقة المعالج بينما تسجل كل شيء آخر لاستهلاك الطاقة" تتحول إلى غاية في حد ذاتها.

خذ نفس المقالة المذكورة أعلاه - مؤلف الجهاز يطارد وحدات من microamps من الاستهلاك ، وتبديل قوة التسارع (أقل من 2 μA في وضع السبات) و GPS (7-8 μA في وضع النسخ الاحتياطي للبطارية) مع الترانزستورات منفصلة. هل هو ضروري حقا؟ هنا أمامي الآن تكمن وحدة الإلكترونيات لـ "خوذة ذكية" (تحتوي أيضًا على متعقب GPS) ، ولديها وقت التشغيل المطلوب مقابل تكلفة واحدة بهامش تم الحصول عليه بمتوسط ​​استهلاك بالمستشفى يبلغ 5 مللي أمبير ( ميلي أمبير) ، هل تعتقد حقًا أن زائد أو ناقص عشرات microamps هنا لا يهم؟ وإذا لم يكن كذلك ، فلماذا يشق التفاصيل الإضافية على لوحة ضيقة بالفعل؟

2) اختيار المكونات

بعد أن تقرر شروط الحدود ، تبدأ المرحلة الثانية ، والتي تختار منها ما ستجعل منه جهازك.

المهمة ، في الواقع ، ليست بسيطة للغاية ، لأنه يحتوي كل مكون على مجموعة من المعلمات ، مثل:

• المعلمات الكهربائية
• مساحة اللوحة
• تعقيد وتكلفة التثبيت
• تكلفة المكون
• توافر للبيع

إننا نأخذ نفس المهام باستخدام مقياس التسارع - حسنًا ، حسنًا ، في خوذة ذكية ستكون بالتأكيد راضيًا عن LIS3DH مقابل نصف دولار ، الملف في Kompel. وعلى قياس انحراف العمود؟ وبأي دقة يريد العميل قياس هذا الانحراف؟ لا يزال أرخص LIS3DH 12 بت ، LIS2HH 16 بت أكثر تكلفة قليلا أو بالفعل ADXL355 الراقية تكلف خمسين دولارا وتسليم أسبوعين؟ هنا نعود إلى الشروط الحدودية للفقرة 1 ونبدأ في العد ، العد ، العد.

وكان مجرد التسارع. وتخيل نوع التنوع الذي يحدث في السوق ، على سبيل المثال ، الشاشات. من الواضح أن كل شخص يحب WH1602 (على الرغم من أنني شخصياً أحب WEH001602 أكثر) ، ولكن على الفور سوف تجيب على ما يجب وضعه في بعض عدادات المياه التي تتراوح مدتها بين 6 و 8 سنوات على بطارية واحدة ، مع عرض متر مكعب باستمرار؟

في الواقع ، يجب أن يكون كل مكون في الدائرة مبررًا - يجب أن يكون لدى المطور فهمًا لماذا يكون المكون هو نفسه تمامًا ، أو فهم أنه في هذه الحالة لا يهم أي عنصر (جيدًا ، على سبيل المثال ، عادة ما تكون المقاومات هي نفسها بشكل أو بآخر على أي حال ، على الرغم من هناك فروق دقيقة).

وكل هذا مترابط. على سبيل المثال ، الخيار نفسه للبطارية - LiMnO ₂ بجهد 2.0 ... 3.0 فولت ، LiSOCl ₂ بجهد 2.4 ... 3.6 فولت أو بطارية قابلة لإعادة الشحن بشكل عام مع 3.0 ... 4 ، 2 الخامس؟ ومكونات ما يمكن أن تعمل من أنت؟ ومن ماذا سيعملون بكفاءة أو أكثر اقتصاديًا؟ هل سيسحب الحمل المحدد تيارات الذروة؟ وإذا كان LiSOCl ₂ ، إذن ، مع الأخذ في الاعتبار التخميل ، هل ما زال يسحب؟ هل ترغب في وضع دفعة DC / DC ، وعندما لا ، إيقاف تشغيله؟ هل تعرف رقاقة قطع الاتصال المحددة كيف يتم إيقافها ، أم أنها تتوقف - هل تتوقف عن PWM ، ولكن هل تتحول المدخلات عند الإخراج؟ هل هناك خطر من ارتفاع درجة الحرارة ، وإلا ربما يجب عليك الذهاب إلى 1.5 فولت LiFeS ₂ بشكل عام ، والتي ليس لديها تسارع حراري ذاتي؟

وهكذا في دائرة عدة مرات - تغيير عنصر واحد يسحب الآخرين ، والبعض الآخر ...

هل تعتقد أن وحدات GPS نفسها - هل هي متشابهة؟ في "الخوذة الذكية" الخاصة بي ، في إطار الأبعاد المتفق عليها مع العميل وفي إطار متطلبات البطارية المتاحة تجارياً والمرضية ، يجب وضع المكونات على جانب اللوحة المجاورة لهذه القضية ، وبالتالي هناك شيء حول الحد الأقصى لارتفاع هذه المكونات 1.5 مم. التقط الآن أقرب وحدة GPS وقم بقياس مقدار ارتفاع الجسم.

نعم. بالضبط. حسنًا ، يمكنك التوفيق بين الأبعاد وجعل سماكة العلبة 1 مم ، أو يمكنك تغيير Quectel L76 المعتاد إلى EVA M8M الجديدة مع 7 × 7 × 1.1 مم.

ماذا نرى في المقالة أعلاه؟ لا يعرف المؤلف سبب قيامه بتتبع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، وبالتالي يضع أول وحدة GPS فيه ، وهو لا يعرف أوضاع التشغيل الخاصة به ولا يريد أن يكتشفها بشكل خاص ، وبالتالي من أجل توفير الطاقة (ليس من الواضح جدًا سبب ذلك) يقطع له كل الطعام.

هذا هو - الفشل في تشكيل المهمة يؤدي إلى الفشل في اختيار المكونات.

3) إنتاج منتج النموذج

حسنًا ، من المحتمل ألا يتوقف الكثير هنا - بعد اختيار المكونات ، يتم تصنيع الدائرة النهائية ، والوحة ، ويتم تجميع النماذج الأولية. مع هذا ، عادة ما تكون DIY مفيدة بشكل جيد أو أقل ، وحقيقة أن الشريط الكهربائي الأزرق والأسلاك متعددة الألوان يتم استبدالها تدريجياً بلوحات مخصصة أمر مرحب به.

4) تحسين أوضاع تشغيل المكونات

على الرغم من كل ما تبذلونه من جهود ، ستترك الخطوات السابقة نقاطًا بيضاء منفصلة - في كثير من الحالات ، سيكون لديك دائمًا مجال لضبط تشغيل المكونات (يمثل GPS ، على سبيل المثال ، مثالًا جيدًا هنا - يمكنك اللعب معهم لفترة طويلة لتعيين أوضاع عدم النشاط من أجل تقليل استهلاك الطاقة مع ضمان دقة الإحداثيات المحددة). من الصعب أو المستحيل العثور على العديد من الفروق الدقيقة في أوراق البيانات - فغالبًا ما لا تحدد الشركات المصنعة بيانات أو علاقات مفصلة للغاية بين المعلمات المختلفة.

لذلك ، بعد تصنيع النموذج الأولي ، والذي وفقًا لتقديراتك الأولية ، يجب أن يندرج ضمن متطلبات المعارف التقليدية ، تبدأ مرحلة التحسين .

على سبيل المثال ، هناك مثال كلاسيكي - استهلاك طاقة المعالج كدالة لسرعته. نعم ، كلما زاد عدد الميغاهرتز - زاد عدد الملليمات. ولكن كلما أكمل المعالج المهمة وأذهب مرة أخرى إلى النوم! ولكن في الوقت نفسه ، قد تعتمد المهمة جزئيًا على سرعة الواجهات الخارجية التي تعمل بنفس الطريقة على MHz 1 أو 64 MHz. في هذه الحالة ، قد يستغرق إخراج المعالج بسرعة 64 ميجاهرتز وقتًا أطول من خرجه عند 4 ميجاهرتز (بدء تشغيل مرنان الكوارتز وتثبيته ، وبدء استقرار PLL وتثبيته ، وإعادة تكوين أوضاع الساعة) ، وبالتالي ، من نفس المهمة إلى الحالة الأولى في الحالة الأولى أكل أكثر من microamps ثانية مما كانت عليه في الثانية!

هنا ، بالطبع ، لا يحتاج المرء في كثير من الأحيان إلى الابتعاد - إذا كنت تتمتع بهامش جيد في الظروف الحدودية للمعارف التقليدية ، فمن المنطقي أن تقضي وقتًا في التحسين ؛ حسنًا ، كما هو الحال في تلك "الخوذة الذكية" المذكورة أعلاه ، والتي مع متوسط ​​استهلاك قدره 5 مللي أمبير يوفر الوحدات وحتى العشرات من microamps ، ببساطة لا معنى له ، وهذا خطأ وليس توفيرًا.

في نفس المرحلة ، يمكن التحقق من الافتراضات المختلفة - على سبيل المثال ، اقترح مؤلف مقالة حول تعقب GPS أن الأجهزة ذات الاستهلاك العالي ستكون أكثر اقتصادا إذا تم تزويدها بجهد منخفض. في الممارسة العملية ، ليست هذه هي الحالة دائمًا - إذا كانت الوحدة تحتوي على محول نبض ، في أي حال تستهلك طاقة ثابتة ، مما يعني أنه عندما ينخفض ​​الجهد الكهربائي ، فإنه سيزيد من الاستهلاك الحالي.

ونتيجة لذلك ، فإن الاستهلاك الكلي للدائرة ، حيث يتم إضافة محول تنحي واحد إضافي ، وكذلك دائرة مطابقة المستوى ، سيزداد فقط.

5) دليل تجريبي على الحل الأمثل لهذه المشكلة

المرحلة الأخيرة (والتي ، على الرغم من ذلك ، يمكن تنفيذها جزئيًا على المرحلة ما قبل الأخيرة) هي دليل تجريبي على أن الجهاز تم تصنيعه بشكل صحيح وعلى النحو الأمثل.

أولاً ، من المفيد إلقاء نظرة مرة أخرى - إذا تم اكتشاف أي تفاصيل غير ضرورية أثناء عملية النماذج الأولية وتصحيح الأخطاء. تعد الهندسة الزائدة ، التي يحصل فيها الجهاز على الكثير من الفائض ، نموذجيًا بشكل عام بالنسبة لمشاريع DIY - خذ على سبيل المثال مقالًا حديثًا حول مفتاح اللمس ، حيث قام المؤلف الذي يمتلك متحكمًا قويًا في متناول اليد ، بعمل مستشعرات تعمل باللمس على شرائح منفصلة ، ثم لا يزال يتعذر عليه استهلاك الطاقة من الناتج بأي طريقة مقبولة. حسنًا ، أو الاعتقاد السائد بين arduinists ، أنه من أجل "الحماية من التداخل" ، يجب فصل مخرج المتحكم الدقيق وبوابة الترانزستور الذي يتحكم في التتابع عن طريق أداة بصرية.

ومع ذلك ، في هذه الحالات ، لن يساعد الفحص النقدي لمشاريعهم المؤلفين بأي شكل من الأشكال - من الواضح أن لديهم نقصًا حادًا في المعرفة الأساسية التي تسمح لهم بحل المشكلة بالطريقة المثلى ، بدلاً من تجميع المكونات الإضافية بوظائف ليست واضحة لهم. ومع ذلك ، أن نلقي نظرة على الدائرة والتفكير في ما إذا كان هناك شيء غير ضروري في النهاية - الإشارات والمسارات والمكونات - تستحق كل هذا العناء.

ثانياً ، من الضروري أن نفهم ما إذا كان الجهاز يلبي حقًا الشروط الحدودية للمتطلبات الفنية ، وإذا لم يكن كذلك ، أو حتى إذا كانت معاييره لا تتناسب مع أفكارك حول ما ينبغي أن يكون ، فلماذا (نعم ، لقد أبرزت بالخط العريض: لا قيمة لها) إلى مطور ، بعد أن تلقى استهلاكًا للطاقة يبلغ 40 μA بدلاً من 5-10 estimatedA ، لا يمكنه توضيح السبب).

لا توجد حالات "حسنًا ، يفهم الجميع أن 10 microA مكتوبة في ورقة البيانات ، لكنها في الواقع لن تنجح في أقل من 100 microA" في الطبيعة . إما أن يكون هناك خطأ محدد تمامًا في ورقة البيانات ، على سبيل المثال ، لم تتم طباعة إصبع القدم ، أو أنك لا تفهم شيئًا. أن نكون صادقين ، فإن احتمال مواجهة مثل هذا الخطأ ضئيل إلى حد ما في النشاط المهني ويساوي من الناحية العملية صفرًا في مشاريع DIY ، وهذه هي حالة واحدة بالنسبة لآلاف المكونات ، وكقاعدة عامة ، في بعض أنماط العمل الغريبة - وبالتالي ، إذا لا تتطابق معلمات جهازك بقوة وموضوعية مع ما قمت بحسابه على منديل في ورقة البيانات ، مما يعني أنك لا تفهم شيئًا ما.

لقد رأيت الكثير من الأمثلة على ذلك في نفس قضية استهلاك الطاقة - المدخلات الرقمية المتبقية في الهواء ، وملحقات المعالج غير الموصول ، وشكا من القوى المنسيّة ... لكنني لا أتذكر حالة واحدة عندما ، في النهاية ، اتضح أنه "في الواقع ، لن ينجح الأمر كثيرًا" "، والاستهلاك لم يكن من الممكن إما أن يؤدي إلى حساب محسوب ، أو لتصحيح الحسابات مع مراعاة صراحة في أوراق البيانات ، ولكن عن طريق الخطأ لا تؤخذ في الاعتبار العوامل السابقة.

عادة ما تكون دراسة مثل هذه القضايا غير تافهة ، لكنها ضرورية. إذا كانت حساباتك لا تتزامن مع قياساتك ، فهذا يعني أنك كنت مخطئًا في أحدهما أو آخر ، ويجب تصحيح الأخطاء.

فما هي المقالات التي تكتب عنها؟

حسنًا ، في الختام - حول ما يجب أن تكتبه عن هبر بحيث لا يكون لديك أي شكاوى من المهنيين الذين نعتبرهم جزءًا مهمًا من الجمهور.

في الواقع ، تلك المقالات حول تصميم الإلكترونيات التي أراها تندرج بانتظام في واحدة من المجموعات:

• المعلومات القمامة مكررة الصفحة الأولى من جوجل
• سيرة "كيف قضيت عطلة نهاية الأسبوع"
• دليل حول كيفية جعل نفسك نوعا من الجهاز
• تحليل الدقيقة التي ليست واضحة لمعظم

مثال جيد على هذا الأخير هو ، على سبيل المثال ، أحدث مقالة حول الأجهزة بت النطاقات CortexM3 / M4 . إن محتوى هذه المقالات ليس بالضرورة اكتشافًا علميًا ، ولكنه على أي حال تحليل مفصل بما فيه الكفاية للمعلومات غير المعروفة لمعظم الناس للاستخدام العملي. هذه المقالات متفاوتة التعقيد وخصوصية متفاوتة ، لكنهم متحدون جميعًا بحقيقة أنك كنت قد استخرجت منهم معلومات من نفسك ، بالطبع ، عاجلاً أم آجلاً ، لكنهم قضوا الوقت الذي تجاوز وقت قراءة المقال بشكل كبير.

المقاطع المقابل لها هو مقالات "كيفية وميض مؤشر LED باستخدام هزاز متعدد". لا يتعلق الأمر باحتوائها على معلومات غير صحيحة أو غير ضرورية ، ولكن إذا أمكن الحصول على جميع المعلومات نفسها من أي رابط تقريبًا من الصفحة الأولى من بحث Google عن الطلب المقابل ، فقيمة هذه المقالة تكون عمومًا صفرية. هذا هو القمامة ، من أجل المادة.

ومع ذلك ، من الممكن أن تكون المقالات مفيدة ، ولكنها لا تحتوي على معلومات جديدة بشكل أساسي - فهذه إرشادات حول كيفية جعل نفسك نوعًا من الجهاز استنادًا إلى التجربة الشخصية للمؤلف. وكقاعدة عامة ، فإن هذه الأشياء غير معقدة نسبيًا (معقدة ، تمر بكامل مسار التصميم الموضح أعلاه ، وتظهر في شكل مقالات "كيف فعلنا" ، وسرعان ما تندرج في قائمة التفاصيل الدقيقة التي نشأت أثناء العملية وتندرج ضمن الفئة ذات الصلة) ، والمعلومات التي الواردة في المقالات ضرورية وكافية للتكرار المستقل ومزيد من التطوير من قِبل قارئات الجهاز. هذه هي المخططات والبرامج الثابتة وتفسيرات لماذا يصنع الجهاز بنفس الطريقة وكيف يمكن صنعه على الإطلاق.

أخيرًا ، تندرج مقالة السيرة الذاتية - وزر اللمس وجهاز تعقب GPS ضمن هذه الفئة من المذكورة أعلاه - وهو النوع الأكثر غموضًا بالنسبة لي. يكتب مؤلفوهم الكثير - وأحيانًا كثيرة - رسائل ، مصحوبة بكثرة بالصور ، لكن لا يمكن لأي شخص خارجي استخراج أي شيء مفيد منها . لا يبرر المؤلفون القرارات التي يختارونها ، وغالبًا لا يشيرون إلى سبب قيامهم بذلك ، وغالبًا لا يقدمون المخططات المفاهيمية أو أكواد مصدر البرامج الثابتة ، ليس فقط بكاملها ، ولكن على الأقل في أجزاء كبيرة ، ولا يشيرون إلى أي مشاكل محددة ، الناشئة في هذه العملية والتي قد تكون مثيرة للاهتمام للآخرين ("في البداية لم أكن أعرف كيفية لحام مكونات SMD ، لكنني تعلمت مع مرور الوقت" ليست مشكلة مثيرة للاهتمام للآخرين).

على الرغم من أن مثل هذا المقال يبدو سطحيًا عملاً تقنيًا عميقًا ، إلا أنه في الحقيقة مقال مدرسي "كيف أقضي الصيف" ، غير مهتم لأي شخص باستثناء المؤلف نفسه.

.

PS - , , , , Fritzing — :



, .