Vou dizer uma palavra sobre a abordagem de engenharia

Oi Habr.

Nesta noite de domingo relaxada, eu gostaria de falar sobre dois tópicos, parcialmente interconectados - sobre como e como a abordagem de engenharia no desenvolvimento de eletrônicos parece, e como e por que escrever artigos sobre esses eletrônicos na Habr para que sejam agradáveis ​​e compreensíveis para todo mundo.

A frase no artigo de hoje me levou a essa ideia: “Debaixo do corte está o besouro múltiplo, mas será de engenharia”; Infelizmente, não só não havia engenharia por trás do corte, mas, em geral, em uma porcentagem muito grande de artigos sobre o tópico “Como eu fiz o dispositivo” publicado recentemente na Habré, não há nada de engenharia.

Porque

Porque qualquer engenheiro - como programador, médico, advogado e qualquer profissional em geral - possui uma metodologia básica de trabalho, sem a qual a atividade de um profissional se transforma em arremessos não sistemáticos. Mais precisamente, não é nem uma metodologia - podemos atribuir adzhayl, TRIZ à metodologia, e isso é tudo, cada um tem a sua - mas uma estratégia grosseira que pode ser escrita em algumas etapas.

Então, o que isso se aplica à eletrônica?

1) Formação da tarefa - ou, formalmente falando, declaração da tarefa técnica.

No primeiro estágio, formulamos o que e por que queremos obter, bem como as condições de contorno que queremos observar.

Eu nem toco nos rastreadores de GPS, na operação do módulo GPS, no tempo que leva para entrar no modo de captura de coordenadas etc. - as coisas são bastante complexas e dependem de muita coisa (note apenas que qualquer módulo GPS minimamente moderno possui pelo menos quatro modos de operação, com um consumo de 20-30 mA, 2-3 mA, 200-300 μA e <10 μA, sem contar a totalidade desligamentos).

Vamos dar uma coisa mais simples - um acelerômetro. Por exemplo, aqui estão três tarefas completamente reais que foram resolvidas no acelerômetro barato do ST LIS3DH MEMS:

• sensor de ângulo de inclinação - rastreando o ângulo de inclinação da coluna de iluminação
• atividade física e sensor de queda - rastreando os fatos da queda livre, bem como avaliando a atividade física da transportadora
• sensor de vibração - rastreamento do espectro de vibração 0,1 ... 100 Hz

Nos três casos - dispositivos alimentados por bateria que queremos otimizar para o consumo de energia.

Observamos a folha de dados do acelerômetro:

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

Obviamente, nossas três tarefas exigirão três modos de operação diferentes - no primeiro, até 1 Hz é extremamente redundante para uma coluna, a coluna geralmente não tem pressa e a equipe de reparo não tem pressa, principalmente. No segundo, o modo com uma velocidade da ordem de 25 Hz é bastante adequado e, no terceiro, obviamente seria bom ter um excesso de 10 vezes da frequência de amostragem sobre a frequência do sinal medido.

Além disso, no caso de uma coluna, 1 Hz é tão excessivo que o interrogatório manual do acelerômetro é geralmente a opção mais eficaz. Suponha que nosso microcontrolador acorde para essa pesquisa uma vez a cada 15 minutos (concordamos com o cliente, ele está satisfeito com o atraso nas informações sobre a coluna que está prestes a cair - a equipe chegará lá em pouco tempo antes de duas horas depois), todo o procedimento leva 100 ms e o controlador ao mesmo tempo, consome 5 mA - o consumo médio de energia do modo ativo do controlador é de 5 * 0,1 / 15/60 = 0,55 μA, o que em combinação com 0,5 μA do acelerômetro adormecido é aproximadamente duas vezes mais rentável do que o acelerômetro 1 Hz e controlador de vigília somente se o limite for excedido.

De fato, o que estou descrevendo agora é essencialmente o terceiro estágio da metodologia da abordagem de desenvolvimento; agora, pretende-se ilustrar a importância de definir a tarefa com antecedência.

Você faz um rastreador GPS? Ótimo. Você está fazendo isso por quem? Para um pedestre, em quem ele deveria estar deitado no bolso, pesa 50 ge vive com a bateria por um dia? Para uma carruagem, onde ele deveria morar por cinco anos, mas pelo menos cinco quilos? Para uma vaca de pasto livre, na qual ele vive com uma bateria há cinco anos (porque a vaca não vive mais), mas ele deve pesar no máximo 35 g, porque está preso à orelha dela?

Todas essas são tarefas completamente diferentes.

E indique claramente exatamente o que você está fazendo e quais são as condições de contorno, se você cair para o qual a tarefa pode ser considerada resolvida, é necessário com antecedência.

Na verdade, já nesta fase, a maioria dos projetos de bricolage tem um buraco negro: o autor faz algo completamente claro por que. Às vezes, ele escreve honestamente "para praticar a soldagem", mas na maioria das vezes vários abstratos - sem TK, eles sempre serão abstratos - coisas como "atingir o consumo mínimo de energia do processador e pontuar todo o resto para consumo de energia" acabam sendo um fim em si mesmos.

Pegue o mesmo artigo mencionado acima - o autor do dispositivo está perseguindo unidades de microamperes de consumo, alternando a potência do acelerômetro (menos de 2 μA em hibernação) e GPS (7-8 μA no modo de bateria reserva) com transistores separados. Isso é realmente necessário? Aqui na minha frente, agora, está o módulo eletrônico do “capacete inteligente” (também possui um rastreador GPS), o tempo de operação necessário com uma única carga e uma margem obtida com um consumo médio hospitalar de 5 mA ( mili amperes), você realmente acha que mais ou menos uma dúzia de microamperes aqui isso importa? E se não, então por que colocar detalhes adicionais em uma prancha já bem rígida?

2) Seleção de componentes

Depois de decidir sobre as condições de contorno, o segundo estágio começa, no qual você escolhe do que fará o seu dispositivo.

A tarefa, de fato, não é muito simples, porque Cada componente possui vários parâmetros, como:

• parâmetros elétricos
• espaço do tabuleiro
• complexidade e custo de instalação
• custo do componente
• disponibilidade à venda

Nós até realizamos as mesmas tarefas com o acelerômetro - bem, ok, em um capacete inteligente, você definitivamente ficará satisfeito com o LIS3DH por meio dólar, as bobinas em Kompel. E na medição do desvio da coluna? E com que precisão o cliente deseja medir esse desvio? LIS3DH de 12 bits ainda mais barato, LIS2HH de 16 bits um pouco mais caro ou ADXL355 já de ponta, custando cinquenta dólares e com entrega por duas semanas? Aqui voltamos às condições de contorno do parágrafo 1 e começamos a contar, contar, contar.

E era apenas um acelerômetro. E imagine que tipo de variedade está acontecendo no mercado, por exemplo, telas. É claro que todo mundo adora WH1602 (embora eu pessoalmente adore mais o WEH001602), mas imediatamente você responderá o que colocar em um medidor de água com 6 a 8 anos de idade trabalhando em uma bateria, enquanto mostra continuamente metros cúbicos?

Na verdade, cada componente do circuito deve ser justificado - o desenvolvedor deve entender por que o componente é exatamente o mesmo ou entender que, nesse caso, não importa qual (bem, por exemplo, os resistores são geralmente mais ou menos iguais de qualquer maneira, embora existem nuances).

E tudo isso está interconectado. Por exemplo, a mesma escolha de bateria - LiMnO ₂ com uma tensão de 2,0 ... 3,0 V, LiSOCl ₂ com uma tensão de 2,4 ... 3,6 V ou uma bateria geralmente recarregável com seu 3,0 ... 4 2 V? E componentes do que pode funcionar com você? E pelo que eles trabalharão de maneira mais eficiente ou econômica? A carga selecionada puxará correntes de pico? E se for LiSOCl ₂ , levando em consideração a passivação, ele ainda será puxado? Deseja colocar um reforço DC / DC e, quando não, desligá-lo? O chip de desconexão de carga selecionado sabe como, ou desliga - para o PWM, mas a entrada sai na saída? Existe o risco de superaquecimento; caso contrário, talvez você deva usar o LiFeS _{2 de} 1,5 volts em geral, que não possui auto-aceleração térmica?

E assim em círculo várias vezes - a mudança de um componente puxa outros, outros ...

Você acha que os mesmos módulos de GPS - são todos iguais? Aqui, no mesmo “capacete inteligente”, dentro dos limites acordados com o cliente e dentro da estrutura dos requisitos de bateria comercialmente disponíveis e satisfatórios, os componentes deverão ser colocados no lado da placa adjacente ao gabinete, o que significa que há algo sobre o limite de altura para esses componentes 1,5 mm. Agora pegue o módulo GPS mais próximo e meça quanto tem a altura do corpo.

Sim Exatamente. Bem, você pode reconciliar as dimensões e tornar a caixa 1 mm mais grossa, ou pode alterar o habitual Quectel L76 para o novíssimo EVA M8M com seus 7 × 7 × 1,1 mm.

O que vemos no artigo acima? O autor não sabe por que está fabricando o rastreador GPS; portanto, coloca o primeiro módulo GPS nele, sobre o qual não conhece os modos de operação e não deseja descobrir particularmente e, portanto, por uma questão de economia de energia (também não está muito claro o porquê), é apenas corta-lhe toda a comida.

Ou seja - falha na formação da tarefa leva à falha na escolha dos componentes.

3) Produção de um protótipo de produto

Bem, provavelmente não há muito para parar por aqui - depois de escolher os componentes, o circuito final é feito, a placa, os protótipos são montados. Com isso, o bricolage geralmente é mais ou menos bom, e o fato de a fita elétrica azul e os fios multicoloridos serem substituídos gradualmente por quadros personalizados é bem-vindo.

4) Otimização dos modos de operação dos componentes

Apesar de todos os seus esforços, as etapas anteriores deixarão pontos brancos separados - em muitos casos, você sempre terá espaço para ajustar a operação dos componentes (o GPS é, aliás, um bom exemplo aqui - você pode brincar com eles por um longo tempo para definir modos de inatividade, a fim de minimizar o consumo de energia e garantir precisão especificada das coordenadas). É difícil ou impossível descobrir muitas nuances pelas folhas de dados - os fabricantes geralmente não especificam dados ou relacionamentos muito detalhados entre parâmetros diferentes.

Portanto, após a fabricação do protótipo, que, de acordo com suas estimativas preliminares, deve se enquadrar nos requisitos da TK, o estágio de sua otimização começa.

Há, por exemplo, um exemplo clássico - consumo de energia do processador em função de sua velocidade. Sim, quanto mais megahertz - mais miliamperes. Mas quanto mais rápido o processador concluir a tarefa e voltar a dormir! Mas, ao mesmo tempo, a tarefa pode depender parcialmente da velocidade das interfaces externas que funcionam da mesma maneira em 1 MHz ou 64 MHz. Nesse caso, a saída do processador em 64 MHz pode demorar mais que sua saída em 4 MHz (iniciando e estabilizando o ressonador de quartzo, iniciando e estabilizando o PLL, reconfigurando os modos de relógio) e, como resultado, de ligar para desligar, a mesma tarefa no primeiro caso coma mais microampegundos que no segundo!

Aqui, é claro, muitas vezes não é preciso se deixar levar muito - se você com uma boa margem cair nas condições de contorno de TK, faz pouco sentido gastar tempo em otimização; bem, como no mencionado “capacete inteligente”, que com um consumo médio de 5 mA economiza unidades e até dezenas de microamperes, isso simplesmente não faz sentido, isso é um erro, não uma economia.

No mesmo estágio, várias suposições podem ser verificadas - por exemplo, o autor de um artigo sobre um rastreador GPS sugeriu que dispositivos com alto consumo serão mais econômicos se forem fornecidos com menos tensão. Na prática, esse nem sempre é o caso - se o módulo incluir um conversor de pulsos, ele consumirá energia constante, o que significa que, quando a tensão diminuir, aumentará o consumo de corrente.

Como resultado, o consumo total do circuito, no qual é adicionado mais um conversor de redução, e também o circuito de correspondência de nível, aumentará apenas.

5) Prova experimental da solução ideal para o problema

O último estágio (que, no entanto, pode ser parcialmente realizado no penúltimo) é a prova experimental de que o dispositivo é fabricado de maneira correta e ideal.

Em primeiro lugar, vale a pena dar uma olhada novamente - se algum detalhe desnecessário for descoberto durante o processo de criação de protótipos e depuração. O excesso de engenharia, no qual o dispositivo recebe muito excesso, geralmente é bastante típico para projetos de bricolage - veja, por exemplo, um artigo recente sobre um comutador de toque , cujo autor, com um microcontrolador poderoso à mão, criou sensores de toque em chips separados e ainda não conseguiu aguentar o consumo de energia do resultado de qualquer maneira aceitável. Bem, ou a crença entre os arduinistas , de que, para "proteção contra interferência", a saída do microcontrolador e a porta do transistor que controla o relé devem ser separadas por um acoplador óptico.

No entanto, nesses casos, um exame crítico de seus projetos não ajudaria os autores de maneira alguma - eles obviamente têm uma falta aguda de conhecimento básico que lhes permite resolver o problema da maneira ideal, em vez de estragar componentes adicionais com funcionalidades que não são muito claras para eles. No entanto, dar uma olhada no circuito e pensar se algo acabou por não ser muito necessário no final - os sinais, faixas, componentes - valem a pena.

Em segundo lugar, é necessário entender se o dispositivo realmente satisfaz as condições de contorno dos requisitos técnicos e, se não, ou mesmo se seus parâmetros simplesmente não se encaixam nas suas idéias sobre o que deveriam ser - por que (sim, eu destaquei especificamente em negrito: sem valor para um desenvolvedor que, tendo recebido um consumo de energia de 40 μA em vez dos 5-10 μA estimados, não pode explicar o porquê).

Não há casos "bem, todo mundo entende que 10 microA estão escritos na folha de dados, mas, na realidade, não funcionará menos de 100 microA" na natureza . Um erro completamente específico na folha de dados, por exemplo, o dedo do pé não foi impresso ou você não entende alguma coisa. Para ser honesto, a probabilidade de você encontrar esse erro é pequena na atividade profissional e praticamente igual a zero em projetos de bricolage, este é um caso para muitos milhares de componentes e, como regra, em alguns modos exóticos de seu trabalho - portanto, se os parâmetros do seu dispositivo de forma forte e objetiva não coincidem com o que você contou com um guardanapo em uma folha de dados, o que significa que você não entende nada.

Eu vi muitos exemplos disso na mesma questão do consumo de energia - entradas digitais deixadas no ar, periféricos desconectados do processador, power-ups esquecidos ... Mas não me lembro de um único caso quando, no final, verificou-se que "na realidade, realmente não dá certo ", E o consumo não teria sido possível nem levar a um cálculo, nem corrigir os cálculos levando em consideração explicitamente indicado nas folhas de dados, mas por engano, não foram levados em consideração os fatores anteriores.

O estudo de tais questões geralmente não é trivial, mas é necessário. Se seus cálculos não coincidirem com suas medições, significa que você se enganou em uma ou outra e os erros devem ser corrigidos.

Então, sobre o que escrever artigos?

Bem, em conclusão - sobre o que escrever no Habr para que você não tenha queixas de profissionais, a quem consideramos uma parte significativa da audiência.

De fato, os artigos sobre design de eletrônicos que vejo regularmente se enquadram em um dos grupos:

• lixo de informações duplicando a primeira página do Google
• biografia "como passei o fim de semana"
• um guia sobre como tornar-se algum tipo de dispositivo
• análise de sutilezas que não são óbvias para a maioria

Um bom exemplo deste último é, por exemplo, um artigo recente sobre Bit de hardware em faixas CortexM3 / M4 . O conteúdo de tais artigos não é necessariamente uma descoberta científica, mas, em qualquer caso, uma análise suficientemente detalhada de informações desconhecidas da maioria das pessoas para uso prático. Esses artigos são de complexidade e especificidade variadas, mas estão todos unidos pelo fato de você ter desenterrado informações deles, é claro, mais cedo ou mais tarde, mas gastou o tempo que excedeu em muito o tempo de leitura do artigo.

O diametral oposto a eles são os artigos “como piscar um LED usando um multivibrador”. Não que eles contivessem informações incorretas ou desnecessárias, mas se todas as mesmas informações puderem ser obtidas em quase qualquer link da primeira página da pesquisa do Google para a solicitação correspondente, o valor desse artigo geralmente será zero. Isso é lixo, artigo por causa do artigo.

No entanto, são possíveis artigos úteis, mas que não contêm informações fundamentalmente novas - essas são diretrizes sobre como criar um tipo de dispositivo para você, com base na experiência pessoal do autor. Como regra, essas são coisas relativamente simples (complexas, percorrendo todo o caminho de design descrito acima, aparecem na forma de artigos "como fizemos" e, de fato, rapidamente entram em uma lista de sutilezas que surgiram no processo e caem na categoria correspondente) e informações que A informação fornecida nos artigos é necessária e suficiente para repetição independente e posterior desenvolvimento pelos leitores do dispositivo. Estes são esquemas, firmware, explicações de por que o dispositivo é feito assim e como ele pode ser feito.

Finalmente, um artigo de biografia - e o botão de toque e o rastreador GPS se enquadram nessa categoria dos mencionados acima - o gênero mais misterioso para mim. Seus autores escrevem muito - às vezes muitas - cartas, abundantemente acompanhadas de figuras, mas um estranho não pode extrair nada útil delas . Os autores não justificam as decisões que escolhem, geralmente não indicam por que estão fazendo isso, geralmente não fornecem os esquemas conceituais ou os códigos-fonte do firmware, não apenas em sua totalidade, mas pelo menos em partes significativas, não indicam problemas específicos, surgindo no processo e que podem ser interessantes para outras pessoas (“no começo eu não sabia como soldar componentes SMD, mas aprendi com o tempo” não é um problema interessante para outras pessoas).

Embora esse artigo pareça superficialmente um trabalho técnico profundo, na realidade é um ensaio escolar “Como passei o verão”, desinteressante para qualquer pessoa, exceto o próprio autor.

Evite isso, se possível.

PS Como deve haver algumas ilustrações no artigo, darei um exemplo para o qual as pessoas não gostam de afirmar que a imagem de Fritzing é um circuito elétrico completo:



tente entender o que está acontecendo nesta figura.