Ich werde ein Wort über den technischen Ansatz sagen

Hallo Habr.

An diesem entspannten Sonntagabend möchte ich über zwei Themen sprechen, die teilweise miteinander zusammenhängen - darüber, wie und wie der technische Ansatz bei der Entwicklung der Elektronik aussieht und wie und warum Artikel über diese Elektronik auf Habr geschrieben werden, damit sie angenehm und verständlich sind an alle.

Der Satz im heutigen Artikel führte mich zu dieser Idee: "Unter dem Schnitt ist Multi-Käfer, aber es wird Technik sein"; Leider gab es nicht nur kein Engineering unter dem Schnitt, sondern im Allgemeinen gibt es in einem sehr großen Prozentsatz von Artikeln zum Thema „Wie ich das Gerät hergestellt habe“, die kürzlich auf Habré veröffentlicht wurden, nichts Engineering.

Warum?

Denn jeder Ingenieur - wie ein Programmierer, ein Arzt, ein Anwalt und ein Fachmann im Allgemeinen - verfügt über eine grundlegende Arbeitsmethode, ohne die die Tätigkeit eines Fachmanns zu unsystematischem Werfen wird. Genauer gesagt handelt es sich nicht einmal um eine Methodik - wir können der Methodik adzhayl, TRIZ zuordnen, und das ist alles, jede hat ihre eigene -, sondern um eine grobe Strategie, die in wenigen Schritten geschrieben werden kann.

Was gilt das für die Elektronik?

1) Aufstellung der Aufgabe - oder formell Aussage der technischen Aufgabe.

In der ersten Phase formulieren wir, was und warum wir überhaupt bekommen wollen, sowie die Randbedingungen, die wir beobachten wollen.

Ich werde nicht einmal die GPS-Tracker, die Bedienung des GPS-Moduls, die Zeit zum Aufrufen des Koordinatenerfassungsmodus usw. berühren. - Die Dinge sind ziemlich komplex und hängen von vielem ab (ich stelle nur fest, dass jedes minimal moderne GPS-Modul mindestens vier Betriebsmodi mit einem Verbrauch von 20-30 mA, 2-3 mA, 200-300 μA und <10 μA hat, wobei nicht die volle Leistung berücksichtigt wird Abschaltungen).

Nehmen wir eine einfachere Sache - einen Beschleunigungsmesser. Hier sind zum Beispiel drei völlig reale Aufgaben, die mit dem billigen ST LIS3DH MEMS-Beschleunigungsmesser gelöst wurden:

• Neigungswinkelsensor - Verfolgung des Neigungswinkels der Beleuchtungssäule
• Sensor für körperliche Aktivität und Sturz - Verfolgung der Fakten des freien Falls sowie Bewertung der körperlichen Aktivität des Trägers
• Schwingungssensor - Verfolgung des Schwingungsspektrums 0,1 ... 100 Hz

In allen drei Fällen - batteriebetriebene Geräte, die wir für den Energieverbrauch optimieren möchten.

Wir sehen uns das Datenblatt des Beschleunigungsmessers an:

• Schlaf - 0,5 μA
• 1 Hz - 2 μA
• 25 Hz - 6 μA
• 1344 Hz - 185 uA

Offensichtlich erfordern unsere drei Aufgaben drei verschiedene Betriebsarten - in der ersten ist sogar 1 Hz für eine Säule extrem redundant, die Säule hat es normalerweise nicht eilig und das Reparaturteam hat es nicht eilig, insbesondere. Im zweiten Fall ist der Modus mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 25 Hz völlig ausreichend, und im dritten Fall wäre es natürlich schön, einen 10-fachen Überschuss der Abtastfrequenz gegenüber der Frequenz des gemessenen Signals zu haben.

Darüber hinaus ist im Fall einer Säule 1 Hz so übermäßig, dass die manuelle Abfrage des Beschleunigungsmessers im Allgemeinen die effektivste Option ist. Angenommen, unser Mikrocontroller wacht alle 15 Minuten für eine solche Umfrage auf (wir waren uns mit dem Kunden einig, er ist mit einer solchen Verzögerung bei den Informationen über die zu fallende Säule zufrieden - das Team wird alle frühestens zwei Stunden später eintreffen), der gesamte Vorgang dauert 100 ms, und der Controller Gleichzeitig verbraucht es 5 mA - der durchschnittliche Energieverbrauch des aktiven Modus des Reglers beträgt 5 * 0,1 / 15/60 = 0,55 μA, was in Kombination mit 0,5 μA des Schlafbeschleunigungsmessers ungefähr doppelt so rentabel ist wie der Beschleunigungsmesser, der sich selbst um 1 drescht Hz und Wachregler Nur wenn der Schwellenwert überschritten wird.

Tatsächlich ist das, was ich jetzt beschreibe, im Wesentlichen die dritte Stufe in der Methodik des Entwicklungsansatzes. Jetzt soll veranschaulicht werden, wie wichtig es ist, die Aufgabe im Voraus festzulegen.

Machst du einen GPS-Tracker? Großartig. Machst du es für wen? Für einen Fußgänger, in dem er in der Tasche liegen sollte, 50 g wiegen und einen Tag von der Batterie leben? Wo sollte er für einen Eisenbahnwagen fünf Jahre leben, aber mindestens fünf Kilogramm? Für eine frei weidende Kuh, von der er seit fünf Jahren mit einer Batterie lebt (weil die Kuh nicht mehr lebt), aber sollte er maximal 35 g wiegen, weil sie an ihrem Ohr befestigt ist?

Dies sind alles völlig unterschiedliche Aufgaben.

Und geben Sie genau an, was Sie tun und unter welchen Randbedingungen Sie arbeiten. Wenn Sie in eine Situation geraten, in die die Aufgabe als gelöst betrachtet werden kann, ist dies im Voraus erforderlich.

Tatsächlich haben die meisten DIY-Projekte bereits zu diesem Zeitpunkt ein schwarzes Loch: Der Autor tut etwas völlig Unklares, warum. Manchmal schreibt er ehrlich „um das Löten zu üben“, aber meistens erweisen sich verschiedene abstrakte Dinge - ohne TK sind sie immer abstrakt - Dinge wie „um einen minimalen Prozessorstromverbrauch zu erreichen und gleichzeitig alles andere für den Stromverbrauch zu bewerten“ als Selbstzweck.

Nehmen Sie den oben genannten Artikel - der Autor des Geräts jagt Einheiten von Mikroampere des Verbrauchs und schaltet die Leistung des Beschleunigungsmessers (weniger als 2 μA im Ruhezustand) und des GPS (7-8 μA im Batteriesicherungsmodus) mit separaten Transistoren um. Ist es wirklich notwendig? Hier vor mir liegt gerade das Elektronikmodul für den „Smart Helm“ (es hat auch einen GPS-Tracker), es hat die erforderliche Betriebszeit mit einer einzigen Ladung mit einer Marge, die bei einem durchschnittlichen Krankenhausverbrauch von 5 mA ( Milliampere ) erzielt wird. Glauben Sie das wirklich? plus oder minus ein Dutzend Mikroampere hier spielt es eine Rolle? Und wenn nicht, warum dann zusätzliche Details auf ein bereits recht enges Board schieben?

2) Auswahl der Komponenten

Nachdem Sie sich für die Randbedingungen entschieden haben, beginnt die zweite Phase, in der Sie auswählen, woraus Sie Ihr Gerät herstellen möchten.

Die Aufgabe ist in der Tat nicht sehr einfach, weil Jede Komponente verfügt über eine Reihe von Parametern, z.

• elektrische Parameter
• Platz auf dem Brett
• Komplexität und Installationskosten
• Komponentenkosten
• Verfügbarkeit zum Verkauf

Wir übernehmen sogar die gleichen Aufgaben mit dem Beschleunigungsmesser - na gut, in einem intelligenten Helm werden Sie mit LIS3DH für einen halben Dollar, den Spulen in Kompel, definitiv zufrieden sein. Und zur Messung der Abweichung der Säule? Und mit welcher Genauigkeit möchte der Kunde diese Abweichung messen? Immer noch billiger 12-Bit-LIS3DH, etwas teureres 16-Bit-LIS2HH oder bereits Top-End-ADXL355 für fünfzig Dollar und mit Lieferung für zwei Wochen? Hier kehren wir zu den Randbedingungen von Absatz 1 zurück und beginnen zu zählen, zu zählen, zu zählen.

Und es war nur ein Beschleunigungsmesser. Und stellen Sie sich vor, welche Vielfalt auf dem Markt stattfindet, zum Beispiel Bildschirme. Es ist klar, dass jeder WH1602 liebt (obwohl ich WEH001602 persönlich mehr liebe), aber Sie werden sofort antworten, was Sie in einen Wasserzähler stecken sollen, der 6-8 Jahre alt ist und an einer Batterie arbeitet, während er kontinuierlich Kubikmeter anzeigt?

Eigentlich sollte jede Komponente in der Schaltung gerechtfertigt sein - der Entwickler muss entweder verstehen, warum die Komponente genau gleich ist, oder verstehen, dass es in diesem Fall egal ist, welche (zum Beispiel sind Widerstände normalerweise sowieso mehr oder weniger gleich) es gibt Nuancen).

Und das alles ist miteinander verbunden. Zum Beispiel die gleiche Wahl der Batterie - LiMnO ₂ mit einer Spannung von 2,0 ... 3,0 V, LiSOCl ₂ mit einer Spannung von 2,4 ... 3,6 V oder eine allgemein wiederaufladbare Batterie mit 3,0 ... 4 2 V? Und Komponenten von was kann von Ihnen arbeiten? Und von was werden sie effizienter oder wirtschaftlicher arbeiten? Wird die ausgewählte Last Spitzenströme ziehen? Und wenn es sich um LiSOCl _{2 handelt} , wird es dann unter Berücksichtigung der Passivierung immer noch ziehen? Möchten Sie den DC / DC-Boost aktivieren und wenn nicht, ausschalten? Weiß der ausgewählte Lasttrenn-Chip, wie oder schaltet er sich aus - stoppt er die PWM, aber fällt der Eingang am Ausgang aus? Besteht die Gefahr einer Überhitzung, andernfalls sollten Sie im Allgemeinen auf 1,5-Volt-LiFeS ₂ umsteigen, das keine thermische Selbstbeschleunigung aufweist?

Und so mehrmals im Kreis - der Wechsel einer Komponente zieht andere an, andere ...

Denken Sie die gleichen GPS-Module - sind sie alle gleich? In meinem „intelligenten Helm“ müssen die Komponenten im Rahmen der mit dem Kunden vereinbarten Abmessungen und im Rahmen der im Handel erhältlichen und zufriedenstellenden Batterieanforderungen auf der Seite des Boards neben dem Gehäuse platziert werden, und daher gibt es etwas über die Höhenbeschränkung für diese Komponenten 1,5 mm. Nehmen Sie nun das nächste GPS-Modul und messen Sie, wie groß es ist.

Ja. Genau. Nun, Sie können die Abmessungen in Einklang bringen und das Gehäuse 1 mm dicker machen, oder Sie können das übliche Quectel L76 gegen das brandneue EVA M8M mit 7 × 7 × 1,1 mm austauschen .

Was sehen wir im obigen Artikel? Der Autor weiß nicht, warum er den GPS-Tracker herstellt, deshalb setzt er das erste GPS-Modul ein, über das er die Betriebsarten nicht kennt und das er nicht besonders herausfinden möchte, und deshalb aus Gründen der Energieeinsparung (was auch nicht ganz klar ist, warum). schneidet ihm das ganze Essen.

Das heißt - ein Fehler bei der Bildung der Aufgabe führt zu einem Fehler bei der Auswahl der Komponenten.

3) Herstellung eines Prototypprodukts

Nun, hier gibt es wahrscheinlich nicht viel zu stoppen - nach Auswahl der Komponenten wird die endgültige Schaltung hergestellt, die Platine und die Prototypen werden zusammengebaut. Damit ist DIY normalerweise mehr oder weniger gut, und die Tatsache, dass das blaue Isolierband und die mehrfarbigen Drähte nach und nach durch benutzerdefinierte Platinen ersetzt werden, ist willkommen.

4) Optimierung der Betriebsarten der Komponenten

Trotz aller Bemühungen hinterlassen die vorherigen Schritte separate weiße Flecken - in vielen Fällen haben Sie immer Raum für die Feinabstimmung des Betriebs von Komponenten (GPS ist hier übrigens ein gutes Beispiel - Sie können lange mit ihnen spielen, um Inaktivitätsmodi einzustellen, um den Stromverbrauch zu minimieren und gleichzeitig sicherzustellen spezifizierte Genauigkeit der Koordinaten). Es ist entweder schwierig oder unmöglich, anhand von Datenblättern viele Nuancen herauszufinden. Hersteller geben häufig keine zu detaillierten Daten oder Beziehungen zwischen verschiedenen Parametern an.

Daher beginnt nach der Herstellung des Prototyps, der nach Ihren vorläufigen Schätzungen in die Anforderungen von TK fallen sollte, die Phase seiner Optimierung .

Es gibt zum Beispiel ein klassisches Beispiel - den Stromverbrauch des Prozessors als Funktion seiner Geschwindigkeit. Ja, je mehr Megahertz - desto mehr Milliampere. Aber je schneller der Prozessor die Aufgabe erledigt und wieder einschlafen kann! Gleichzeitig kann die Aufgabe teilweise von der Geschwindigkeit externer Schnittstellen abhängen, die auf 1 MHz oder 64 MHz gleich funktionieren. In diesem Fall kann die Ausgabe des Prozessors bei 64 MHz länger dauern als die Ausgabe bei 4 MHz (Starten und Stabilisieren des Quarzresonators, Starten und Stabilisieren der PLL, Neukonfigurieren der Taktmodi) und infolgedessen von Ein zu Aus dieselbe Aufgabe im ersten Fall iss mehr Mikroampere-Sekunden als in der Sekunde!

Hier muss man sich natürlich oft nicht zu sehr mitreißen lassen - wenn man mit einem guten Spielraum in die Randbedingungen von TK fällt, ist es wenig sinnvoll, Zeit für die Optimierung aufzuwenden; Nun, wie bei dem oben erwähnten „intelligenten Helm“, der bei einem durchschnittlichen Verbrauch von 5 mA Einheiten und sogar Dutzende von Mikroampere spart, macht es einfach keinen Sinn, dies ist ein Fehler, keine Ersparnis.

Gleichzeitig können verschiedene Annahmen überprüft werden - beispielsweise schlug der Autor eines Artikels über einen GPS-Tracker vor, dass Geräte mit hohem Verbrauch wirtschaftlicher sind, wenn sie mit niedrigerer Spannung versorgt werden. In der Praxis ist dies nicht immer der Fall - wenn das Modul einen Impulswandler enthält, verbraucht es auf jeden Fall konstante Leistung, was bedeutet, dass bei abnehmender Spannung der Stromverbrauch steigt.

Infolgedessen steigt der Gesamtverbrauch der Schaltung, in der ein weiterer Abwärtswandler hinzugefügt ist, und auch die Pegelanpassungsschaltung nur an.

5) Experimenteller Nachweis der optimalen Lösung des Problems

Die letzte Stufe (die jedoch teilweise auf der vorletzten Stufe durchgeführt werden kann) ist ein experimenteller Beweis dafür, dass das Gerät korrekt und optimal hergestellt wurde.

Zunächst lohnt es sich, noch einmal einen Blick darauf zu werfen, ob beim Prototyping und Debugging unnötige Details entdeckt wurden. Überentwicklung, bei der das Gerät viel Überschuss bekommt, ist im Allgemeinen recht typisch für DIY-Projekte. Nehmen Sie zum Beispiel einen kürzlich erschienenen Artikel über einen Berührungsschalter , dessen Autor mit einem leistungsstarken Mikrocontroller Berührungssensoren auf separaten Chips herstellte und diese dann immer noch nicht halten konnte der Energieverbrauch des resultierenden in keiner Weise akzeptabel. Nun, oder der Glaube unter Arduinisten , dass zum "Schutz vor Interferenzen" der Ausgang des Mikrocontrollers und das Gate des Transistors, der das Relais steuert, durch einen Optokoppler getrennt sein müssen.

In diesen Fällen würde eine kritische Prüfung ihrer Projekte den Autoren jedoch in keiner Weise helfen - sie haben offensichtlich einen akuten Mangel an Grundkenntnissen, der es ihnen ermöglicht, das Problem auf optimale Weise zu lösen, anstatt zusätzliche Komponenten mit Funktionen zu vermasseln, die ihnen nicht sehr klar sind. Trotzdem lohnt es sich, einen Blick auf die Schaltung zu werfen und zu überlegen, ob sich am Ende etwas als nicht sehr notwendig herausgestellt hat - die Signale, Spuren, Komponenten.

Zweitens ist es notwendig zu verstehen, ob das Gerät die Randbedingungen der technischen Anforderungen wirklich erfüllt und wenn nicht, oder ob seine Parameter einfach nicht in Ihre Vorstellungen passen, was sie sein sollten - warum (ja, ich habe es ausdrücklich fett hervorgehoben: wertlos an einen Entwickler, der nach einem Energieverbrauch von 40 μA anstelle der geschätzten 5-10 μA nicht erklären kann, warum).

Es gibt keine Fälle "Nun, jeder versteht, dass 10 MikroA in das Datenblatt geschrieben sind, aber in Wirklichkeit wird es nicht weniger als 100 MikroA" in der Natur funktionieren. Entweder wurde ein ganz spezifischer Fehler im Datenblatt, z. B. der Zeh, nicht gedruckt, oder Sie verstehen etwas nicht. Um ehrlich zu sein, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Sie auf einen solchen Fehler stoßen, in der beruflichen Tätigkeit eher gering und in DIY-Projekten praktisch gleich Null. Dies ist ein Fall für viele tausend Komponenten und in der Regel für einige exotische Arbeitsweisen - daher, wenn Die Parameter Ihres Geräts stimmen stark und objektiv nicht mit dem überein, was Sie auf einer Serviette in einem Datenblatt gezählt haben, was bedeutet, dass Sie etwas nicht verstehen.

Ich habe viele Beispiele dafür in derselben Ausgabe des Energieverbrauchs gesehen - digitale Eingänge in der Luft, ausgesteckte Prozessorperipheriegeräte, vergessene Einschaltvorgänge ... Aber ich erinnere mich nicht an einen einzigen Fall, in dem sich am Ende herausstellte, dass „es in Wirklichkeit nicht wirklich funktioniert ", Und der Verbrauch wäre weder möglich gewesen, um zu einem berechneten zu führen, noch um die Berechnungen unter Berücksichtigung der in den Datenblättern explizit angegebenen Berechnungen zu korrigieren, sondern aus Versehen zuvor nicht berücksichtigte Faktoren.

Das Studium solcher Themen ist normalerweise nicht trivial, aber es ist notwendig. Wenn Ihre Berechnungen nicht mit Ihren Messungen übereinstimmen, bedeutet dies, dass Sie sich in der einen oder anderen geirrt haben und die Fehler korrigiert werden müssen.

Worüber gibt es also Artikel zu schreiben?

Nun, abschließend - darüber, was Sie über Habr schreiben sollen, damit Sie keine Beschwerden von Fachleuten haben, die wir als einen bedeutenden Teil des Publikums betrachten.

Tatsächlich fallen die Artikel über Elektronikdesign, die ich regelmäßig sehe, in eine der Gruppen:

• Informationsmüll, der die erste Seite von Google dupliziert
• Biografie "wie ich das Wochenende verbracht habe"
• eine Anleitung, wie Sie sich eine Art Gerät machen können
• Analyse von Feinheiten, die für die meisten nicht offensichtlich sind

Ein gutes Beispiel für Letzteres ist beispielsweise der neueste Artikel Hardware-Bit-Banding CortexM3 / M4 . Der Inhalt solcher Artikel ist nicht unbedingt eine wissenschaftliche Entdeckung, sondern auf jeden Fall eine ausreichend detaillierte Analyse von Informationen, die den meisten Menschen für den praktischen Gebrauch unbekannt sind. Solche Artikel sind von unterschiedlicher Komplexität und Spezifität, aber sie alle vereinen sich durch die Tatsache, dass Sie früher oder später selbst Informationen aus ihnen ausgegraben hätten, aber die Zeit damit verbracht hätten, die Lesezeit des Artikels weit zu überschreiten.

Das diametrale Gegenteil zu ihnen sind die Artikel „Wie man eine LED mit einem Multivibrator blinkt“. Es ist nicht so, dass sie falsche oder unnötige Informationen enthielten. Wenn jedoch dieselben Informationen über fast jeden Link auf der ersten Seite der Google-Suche nach der entsprechenden Anfrage abgerufen werden können, ist der Wert eines solchen Artikels im Allgemeinen Null. Dies ist Müll, Artikel um des Artikels willen.

Es sind jedoch Artikel möglich, die nützlich sind, aber keine grundlegend neuen Informationen enthalten. Dies sind Richtlinien, wie Sie sich basierend auf den persönlichen Erfahrungen des Autors zu einem Gerät machen können. In der Regel handelt es sich dabei um relativ unkomplizierte Dinge (komplexe Dinge, die den gesamten oben beschriebenen Entwurfspfad durchlaufen, erscheinen in Form von Artikeln, wie wir es gemacht haben, und fallen tatsächlich schnell in eine Liste von Feinheiten, die während des Prozesses entstanden sind und in die entsprechende Kategorie fallen) und Informationen, die Die in den Artikeln angegebenen Informationen sind notwendig und ausreichend für eine unabhängige Wiederholung und Weiterentwicklung durch die Leser des Geräts. Dies sind Schemata, Firmware, Erklärungen, warum das Gerät einfach so hergestellt wird und wie es überhaupt hergestellt werden kann.

Schließlich fällt ein Biografieartikel - und der Touch-Button und der GPS-Tracker fallen in diese Kategorie der oben genannten - das für mich mysteriöseste Genre. Ihre Autoren schreiben viele - manchmal sehr viele - Briefe, die reichlich von Bildern begleitet werden, aber ein Außenstehender kann nichts Nützliches daraus extrahieren . Die Autoren begründen die von ihnen gewählten Entscheidungen nicht, geben häufig nicht an, warum sie dies tun, geben häufig nicht die konzeptionellen Schemata oder Quellcodes der Firmware an, nicht nur in ihrer Gesamtheit, sondern zumindest in wesentlichen Teilen, geben keine spezifischen Probleme an. Das Entstehen im Prozess, das für andere interessant sein kann („Anfangs wusste ich nicht, wie man SMD-Komponenten verlötet, aber ich habe im Laufe der Zeit gelernt“, ist kein Problem, das für andere interessant ist).

Obwohl ein solcher Artikel oberflächlich betrachtet eine tiefgreifende technische Arbeit darstellt, handelt es sich in Wirklichkeit um einen Schulaufsatz „Wie ich den Sommer verbracht habe“, der für niemanden außer für den Autor selbst uninteressant ist.

Vermeiden Sie dies wenn möglich.

PS Da der Artikel einige Abbildungen enthalten muss, gebe ich ein Beispiel, für das die Leute nicht gerne behaupten, dass das Bild von Fritzing ein vollwertiger Stromkreis ist:



Versuchen Sie zu verstehen, was in dieser Abbildung passiert.