Je vais dire un mot sur l'approche d'ingénierie

Salut, Habr.

En ce dimanche soir détendu, j'aimerais parler de deux sujets, en partie liés entre eux - à quoi et à quoi ressemble l'approche d'ingénierie dans le développement de l'électronique, et comment et pourquoi écrire des articles sur cette électronique sur Habr afin qu'ils soient agréables et compréhensibles à tout le monde.

La phrase de l'article d'aujourd'hui m'a amené à cette idée: «Sous la coupe, il y a plusieurs coccinelles, mais ce sera de l'ingénierie»; Malheureusement, non seulement il n'y avait pas d'ingénierie sous la coupe, mais en général dans un très grand pourcentage d'articles sur le thème «Comment j'ai fabriqué l'appareil» publiés récemment sur Habré, il n'y a rien d'ingénierie.

Pourquoi?

Parce que tout ingénieur - comme un programmeur, un médecin, un avocat et tout professionnel en général - a une méthodologie de travail de base, sans laquelle l'activité d'un professionnel se transforme en lancer non systématique. Plus précisément, ce n'est même pas une méthodologie - nous pouvons attribuer adzhayl, TRIZ à la méthodologie, et c'est tout, chacun a la sienne - mais une stratégie grossière qui peut être écrite en quelques étapes.

Alors, qu'est-ce que cela s'applique à l'électronique?

1) Formation de la tâche - ou, formellement parlant, énoncé de la tâche technique.

Dans un premier temps, nous formulons quoi et pourquoi nous voulons obtenir, ainsi que les conditions aux limites que nous voulons observer.

Je ne toucherai même pas aux trackers GPS, au fonctionnement du module GPS, au temps nécessaire pour passer en mode de capture de coordonnées, etc. - les choses sont assez complexes et dépendent de beaucoup (je note seulement que tout module GPS minimalement moderne a au moins quatre modes de fonctionnement, avec une consommation de 20-30 mA, 2-3 mA, 200-300 μA et <10 μA, sans compter le plein arrêts).

Prenons une chose plus simple - un accéléromètre. Par exemple, voici trois tâches complètement réelles qui ont été résolues sur l'accéléromètre bon marché ST LIS3DH MEMS:

• capteur d'angle d'inclinaison - suivi de l'angle d'inclinaison de la colonne d'éclairage
• capteur d'activité physique et de chute - suivre les faits de la chute libre et évaluer l'activité physique du porteur
• capteur de vibration - suivi du spectre de vibration 0,1 ... 100 Hz

Dans les trois cas - des appareils alimentés par batterie que nous voulons optimiser pour la consommation d'énergie.

Nous regardons la fiche technique de l' accéléromètre:

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

Évidemment, nos trois tâches nécessiteront trois modes de fonctionnement différents - dans le premier, même 1 Hz est extrêmement redondant pour une colonne, la colonne n'est généralement pas pressée, et l'équipe de réparation n'est pas pressée, en particulier. Dans le second, le mode avec une vitesse de l'ordre de 25 Hz est tout à fait adéquat, et dans le troisième, il serait évidemment bien d'avoir un excès de 10 fois la fréquence d'échantillonnage sur la fréquence du signal mesuré.

De plus, dans le cas d'une colonne, 1 Hz est tellement excessif que l'interrogation manuelle de l'accéléromètre est généralement l'option la plus efficace. Supposons que notre microcontrôleur se réveille pour une telle enquête toutes les 15 minutes (nous avons convenu avec le client, il est satisfait d'un tel retard dans les informations sur la colonne sur le point de tomber - l'équipe arrivera tous ensemble au plus tôt deux heures plus tard), toute la procédure prend 100 ms et le contrôleur en même temps, il consomme 5 mA - la consommation d'énergie moyenne du mode actif du contrôleur se révèle être 5 * 0,1 / 15/60 = 0,55 μA, ce qui en combinaison avec 0,5 μA de l'accéléromètre endormi est environ deux fois plus rentable que l'accéléromètre se battant par 1 Hz et contrôleur de réveil uniquement si le seuil est dépassé.

En fait, ce que je décris maintenant est essentiellement la troisième étape de la méthodologie de l'approche de développement; il est maintenant destiné à illustrer combien il est important de fixer la tâche à l'avance.

Faites-vous un tracker GPS? Super. Le faites-vous pour qui? Pour un piéton, en qui il devrait être allongé dans sa poche, peser 50 g et vivre sur la batterie pendant une journée? Pour un wagon, où devrait-il vivre pendant cinq ans, mais au moins cinq kilogrammes? Pour une vache en pâturage libre, sur laquelle il vit sur batterie depuis cinq ans (car la vache ne vit plus), mais doit-il peser au maximum 35 g, car il est attaché à son oreille?

Ce sont toutes des tâches complètement différentes.

Et énoncez clairement ce que vous faites et quelles sont les conditions aux limites.Si vous tombez dans lequel la tâche peut être considérée comme résolue, cela est nécessaire à l'avance.

En fait, déjà à ce stade, la plupart des projets de bricolage ont un trou noir: l'auteur fait quelque chose de complètement inconnu pourquoi. Parfois, il écrit honnêtement "afin de pratiquer le soudage", mais le plus souvent, divers abstraits - sans savoirs traditionnels, ils seront toujours abstraits - des choses comme "pour atteindre la consommation d'énergie minimale du processeur tout en notant tout le reste pour la consommation d'énergie" se révèlent être une fin en soi.

Prenez le même article mentionné ci-dessus - l'auteur de l'appareil poursuit des unités de microampères de consommation, commutant la puissance de l'accéléromètre (moins de 2 μA en hibernation) et du GPS (7-8 μA en mode batterie de secours) avec des transistors séparés. Est-ce vraiment nécessaire? Devant moi se trouve en ce moment le module électronique du «casque intelligent» (il a aussi un tracker GPS), il a le temps de fonctionnement requis sur une seule charge avec une marge obtenue avec une consommation hospitalière moyenne de 5 mA (milliampères), pensez-vous vraiment que plus ou moins une douzaine de microampères ici, est-ce important? Et sinon, pourquoi pousser des détails supplémentaires sur une planche déjà assez serrée?

2) Sélection des composants

Une fois que vous avez décidé des conditions aux limites, la deuxième étape commence, dans laquelle vous choisissez de quoi vous allez fabriquer votre appareil.

En fait, la tâche n'est pas très simple, car Chaque composant a un tas de paramètres, tels que:

• paramètres électriques
• espace de conseil
• complexité et coût d'installation
• coût des composants
• disponibilité en vente

Nous prenons même les mêmes tâches avec l'accéléromètre - eh bien, d'accord, dans un casque intelligent, vous serez certainement satisfait de LIS3DH pour un demi-dollar, les bobines de Kompel. Et sur la mesure de l'écart de la colonne? Et avec quelle précision le client souhaite-t-il mesurer cet écart? LIS3DH 12 bits toujours moins cher, LIS2HH 16 bits légèrement plus cher ou ADXL355 déjà haut de gamme coûtant cinquante dollars et avec une livraison pendant deux semaines? Ici, nous revenons aux conditions aux limites du paragraphe 1 et commençons à compter, compter, compter.

Et ce n'était qu'un accéléromètre. Et imaginez quel type de variété se produit sur le marché, par exemple, les écrans. Il est clair que tout le monde aime WH1602 (bien que j'aime personnellement WEH001602 plus), mais tout de suite vous répondrez quoi mettre dans un compteur d'eau qui a 6-8 ans fonctionnant sur une batterie, tout en affichant continuellement des mètres cubes?

En fait, chaque composant du circuit doit être justifié - le développeur doit soit comprendre pourquoi le composant est exactement le même, soit comprendre que dans ce cas, peu importe lequel (enfin, par exemple, les résistances sont généralement plus ou moins les mêmes de toute façon, bien que il y a des nuances).

Et tout cela est interconnecté. Par exemple, le même choix de batterie - LiMnO ₂ avec une tension de 2,0 ... 3,0 V, LiSOCl ₂ avec une tension de 2,4 ... 3,6 V ou une batterie généralement rechargeable avec ses 3,0 ... 4 , 2 V? Et les composants de ce qui peut fonctionner chez vous? Et à partir de quoi ils travailleront plus efficacement ou plus économiquement? La charge sélectionnée tirera-t-elle les courants de crête? Et si c'est LiSOCl ₂ , alors, compte tenu de la passivation, va-t-il encore tirer? Voulez-vous mettre le boost DC / DC, et dans le cas contraire, le désactiver? La puce de déconnexion de charge sélectionnée sait-elle comment, ou s'éteint-elle - arrête-t-elle le PWM, mais l'entrée se révèle-t-elle à la sortie? Y a-t-il un risque de surchauffe, sinon vous devriez peut-être passer à 1,5 volts LiFeS ₂ en général, qui n'ont pas d'auto-accélération thermique?

Et donc dans un cercle plusieurs fois - le changement d'un composant en entraîne d'autres, d'autres…

Pensez-vous que les mêmes modules GPS - sont-ils tous les mêmes? Dans mon «casque intelligent», dans le cadre des dimensions convenues avec le client et dans le cadre des exigences de batterie disponibles et satisfaisantes dans le commerce, les composants devront être placés sur le côté de la carte adjacent au boîtier, et donc il y a quelque chose au sujet de la limite de hauteur pour ces composants 1,5 mm. Maintenant, prenez le module GPS le plus proche et mesurez combien il a la hauteur du corps.

Ouais. Exactement. Eh bien, vous pouvez concilier les dimensions et rendre le boîtier plus épais de 1 mm, ou vous pouvez remplacer le Quectel L76 habituel par le tout nouveau EVA M8M avec ses 7 × 7 × 1,1 mm.

Que voyons-nous dans l'article ci-dessus? L'auteur ne sait pas pourquoi il fait le tracker GPS, donc il y met le premier module GPS, dont il ne connaît pas les modes de fonctionnement et ne veut pas particulièrement le savoir, et donc, par souci d'économie d'énergie (on ne sait pas trop pourquoi), c'est juste lui coupe toute la nourriture.

C'est-à-dire qu'un échec dans la formation de la tâche conduit à un échec dans le choix des composants.

3) Production d'un prototype de produit

Eh bien, il n'y a probablement pas grand-chose à arrêter ici - après avoir choisi les composants, le circuit final est fait, la carte, les prototypes sont assemblés. Avec cela, le bricolage est généralement plus ou moins bon, et le fait que le ruban électrique bleu et les fils multicolores soient progressivement remplacés par des panneaux personnalisés est le bienvenu.

4) Optimisation des modes de fonctionnement des composants

Malgré tous vos efforts, les étapes précédentes laisseront des points blancs séparés - dans de nombreux cas, vous aurez toujours de la place pour affiner le fonctionnement des composants (le GPS est, en passant, un bon exemple ici - vous pouvez jouer avec eux pendant longtemps pour définir les modes d'inactivité afin de minimiser la consommation d'énergie tout en garantissant précision spécifiée des coordonnées). Il est difficile ou impossible de trouver de nombreuses nuances par des fiches techniques - les fabricants ne spécifient souvent pas de données ou de relations trop détaillées entre les différents paramètres.

Par conséquent, après la fabrication du prototype, qui, selon vos estimations préliminaires, devrait tomber dans les exigences de TK, l'étape de son optimisation commence.

Il y a, par exemple, un exemple classique - la consommation d'énergie du processeur en fonction de sa vitesse. Oui, plus il y a de mégahertz - plus il y a de milliampères. Mais plus vite le processeur terminera la tâche et s'endormira à nouveau! Mais en même temps, la tâche peut dépendre en partie de la vitesse des interfaces externes qui fonctionnent de la même manière sur 1 MHz ou 64 MHz. Dans ce cas, la sortie du processeur à 64 MHz peut prendre plus de temps que sa sortie à 4 MHz (démarrage et stabilisation du résonateur à quartz, démarrage et stabilisation de la PLL, reconfiguration des modes d'horloge), et par conséquent, de marche en arrêt, la même tâche dans le premier cas mangez plus de microampères-secondes que dans la seconde!

Ici, bien sûr, il n'est souvent pas nécessaire de se laisser trop emporter - si vous avec une bonne marge tombez dans les conditions aux limites des savoirs traditionnels, alors cela n'a pas de sens de consacrer du temps à l'optimisation; eh bien, comme dans ce "casque intelligent" susmentionné, qui avec une consommation moyenne de 5 mA économise des unités et même des dizaines de microampères, cela n'a tout simplement pas de sens, c'est une erreur, pas une économie.

Au même stade, diverses hypothèses peuvent être vérifiées - par exemple, l'auteur d'un article sur un tracker GPS a suggéré que les appareils à forte consommation seront plus économiques s'ils sont alimentés avec une tension inférieure. En pratique, ce n'est pas toujours le cas - si le module comprend un convertisseur d'impulsions, il consomme en tout cas une puissance constante, ce qui signifie que lorsque la tension diminue, il augmente la consommation de courant.

En conséquence, la consommation totale du circuit, dans lequel un convertisseur abaisseur supplémentaire est ajouté, ainsi que le circuit d'adaptation de niveau, ne fera qu'augmenter.

5) Preuve expérimentale de la solution optimale au problème

La dernière étape (qui peut cependant être partiellement réalisée sur l'avant-dernière) est la preuve expérimentale que l'appareil est fabriqué correctement et de manière optimale.

Tout d'abord, cela vaut la peine de revoir - si des détails inutiles ont été découverts pendant le processus de prototypage et de débogage. La suringénierie, dans laquelle l'appareil obtient beaucoup d'excès, est généralement assez typique pour les projets de bricolage - prenez, par exemple, un article récent sur un interrupteur tactile , dont l'auteur, ayant un microcontrôleur puissant à portée de main, a fait des capteurs tactiles sur des puces distinctes, et n'a pas pu tenir la consommation d'énergie du résultant en aucune façon acceptable. Eh bien, ou la croyance des Arduinistes , que pour la "protection contre les interférences", la sortie du microcontrôleur et la grille du transistor qui contrôle le relais doivent être séparées par un optocoupleur.

Cependant, dans ces cas, un examen critique de leurs projets n'aiderait en rien les auteurs - ils ont manifestement un manque aigu de connaissances de base qui leur permet de résoudre le problème de manière optimale, plutôt que de visser des composants supplémentaires avec des fonctionnalités qui ne sont pas très claires pour eux. Néanmoins, pour jeter un coup d'œil au circuit et penser si quelque chose s'est finalement avéré peu nécessaire - les signaux, les pistes, les composants - en valent la peine.

Deuxièmement, il est nécessaire de comprendre si l'appareil satisfait vraiment aux conditions aux limites des exigences techniques, et si ce n'est pas le cas, ou même si ses paramètres ne correspondent tout simplement pas à vos idées sur ce qu'ils devraient être - pourquoi (oui, je l'ai spécifiquement souligné en gras: sans valeur) à un développeur qui, ayant reçu une consommation d'énergie de 40 μA au lieu des 5-10 μA estimés, ne peut expliquer pourquoi).

Il n'y a pas de cas "eh bien, tout le monde comprend que 10 microA est écrit dans la fiche technique, mais en réalité cela ne fonctionnera pas moins de 100 microA" dans la nature . Soit une erreur complètement spécifique dans la fiche technique, par exemple, l'orteil n'a pas été imprimé, soit vous ne comprenez pas quelque chose. Pour être honnête, la probabilité que vous rencontriez une telle erreur est assez faible dans l'activité professionnelle et pratiquement égale à zéro dans les projets de bricolage, c'est un cas pour plusieurs milliers de composants et, en règle générale, dans certains modes exotiques de leur travail - donc, si les paramètres de votre appareil ne coïncident pas fortement et objectivement avec ce que vous comptiez sur une serviette sur une fiche technique, ce qui signifie que vous ne comprenez pas quelque chose.

J'ai vu beaucoup d'exemples de cela dans le même problème de consommation d'énergie - entrées numériques laissées en l'air, périphériques de processeur débranchés, mises sous tension oubliées ... Mais je ne me souviens pas d'un seul cas où, finalement, il s'est avéré que "en réalité, cela ne fonctionnera vraiment pas ", Et la consommation n'aurait pas été possible ni de conduire à un calcul, ni de corriger les calculs en tenant compte explicitement indiqué dans les fiches techniques, mais par erreur non pris en compte précédemment.

L'étude de ces questions n'est généralement pas anodine, mais elle est nécessaire. Si vos calculs ne coïncident pas avec vos mesures, cela signifie que vous vous êtes trompé dans l'un ou l'autre, et les erreurs doivent être corrigées.

Quels sont donc les articles à écrire?

Eh bien, en conclusion - sur ce qu'il faut écrire sur Habr pour que vous n'ayez aucune plainte de professionnels, que nous considérons comme une partie importante du public.

En fait, ces articles sur la conception électronique que je vois régulièrement appartiennent à l'un des groupes:

• information poubelle dupliquant la première page de Google
• biographie "comment j'ai passé le week-end"
• un guide sur la façon de vous fabriquer une sorte d'appareil
• analyse de subtilités qui ne sont pas évidentes pour la plupart

Un bon exemple de ce dernier est, par exemple, le dernier article Banding hardware corting CortexM3 / M4 . Le contenu de ces articles n'est pas nécessairement une découverte scientifique, mais en tout cas, une analyse suffisamment détaillée d'informations inconnues de la plupart des gens pour une utilisation pratique. Ces articles sont de complexité et de spécificité variables, mais ils sont tous unis par le fait que vous auriez déterré des informations d'eux-mêmes, bien sûr, tôt ou tard, mais que vous avez passé un temps qui dépassait largement le temps de lecture de l'article.

Le contraire diamétralement opposé est celui des articles «comment faire clignoter une LED à l'aide d'un multivibrateur». Ce n'est pas qu'ils contenaient des informations incorrectes ou inutiles, mais si toutes les mêmes informations peuvent être obtenues à partir de presque n'importe quel lien à partir de la première page de recherche de Google pour la demande correspondante, la valeur d'un tel article est généralement nulle. Ce sont des ordures, un article pour le plaisir de l'article.

Cependant, il est possible que des articles soient utiles, mais ne contiennent pas d'informations fondamentalement nouvelles - ce sont des lignes directrices sur la façon de se fabriquer une sorte d'appareil basé sur l'expérience personnelle de l'auteur. En règle générale, ce sont des choses relativement simples (complexes, passant par tout le chemin de conception décrit ci-dessus, apparaissent sous la forme d'articles «comment nous l'avons fait» et, en fait, tombent rapidement dans une liste de subtilités qui ont surgi au cours du processus et tombent dans la catégorie correspondante), et des informations qui donnée dans les articles est nécessaire et suffisante pour une répétition indépendante et un développement ultérieur par les lecteurs de l'appareil. Ce sont des schémas, un firmware, des explications sur la raison pour laquelle l'appareil est fabriqué comme ça et comment il peut être fabriqué.

Enfin, un article de biographie - et le bouton tactile et le tracker GPS entrent dans cette catégorie de ceux mentionnés ci-dessus - le genre le plus mystérieux pour moi. Leurs auteurs écrivent beaucoup - parfois beaucoup - de lettres, abondamment accompagnées d'images, mais un étranger ne peut rien en retirer . Les auteurs ne justifient pas les décisions qu'ils choisissent, n'indiquent souvent pas pourquoi ils le font, ne donnent souvent pas les schémas conceptuels ou les codes source du firmware, non seulement dans leur intégralité, mais au moins dans des parties importantes, n'indiquent aucun problème spécifique, survenant dans le processus et qui peuvent être intéressants pour les autres ("au début, je ne savais pas comment souder les composants SMD, mais j'ai appris avec le temps" n'est pas un problème intéressant pour les autres).

Bien qu'un tel article ressemble superficiellement à un travail technique approfondi, il s'agit en réalité d'un essai scolaire «Comment j'ai passé l'été», qui n'intéresse personne, sauf l'auteur lui-même.

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PS - , , , , Fritzing — :



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