Русский
Русский
English
Авторизация
Ip-адрес
Восстановление пароля
Регистрация
Статистика
Реклама

Разработка электроники

Фриланс-разработка электроники. Что, Как и Зачем?

27.05.2021 12:14:32 | Автор: admin

Как все начиналось


Начну немного издалека, чтобы было понятно с чего все изначально началось.
Электронику я люблю с детства, родители военные и они же инженеры привили любовь не только к морзянке, но и к электронике. За что им отдельное спасибо.
После окончания ВУЗа, работаю по сей день ведущим инженером на одной из атомных станций. Работа веселая и ответственная, но дома надо чем-то занять вечера, не пиво же пить и лежать у телевизора. Для поддержания на должном уровне своей квалификации освоил Ардуино, Attiny, STM, ESP32. Вспомнил давно забытую Java и C++. Освоил заново Easyeda, Altium, Eagle. Свободно работаю во многих программах CAD моделирования. Теоретически я подготовлен хорошо, но нужна была практика в электронике и желательно по очень высоким стандартам.

Практика в разработке электроники


А где её ПРАКТИКУ искать если не во фрилансе?

Перечитав множество статей на сайтах посвященных фрилансу, сайтах по поиску работы, проведя анализ полезности выхлопа и совпадения целей и моих возможностей, мой выбор пал на сайт фрилансеров Upwork.com
Как с этим сайтом работать рассказывать не буду, есть много статей хабровчан которые это уже сделали самым, что ни наесть качественным и показательным способом, например вот.

Мои цели полностью совпадали с возможностями: изобилие идей для разработки, свобода мысли и полет фантазии, участие в проектах в других городах и странах где сам никогда не бывал и даже не видел заказчика и за выполненную работу еще и деньги платят. Чудеса, да и только.

Свой первый заказ на разработку электроники я получил из США, нужно было разработать максимально возможную миниатюрную плату клавиатуры 3*4. Работа была приятная и полезная, т.к. заказчик очень доброжелателен и готов объяснить, что ему нужно хоть сто раз подряд, даже если вы говорите заикаясь и только с Гугл переводчиком.
При заказе печатных плат со сборкой на Jlcpcb.com у заказчика возникли проблемы, т.к. элементы оказались очень маленькими. Заказчик быстро сориентировался и нашел того изготовителя которых смог сделать печатную плату со сборкой. Имея положительный опыт первой выполненной работы, последовали и другие работы. Очень быстро мы с моим первым Заказчиком нашли общий язык и понимали уже друг друга с полуслова.

Вот какие клавиатуры получились в конечном варианте:


Хорошо выполненные работы очень положительно сказались на следующем проекте. Заказчик порекомендовал меня своему партнеру в качестве исполнителя следующей работы.

Работа по срокам длительная, более 6 месяцев.

Задача: с нуля создать специфическое устройство под требования заказчика. Устройство батарейного типа (литиевый аккумулятор), с зарядкой и стабилизатором на борту. Микроконтроллер желательно с WiFi, Bluetooth и BLE. Управление светодиодами и вибромотором. Плюс к этому устройство должно уметь считывать RFID метки по стандарту ISO 15693 на частоте соответственно 13,56 МГц.

И все это нужно расположить на плате размерами не более 70 на 30 мм. По высоте ограничение 10 мм вместе с аккумулятором. По токовым нагрузкам, устройство должно работать минимум 10 часов без подзарядки, т.е. все лишнее должно быть выключено. И, пожалуй, самое главное и сложное условие Заказчика устройство должно пройти процедуру сертификации FCC Федеральная комиссия по связи США, т.к. устройство предполагается распространять в США, у них с этим очень строго.
Процедура не дешевая, поэтому все компоненты нужно максимально совместить не только в различных диапазонах, но и при необходимости провести экранирование слишком шумящих элементов.
Скурив множество манов на множество чипов со встроенным и отдельными элементами для данного устройства, по контроллеру выбор пал на ESP32-WROOM умеет работать с блютузом в режиме экономии (BLE), 2 ядра, портирован на FREERTOS, SPI, I2C и много чего еще в наличии и на борту плюс ко всему сертифицирован FCC. RFID читалка PN5180 от NXP, неприхотливая, рабочая лошадка, при наличии векторного анализатора вполне успешно настраивается под любую антенну, достаточно полное описание внутренностей, портирован на С, много примеров на сайте NXP (правда под LPC контроллеры) и самое главное пришлось Заказчику покупать их в США, т.к. с последней прошивкой PN5180 в Россию не поставляются, от слова совсем.

Программирование велось под MS Visual Studio с плагинами VMicro под ESP32, операционка FREERTOS (т.к. работает в многозадачной режиме). Чтение RFID, управление светодиодами и вибромотором предполагало передачу данных по блютузу на Android и Iphone нужна была среда для разработки приложения выбор пал на x.thunkable.com что полностью себя оправдало.

Первая стадия проекта включала в себя проработку схемных решений, опробование различных вариантов подключения, распределения ресурсов, обоснованного отказа от использования того или иного чипа или решения. Еще до заключения контракта мы больше недели по вечерам общались и обсуждали, это было незабываемо. Заказчик по нашему контракту заказал всю элементную базу для фазы проработки, тестирования и отладки. Пока все путешествовало через полмира из США в Россию, я сидел за манами:


и рисовал начальный вариант схемы в Easyeda.com


Схема контроллера должна автоматически перезапускаться после окончания прошивки, что тоже было учтено в последней версии схемы и печатной плате.

Для прошивки и отладки был использован мост USB-to-UART CP2104 маленький, шустрый, полностью покрывающий потребности.


Корпус QFN EP-24 Паяется отлично, главное все правильно сделать.

При разводке печатной платы было необходимо учесть рекомендации разработчиков модулей, все данные есть в даташитах, что и как располагать, как учитывать взаимное расположение деталей при разных видах монтажа, сколько слоев должно быть в минимальном варианте печатной платы. Маны великая вещь, не ленитесь их читать очень помогает.

А не развести ли нам печатную плату?


Разводка печатной платы под устройство отдельная история. От автоматической разводки отказался даже после применения правил. При разводке каждый производитель электроники печатных плат, закладывает определенные допуски на расстояния между дорожками, между отверстиями и много еще разных иногда малопонятных параметров.

Но лучше человеческого мозга, ничто не может развести печатную плату, главное терпение и обязательно сохранять промежуточные варианты.


Тот, кто пользуется Sprint layout меня поймет. Когда сделал лучше, чем автомат. Мозг тренируется и ликует, вы радуетесь. Значит ваше умение разводить печатные платы растет. Интереснейшая головоломка, зависнуть можно на неделю, а то и больше. Короче, разводка печатной платы это просто удовольствие.

Easyeda.com постоянно обновляет свой функционал, что хорошо, но есть недостатки (проксирование входа под оперу так и не исправили или это только у меня так), поэтому приходится работать в нем и делать бэкапы, что бы ничего не потерять. Оффлайн версия редактора не может жить без инета, компоненты все подтягиваются только через инет и не хранятся на компе локально.


Вот так Easyeda показывает 3D модель печатной платы.

Заказ печатных плат для устройства 4 слойные с повышенной точностью совместимости по слоям за счет применения материала стеклотекстолита FR-4 TG-155.



Компонентная база наше всё


Отдельно скажу о компонентах, в манах приводятся компоненты которые рекомендует производитель, лучше придерживаться рекомендаций или брать лучше.
Мне повезло, я долгое время работаю по компонентам с Electronshik.ru/
База огромная, цены адекватные если не ниже. 95 процентов всех элементов, доступно немедленно, т.е. после оплаты заказа, отправка сегодня-завтра. Доставка DHL до двери 280 рублей (До моей двери именно так). Меня это очень поразило в первые разы. Приятно работать с такой компанией, это вам не чипдип.

Так же некоторые элементы заказывались у партнера Easyeda Lcsc.com при заказе плат, можно прикрепить к заказу и элементы, купленные у партнера. Экономия на доставке.

Пайка, всякая и разная


На эту тему написано и снято видео столько что можно библиотеку создать. Корпуса элементов маленькие от 0402 до 0805. Плата тестовая была зафлюсована, залужена, потом сама пайка. Нюансы пайки на ютьюбе. И да, я паяю под микроскопом.



Первое включение или порядок сборки


Порядок пайки у меня такой:

  1. USB разъем
  2. микропереключатель
  3. CP2104 с обвязкой
  4. Подача питания от блока питания
  5. определение компьютером нового USB устройства
  6. Пайка чипа зарядки литиевой батареи и стабилизатора с обвязкой
  7. Проверка в связке CP2104, зарядки и стабилизатора


На очереди ESP32. Нюанс с пайкой корпуса на 39 ножке, ребят не ленитесь его паять, так написано в мане, не зря же вы его разводили на плате. Аккуратненько запаиваем как по учебнику все ножки ESP32 и его обвязку. Проверяем работу зарядки, стабилизатора и ESP32.

Первая прошивка контроллера тестовой прошивкой проверка WiFi и блютуз. но не происходит сброса перед прошивкой. Забыл на плате, схему сброса развести (в последней версии исправлено этот недочет и еще парочку не критичных), припаялся прямо к ESP32, прошил успешно.

Остается самое сложное по железу, пайка PN5180 и его обвязки под радиочастотную часть. Частота небольшая 13.56МГц, но требования к аккуратности пайки еще никто не отменял. Все должно быть красиво и радовать глаз.

До пайки PN5180 сделал дополнительные расчеты в RFSim99, а также в фирменной программе NXP NFC Antenna Tool, чтобы точнее попасть по параметрам согласования антенны и радиочастотной части PN5180.

Программы помогли, но настраивать под реальные условия все равно пришлось с помощью векторного анализатора OSA-103 (Заказчик закупил на этап настройки). КСВ антенны получил 1.17. Оса-103 отечественная разработка, отличного качества, целая лаборатория в одном приборе. Дополнительные конденсаторы и резисторы Электронщик доставил очень быстро, так что никаких задержек с дальнейшей пайкой не было.

Все запаяно, несколько раз проверено, включение микропереключателя, определение как USB устройства, компиляция теста для проверки PN5180 попытка заливки прошивки. Заливка прошивки. Чтение данных с RFID NFC карточки. Ура с железом закончили, все работает, как и планировалось.

Программная часть, последняя


Написание программной части это как порыв страсти, как дзен. Садишься за клавиатуру и по заранее написанному алгоритму, пишешь код. Строчка за строчкой, программа обрастает задачами, функциями, процедурами, тестовыми модулями.
Весь код писался под FREERTOS из-за его гибкости. Каждой задаче таске свое время будет выделено. Планировщик все сделает для этого. Под чистый Ардуино-код это сделать сложно, т.к. есть основная задача которая крутится в цикле loop не сможет управлять периферией, слушать окружение антенны NFC и обмениваться данными по блютузу. Вернее так, можно, но не так красиво и изящно, как под FREERTOS.
Устройство закончено, остались нюансы по прошивке для уточнения под требования Заказчика.

В заключении, своего повествования хочу сказать, что разработка электроники даже на фрилансе это реальность. Это возможно и это нужно. Ведь в мире столько нового и интересного. И заметьте мне всего 47 лет :) Жизнь движение.

P.S. Если у кого-то возникли вопросы пишите в комментариях.


Подробнее..
Категории: Блог компании ruvds.com , Diy или сделай сам , Производство и разработка электроники , Фриланс , Rfid , Esp32 , Разработка электроники , Вдохновение , Nfc , Freertos , Osa-103 , Pn5180 , Cp2104 , Easyeda , Esp32-wroom

Операционные усилители 10 схем на (почти) все случаи жизни

25.08.2020 20:14:31 | Автор: admin
Всем привет!
В последнее время я по большей части ушел в цифровую и, отчасти, в силовую электронику и схемы на операционных усилителях использую нечасто. В связи с этим, повинуясь неуклонному закону полураспада памяти, мои знания об операционных усилителях стали постепенно тускнеть, и каждый раз, когда все-таки надо было использовать ту или иную схему с их участием, мне приходилось гуглить ее расчет или искать его в книгах. Это оказалось не очень удобно, поэтому я решил написать своего рода шпаргалку, в которой отразил наиболее часто используемые схемы на операционных усилителях, приведя их расчет, а также результаты моделирования в LTSpice.



Введение


В рамках данной статьи будет рассмотрено десять широко используемых схем на операционных усилителя. При написании данной статьи я исходил из того, что читатель знает, что такое операционный усилитель и хотя бы в общих чертах представляет, как он работает. Также предполагается, что ему известны базовые вещи теории электрических цепей, такие как закон Ома или расчет делителя напряжения.
Не следует воспринимать эту статью как законченное руководство по применению операционных усилителей в любых ситуациях. Для большого количества задач, действительно, этих схем может быть достаточно, однако в сложных проектах всегда может потребоваться что-то нестандартное.

1. Неинвертирующий усилитель


Неинвертирующий усилитель наверное, наиболее часто встречающаяся схема включения операционного усилителя, она приведена на рисунке ниже.


В этой схеме усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а сигнал с выхода через делитель напряжения попадает на инвертирующий вход.
Расчет этой схемы прост, он строится исходя из того, что операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, отрабатывает входное воздействие таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем входе было равно напряжению на неинвертирующем:

$V_{IN}=V_{OUT}\frac{ R2}{R1+R2}$


Из этой формулы легко получается коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

$\mathbf{k= \frac {V_{OUT}}{V_{IN}}=1+\frac {R1}{R2}}$


Рассчитаем и промоделируем неинвертирующий усилитель со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления $k=10$
  • Частота входного сигнала $F=100 \text{ кГц}$
  • Амплитуда входного сигнала $V_{INmax}=0,1 \text{ B}$
  • Постоянна составляющая входного сигнала $V_{IN=}=0,2 \text{ В}$

Выберем из ряда Е96 $R1=9,53 \text{ кОм}$ и $R1=1,05 \text{ кОм}$. Тогда коэффициент усиления будет равен

$k=1+\frac {R1}{R2}=1+\frac {9,53 \cdot 10^3}{1,05 \cdot 10^3} \approx 10$


Результат моделирования данной схемы приведен на рисунке (картинка кликабельна):


Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя. Допустим, величина сопротивления резистора $R2=0 \text{ Ом}$. При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы. Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.
Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления $R1=0 \text{ Ом}$. Его мы рассмотрим в следующем разделе.

2. Повторитель


Как уже говорилось ранее, включение операционного усилителя по схеме повторителя это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.


Как видно из формулы, приведенной в прошлом разделе, коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала. Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:

  • Выходное сопротивление источника сигнала 10 кОм
  • Сопротивление нагрузки 1 кОм
  • Частота входного сигнала $F=100 \text{ кГц}$
  • Амплитуда входного сигнала $V_{INmax}=0,1 \text{ B}$
  • Постоянна составляющая входного сигнала $V_{IN=}=0,2 \text{ В}$

Моделирования будем проводить для двух случаев: в первом случае пусть источник сигнала работает на нагрузку через повторитель, а во втором случае напрямую.
Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна): на верхней осциллограмме выходной и входной сигналы в точности совпадают друг с другом, тогда как на нижней сигнал на выходе в несколько раз меньше по амплитуде относительно сигнала на входе.


Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

3. Инвертирующий усилитель (классическая схема)


В схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вывод микросхемы, на него же заведена и обратная связь. Неинвертирующий вход при этом подключается к земле (иногда к источнику смещения). Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке ниже.


Для входной цепи инвертирующего усилителя можно записать следующее выражение:

$\frac {V_{IN}-V_{-}}{R1}=\frac {V_--V_{OUT}}{R2}$


Где $V_-$ напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку операционный усилитель, охваченный петлей обратной связи, стремится выровнять напряжения на своих входах, то $V_-=0$, и при заземленном неинвертирующем входе получаем

$\frac {V_{IN}}{R1}=-\frac{V_{OUT}}{R2}$


Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

$\mathbf{k=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=-\frac{R2}{R1}}$


По инвертирующему усилителю можно сделать следующие выводы:

  1. Инвертирующий усилитель инвертирует сигнал. Это значит, что необходимо применение двухполярного питания.
  2. Величина модуля коэффициента усиления инвертирующего усилителя равна отношению резисторов цепи обратной связи. При равенстве номиналов двух резисторов коэффициент усиления равен -1, т.е. инвертирующий усилитель работает просто как инвертор сигнала.
  3. Величина входного сопротивления инвертирующего усилителя равна величине резистора R1. Это важно, потому что при маленьких значениях R1 может сильно нагружаться предыдущий каскад.

Для примера рассчитаем инвертирующий усилитель со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления $k=-10$
  • Частота входного сигнала $F=100 \text{ кГц}$
  • Амплитуда входного сигнала $V_{INmax}=0,1 \text{ B}$
  • Постоянна составляющая входного сигнала $V_{IN=}=0,2 \text{ В}$

В качестве резисторов в цепи обратной связи выберем резисторы номиналами $R1=10 \text{ кОм}$ и $R2=100 \text{ кОм}$: их отношение как раз равно десяти.
Результаты моделирования усилителя приведены на рисунке (картинка кликабельна).


Как видим, выходной сигнал в 10 раз больше по амплитуде, чем входной, и при этом проинвертирован.
Входное сопротивление данной схемы равно $R1=10\text{ кОм}$. А что будет, если источник сигнала будет иметь значительное выходное сопротивление, допустим, эти же 10 кОм? Результат моделирования этого случая представлен на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Амплитуда выходного сигнала просела в два раза по сравнению с предыдущим случаем! Очевидно, что это все из-за того, что выходное сопротивление генератора в этом случае равно входному сопротивлению инвертирующего усилителя. Таким образом, стоит всегда помнить про эту особенность инвертирующего усилителя. Как же быть, если все-таки требуется обеспечить работу источника сигнала с высоким выходным сопротивлением на инвертирующий усилитель? В теории надо увеличивать сопротивление R1. Однако одновременно с эти будет расти и сопротивление R2. Если мы хотим обеспечить входное сопротивление схемы в 500 кОм при коэффициенте усиления 10, резистор R2 должен иметь сопротивление в 5 МОм! Такие большие номиналы сопротивлений применять не рекомендуется: схема будет очень чувствительной к наводкам, пыли и флюсу на печатной плате. Есть ли какие-то выходы из этой ситуации? На самом деле да. Можно, например, использовать буфер-повторитель, который мы рассмотрели в прошлом разделе. А можно еще применить схему с Т-образным мостом в обратной связи, про нее поговорим в следующем разделе.

4. Инвертирующий усилитель с Т-образным мостом в цепи ОС


Схема инвертирующего усилителя с Т-образным мостом в цепи обратной связи приведена на рисунке ниже.


Коэффициент усиления этой схемы равен

$\mathbf{k=\frac {V_{OUT}}{V_{IN}}=-\frac {R2+R3+\frac{R2\cdot R3}{R4}}{R1}}$


Рассчитаем усилитель со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления $k=10$
  • Частота входного сигнала $F=100 \text{ кГц}$
  • Амплитуда входного сигнала $V_{INmax}=0,1 \text{ B}$
  • Постоянна составляющая входного сигнала $V_{IN=}=0,2 \text{ В}$
  • Входное сопротивление $R=500 \text{ кОм}$

Расчет показывает, что следящие номиналы резисторов должны сформировать усилитель с Т-образным мостом, отвечающий заявленным требованиям:

$R1=499 \text{ кОм}$


$R2=R3=22,6 \text{ кОм}$


$R4=100 \text{ Ом}$


Результаты моделирования схемы усилителя приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Попробуем теперь подключить источник с выходным сопротивлением 10 кОм, как мы это сделали в предыдущем разделе. Получим такую картинку (кликабельно):


Выходной сигнал практически не изменился по амплитуде по сравнению с предыдущим моделированием, и это ни в какое сравнение не идет с тем, насколько он проседал в схеме простого инвертирующего усилителя без Т-моста. Кроме того, как мы видим, эта схема позволяет обойтись без мегаомных резисторов даже при больших коэффициентах усиления и значительном входном сопротивлении.

5. Инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием


Схемы с однополярным питанием распространены гораздо больше, чем схемы с двухполярным. Вместе с тем, как мы выяснили в прошлых двух разделах, при использовании схемы инвертирующего усилителя у нас меняется знак выходного напряжения, что влечет за собой обязательное применение двухполярного источника питания. Можно ли как-то обойти это ограничение и использовать инвертирующий усилитель в схемах с однополярным питанием? На самом деле можно, для этого надо на неинвертирующий вход усилителя подать напряжение смещения как показано на рисунке ниже



Примечание
Позиционные обозначения R1 и R2 показаны условно. Они одни и те же для разных резисторов на схеме, что, конечно, невозможно для реальной схемы, однако допускается на рисунке для подчеркивания того, что эти резисторы имеют одинаковые номиналы.

Расчет этой схемы строится все на том же принципе равенства напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя. Ток через цепочку резисторов R1-R2 инвертирующего плеча равен

$I_{R1R2}=\frac {V_{OUT}-V_-}{R2}=\frac {V_--V_{IN}}{R1}$


Отсюда напряжения на инвертирующем входе равно

$V_-=\frac{V_{OUT}\cdot R1+V_{IN}\cdot R2}{R1+R2}$


Напряжение на неинвертирующем входе равно

$V_+=V_{REF}\frac{R2}{R1+R2}$


Исходя из принципа равенства напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах получаем

$V_{OUT}\cdot R1+V_{IN}\cdot R2=V_{REF}\cdot R2$


Таким образом, напряжение на выходе операционного усилителя равно

$\mathbf{V_{OUT}=(V_{REF}-V_{IN})\frac{R2}{R1}}$


Отсюда делаем вывод, что для корректной работы напряжения смещения $V_{REF}$ должно быть больше максимального входного напряжения с учетом подаваемого на вход напряжения смещения.
Промоделируем схему инвертирующего усилителя со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления $k=10$
  • Частота входного сигнала $F=100 \text{ кГц}$
  • Амплитуда входного сигнала $V_{INmax}=0,01 \text{ B}$
  • Постоянна составляющая входного сигнала $V_{IN=}=0,2 \text{ В}$
  • Напряжение источника смещения $V_{REF}=0,22 \text{ В}$

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (картинка кликабельна)


Как видим, мы получили усиленный в 10 раз инвертированный сигнал, при этом сигнал проинвертировался, однако, не залез в отрицательную область.

6. Инвертирующий сумматор


Операционный усилитель можно использовать для суммирования различных сигналов. С помощью резисторов можно задавать вес каждого из сигнала в общей сумме. Схема инвертирующего сумматора приведена на рисунке ниже.


Расчет инвертирующего сумматора очень прост и основывается на принципе суперпозиции: суммарный выходной сигнал равен сумме отдельных составляющих:

$V_{OUT1}=-\frac{R4}{R1}V_{IN1}$


$V_{OUT2}=-\frac{R4}{R2}V_{IN2}$


$V_{OUT3}=-\frac{R4}{R3}V_{IN3}$


$\mathbf {V_{OUT}=-\left(\frac{R4}{R1}V_{IN1}+\frac{R4}{R2}V_{IN2}+\frac{R4}{R3}V_{IN3}\right)}$


Рассчитаем и произведем моделирование инвертирующего сумматора со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Частота входного сигнала $F=100 \text{ кГц}$
  • Амплитуда входного сигнала 1 $V_{IN1}=0,1\text{ В}$
  • Амплитуда входного сигнала 2 $V_{IN2}=0,2\text{ В}$
  • Амплитуда входного сигнала 3 $V_{IN3}=0,3\text{ В}$
  • Вес сигнала 1 $v_{1}=3 $
  • Вес сигнала 2 $v_{2}=2 $
  • Вес сигнала 3 $v_{3}=1 $

Для обеспечения требуемых весов $v_{1} $, $v_{2} $ и $v_{3} $ выберем сведущие номиналы резисторов из ряда Е96:

$R1=10\text{ кОм}$


$R2=20\text{ кОм}$


$R3=R4=30,1\text{ кОм}$


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Видим, что выходной сигнал проинвертирован и усилен в соответствии с выражением, приведенным выше. Однако стоит всегда помнить, что приведенное выше выражение верно для постоянных напряжений (либо же мгновенных значений переменного сигнала). Если же сдвинуть сигналы по фазе или если они будут обладать разной частотой, то результат будет совершенно другим. Аналитически его можно рассчитать, воспользовавшись формулами преобразования тригонометрических выражений (в случае, если мы имеем дело с синусоидальными сигналами). В качестве примера на рисунке ниже приведен результат моделирования инвертирующего сумматора для случая сдвинутых по фазе входных сигналов (изображение кликабельно).


Как видим, итоговый сигнал не превышает по амплитуде сигнал $V_{IN3}$, а также имеет в начальной части артефакты, вызванные постепенным появлениями сигналов на входах.
Необходимо также помнить, что инвертирующий сумматор по сути все тот же инвертирующий усилитель, и его входное сопротивление определяется величиной резистора в цепи обратной связи, поэтому его надо аккуратно применять в случаях, если источник сигнала имеет большое выходное сопротивление.

7. Дифференциальный усилитель


Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности сигналов, поступающих на его входы. Такое включение усилителей широко используется, например, для усиления сигнала с резистора-шунта-датчика тока. Что немаловажно, операционный усилитель в таком включении помимо, собственно, усиления сигнала, давит синфазную помеху.
Схема дифференциального усилителя приведена на рисунке.



Для дифференциального усилителя можно записать следующие выражения:

$\frac{V_{OUT}-V_-}{R40}=\frac{V_--V_{IN2}}{R3}$


$V_+=V_{IN1}\frac{R2}{R1+R2}$


$V_+=V_-$


Решая эту систему уравнений, получаем

$V_{OUT}=V_{IN1}\frac{R2}{R1+R2}\frac{R3+R4}{R3}-V_{IN2}\frac{R4}{R3}.$


Если мы примем, что

$\frac{R2}{R1}=\frac{R4}{R3},$


то данное выражение упрощается и преобразуется в

$\mathbf {V_{OUT}=(V_{IN1}-V_{IN 2})\frac{R2}{R1}}.$


Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется отношением R2 к R1.
Эта формула (да и сама схема включения дифференциального усилителя) очень похожа на рассмотренный ранее случай инвертирующего усилителя в схеме с однополярным питанием. Действительно, все так и есть: схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и напряжением смещения есть частный случай дифференциального усилителя, просто в ней на один из входов подается не какой-то переменный сигнал, а постоянное напряжение.
Произведем моделирование схемы со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Коэффициент усиления $k=50$
  • Частота входного сигнала $F=100 \text{ кГц}$
  • Амплитуда входного сигнала 1 $V_{IN1}=0,015 \text{ B}$
  • Амплитуда входного сигнала 2 $V_{IN1}=0,01 \text{ B}$
  • Величина усиливаемого сигнала $\Delta=V_{IN1}-V_{IN2}=0,005 \text{ В}$

Результаты моделирования приведены на рисунке ниже (изображение кликабельно).


Как видим, разница между сигналами $V_{IN1}$ и $V_{IN2}$ в 5 мВ оказалась усиленной в 50 раз и стала 250 мВ.
Посмотрим теперь, как дифференциальный усилитель давит синфазную помеху. Для этого подключим к сигналам $V_{IN1}$ и $V_{IN2}$ общий генератор белого шума и произведем моделирование, его результаты представлены на рисунке (картинка кликабельна).


На верхней осциллограмме приведены сигналы $V_{IN1}$ и $V_{IN2}$ с добавленной помехой: самого сигнала уже даже не видно за шумами. На нижней осциллограмме приведен результат работы дифференциального усилителя. Поскольку помеха одна и та же для инвертирующего и неинвертирующего входа, дифференциальный усилитель ее убирает, и в результате мы имеем чистый сигнал, не отличающийся от случая без помехи. Однако стоит все же помнить, что способность операционного усилителя давить синфазную помеху не бесконечна, данный параметр обычно приводится в документации на операционный усилитель. Кроме того, нельзя забывать и про величину входного сопротивления дифференциального усилителя со стороны инвертирующего входа: оно по-прежнему может быть невелико.

8. Источник тока


Операционный усилитель при определенном включении может работать как источник тока. Источник тока поддерживает постоянный ток вне зависимости от величины сопротивления нагрузки (в идеальном источнике нагрузка может быть вообще любая, в реальном не больше какой-либо величины, пропорциональной максимально возможному напряжению, которое может сформировать на ней источник тока). Возможно как минимум две схемы источника тока на операционном усилителе: с плавающей нагрузкой и с заземленной нагрузкой. Схема источника тока с плавающей нагрузкой предельно проста и приведена на рисунке ниже


Как видим, на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, а в роли нагрузки выступает один из элементов обратной связи. Величина тока при этом определяется следующим выражением

$\mathbf {I=V_{REF}\cdot R1}$


Однако все-таки чаще требуется, чтобы нагрузка была заземлена. В этому случае схема немного усложняется: потребуется дополнительный транзистор. Для этих целей лучше брать полевой транзистор: у биполярного транзистора токи коллектора и эмиттера немного отличаются из-за тока базы, что приведет к менее стабильной работе источника тока. Схема источника тока на операционном усилителе с заземленной нагрузкой приведена на рисунке ниже


Величина тока рассчитывается так:

$\mathbf {I=\frac{V_{REF}-V_{+}}{R}=\frac{V_{REF}}{R}\left(1-\frac{R2}{R1+R2}\right)}$


Произведем расчет и моделирование источника тока со следующими параметрами:

  • Операционный усилитель LT1803
  • Величина силы тока $I=10 \text { мА}$
  • Величина сопротивления нагрузки $R_{load}=10 \text { Ом}$

Для обеспечения заданных характеристик подойдут следующие номиналы сопротивлений резисторов:

$R=250 \text{ Ом}$


$R1=R2=1 \text{ кОм}$


Результат моделирования источника тока с заданными параметрами представлен на рисунке ниже (изображение кликабельно).


На рисунке приведено два графика. Верхний график показывает величину тока через сопротивление нагрузки, и она равна 10 мА. Нижний график показывает напряжение на нагрузке, оно равно 100 мВ. Попробуем теперь изменить сопротивление нагрузки: вместо 10 Ом возьмем 100 Ом и промоделируем (изображение кликабельно):


Как мы видим, через нагрузку течет все тот же самый ток в 10 мА: операционный усилитель отработал изменение нагрузки, повысив на ней напряжение, оно теперь стало равным 1 В. Но в реальности операционный усилитель не сможет поднимать напряжение бесконечно: оно ограничено напряжением источника питания (а зачастую еще и несколько меньше него). Что же будет, если задать сопротивление нагрузки слишком высоким? По сути, источник тока перестает работать. На рисунке ниже пример моделирования источника с сопротивление нагрузки в 1 кОм (изображение кликабельно).


Согласно графику, ток через нагрузку теперь уже никакие не 10 мА, а всего лишь 4 мА. При дальнейшем повышении сопротивления нагрузки ток будет все меньше и меньше.
Дополнительно по приведенным схемам источников тока на операционных усилителях надо отметить, что стабильность выходного тока в них зависит от стабильности напряжения $V_{IN}$, в связи с этим оно должно быть хорошо стабилизированным. Существуют более сложные схемы, которые позволяют уйти от этой зависимости, но в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.

9. Интегратор на операционном усилителе


Думаю, что все читатели знакомы с классической схемой интегратора на RC-цепочке:


Эта схема чрезвычайно широко используется на практике, однако имеет в себе один серьезный недостаток: выходное сопротивление этой схемы велико и, как следствие, входной сигнал может существенно ослабляться. Для устранения этого недостатка возможно использование операционного усилителя.
Простейшая схема интегратора на операционном усилителе, встречающаяся во всех учебниках, приведена на рисунке ниже.


Как видно из рисунка это инвертирующий интегратор, т.е. помимо интегрирования сигнала, он меняет также и его полярность. Следует отметить, что это требуется далеко не всегда. Еще один серьезный недостаток этой схемы конденсатор интегратора накапливает в себе заряд, который надо как-то сбрасывать. Для этого можно либо применять резистор, включенный параллельно с конденсатором (однако необходимо учитывать также его влияние на итоговый сигнал), либо же сбрасывать заряд с помощью полевого транзистора, открывая его в нужные моменты времени. По этой причине я решил рассмотреть более подробно другую схему интегратора с использованием операционного усилителя, которая, на мой взгляд, заслуживает больший практический интерес:


Как видно из рисунка, эта схема представляет собой классический интегратор на RC-цепочке, к которому добавлен повторитель на операционном усилителе: с помощью него решается проблема выходного сопротивления.
Интегратор можно также рассматривать как фильтр нижних частот. Частота среза АЧХ фильтра высчитывается по формуле

$\mathbf {f_c=\frac{1}{2\pi R1C1}}$


Тут стоит обратить внимание на один очень важный момент. Надо всегда помнить, что частота среза, рассчитанная выше, верна только для RC-цепочки и не учитывает частотных свойств самого операционного усилителя. Частотными свойствами операционного усилителя можно пренебречь, если мы попадаем в его рабочий диапазон частот, но если мы вдруг выйдем за него, то итоговая частотная характеристика схемы будет совсем не такой, как мы ожидали. Грубо говоря, если у нас RC-цепочка настроена на 1 МГц, а операционный усилитель позволяет работать до 100 МГц все хорошо. Но если у нас цепочка на 10 МГц, а операционный усилитель работает до 1 МГц все плохо.
В качестве примера рассчитаем ФНЧ со следующими параметрами частотой среза АЧХ в 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать

  • Частота среза АЧХ $f_c=1 \text { МГц}$
  • Операционный усилитель LT1803 (Максимальная частота 85 МГц)

Для заданной частоты среза АЧХ подойдут следующие номиналы сопротивления и емкости RC-цепочки:

$R1=1,58 \text{ кОм}$


$C1=100 \text{ пФ}$


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (изображение кликабельно). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка+операционный усилитель, зеленая линия).


Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты зеленая идет вниз гораздо круче. Это как раз и объясняется тем, что на частотные свойства схемы начинает оказывать влияние уже сам операционный усилитель.
Ну и поскольку все-таки мы рассматриваем интегратор, то на следующем рисунке (кликабельно) приведена классическая картинка из учебников: интегрирование прямоугольных импульсов. Параметры интегратора те же, какие были в предыдущем моделировании частотной характеристики.



10. Дифференциатор на операционном усилителе


Схема простейшего дифференциатора на RC-цепочке известна ничуть не меньше, чем схема интегратора:


Эта схема имеет все тот же недостаток, связанный с высоким выходным сопротивлением, и для его устранения можно аналогичным образом применить операционный усилитель. Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы инвертирующего интегратора путем замены конденсаторов на резисторы и резисторов на конденсаторы, она приведена на рисунке ниже.



Однако и в этом случае более подробно рассмотрим другую схему, состоящую из классического дифференциатора на RC-цепочке и повторителя на операционном усилителе:


Если интегратор мы рассматривали как простейший фильтр нижних частот, то дифференциатор наоборот фильтр верхних частот. Частота среза АЧХ считается все по той же формуле

$\mathbf {f_c=\frac{1}{2\pi R1C1}}$


В случае дифференциатора также нельзя забывать про частотные свойства самого операционного усилителя: здесь они выражены даже более ярко, чем в случае с интегратором. Как мы уже убедились в прошлом разделе, начиная с определенной частоты операционный усилитель работает как фильтр нижних частот, тогда как дифференциатор это фильтр верхних частот. Вместе они будут работать как полосовой фильтр.
В качестве примера рассчитаем ФВЧ с частотой среза АЧХ равной тем же 1 МГц. Для такой частоты можно выбрать все те же номиналы компонентов, которые были в случае ФНЧ:

$R1=1,58 \text{ кОм}$


$C1=100 \text{ пФ}$


Результат моделирования приведен на рисунке ниже (картинка кликабельна). На этом рисунке показаны две частотные характеристики: отдельно для RC-цепочки (красная линия) и для всей схемы целиком (RC-цепочка + операционный усилитель, зеленая линия).


Как видно из рисунка, красная и зеленая линии сначала совпадают, а начиная с определенной частоты, зеленая линия идет резко вниз, тогда как красная линия, отражающая работу непосредственно самой RC-цепочки, горизонтальна.
Работа дифференциатор при подаче на его вход прямоугольных импульсов приведена на рисунке ниже (изображение кликабельно).



Заключение


В данной статье мы рассмотрели десять наиболее часто встречающихся схем на операционных усилителях. Операционный усилитель мощный инструмент в умелых руках, и количество схем, которые можно создать с его помощью, конечно, многократно превосходит то, что было рассмотрено, однако, надеюсь, данный материал будет кому-то полезен и поможет более уверенно использовать этот компонент в своих разработках.

Полезные ссылки
  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Изд. 2-е. М.: Издательство БИНОМ 2014. 704 с
  2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех М.: Издательский дом Додэка XXI 2011. 509 с
  3. LT1803


Подробнее..
Категории: Diy или сделай сам , Производство и разработка электроники , Схемотехника , Моделирование , Электроника , Электроника для начинающих , Разработка электроники , Hardware , Операционный усилитель , Ltspice

Очень трудно искать чёрную кошку в тёмной комнате, особенно, если там её нет

20.04.2021 16:13:49 | Автор: admin


Дочь занимается изготовлением украшений из полимерной глины и как-то пришла ко мне с просьбой. Хочу, говорит, снимать рекламные ролики своих изделий на видео, и публиковать их в Инстаграме.

После уточнения всех её хотелок и нескольких экспериментов были сформированы примерные требования к проекту видеосъемка для интернета:
  1. Съемка видео должна выполняться с использованием штатива (в противном случае на видео заметны движения оператора)
  2. Требуется поворотный стол для экспозиции небольших предметов (так как камера располагается на штативе, а необходимо показать изделия со всех сторон).
  3. Съемка должна вестись на камеру мобильного телефона, т.к. одно из мест для публикации, это Instagram, в котором опубликовать видео можно только с мобильника

Собственно, после этого и начинается курьезная история о том, как я делал вращающийся предметный стол для съемок видеороликов, и что получается, когда сильно увлекаешься поиском решения, не разобравшись в сути проблемы.

Внимание, дальше картинки и видео!

Первый подход


У меня давно пылится на полке без дела старый циклоп 3D сканер, который уже имеет круглый поворотный стол подходящего размера.



Изначальная конструкция сканера рассчитана на ручную сборку, поэтому за пару вечеров он превратился вот в такой компактный вращающейся предметный столик.



В моей версии сканера используется кастомная плата, аналогичная плате Ардуино Nano, но на ней дополнительно установлен драйвер шагового двигателя и ключи для управления лазерами.

Посмотрел документацию на драйвер, вызвонил нужные пины у микроконтроллера и накидал несколько строк кода, в которых захардкодил вращение шагового двигателя с одной постоянной скоростью на микрошаге.

За исходник сейчас не ручаюсь, может быть там были и другие таймауты, но суть в том, что это простейший код, в котором нет ничего интересного 
#include <Arduino.h>#define DIR 13#define STEP 12#define ENABLE 9void setup() {  pinMode(DIR, OUTPUT);  pinMode(STEP, OUTPUT);  pinMode(ENABLE, OUTPUT);    digitalWrite(ENABLE, LOW);  digitalWrite(DIR, LOW);}void loop() {    digitalWrite(STEP, LOW);    delayMicroseconds(1);    digitalWrite(STEP, HIGH);    delayMicroseconds(3000);}



Интересное началось после съемок первых видеороликов. На видео видно неравномерное вращение предметного стола, которые создают неприятные дергающие эффекты.



Понятно, что такое видео больше раздражает, а не привлекает, поэтому пришлось засесть за подбор параметров вращения двигателя и опытным путем был выявлен неприятный факт.

На очень медленной скорости вращения, ниже определенного порога, становятся заметна дискретность переключения шагов. А за счет жесткой связки вала с предметным столом становятся заметны и дерганье стола, которые возникают при переключении обмоток шагового двигателя с низкой частотой.

Но, если сделать скорость вращения чуть выше порога, то визуальное дерганье пропадает, но само вращение стола становится довольно быстрым и рассматривать предметы с такой скоростью вращения становится не комфортно. В результат первый вариант в лоб пришлось забраковать и думать над доработками.

Второй подход


Немного подумав, решил, что самым простым выходом в моей ситуации будет понижающий редуктор между валом двигателя и предметным столом. Пусть шаговый двигатель вращается быстро, но плавно, а за счет понижающего редуктора предметный столик будет вращаться с приемлемой для видеосъемок скоростью.

Заказывать редуктор в Китае не хотелось, чтобы потом еще и ждать несколько недель доставку, а хотелось сделать побыстрее. Но готовых миниатюрных редукторов с моем городе так же не нашлось. Поэтому изучив возможные решения на просторах интернета, остановился на понижающем hand-made редукторе из подшипника вращения. Наподобие вот такого


Небольшая сложность возникла, когда нужно было сделать торцевой упор непосредственно на шарики подшипника. Но тут на помощь пришла пластмасса, которая формуется в горячей воде прямо руками, а потом немного дорабатывается напильником.

Получилось вот такая конструкция:





Правда в итоге, толку от такого решения тоже оказалось не много.

Хотя редуктор и выполнял свою роль, а стол стал вращаться более плавно, за счет работы двигателя выше скорости дрыганья, но нагрузку такой редуктор держал совсем мизерную. Достаточно совсем небольшого усилия, и стол останавливался или еще хуже, начинал дергаться из-за периодической потери сцепления в шарикоподшипнике.

В результате от вариант с самодельным редуктором пришлось отказаться.

Тут у меня уже включился азарт, и захотелось сделать вращающийся стол во что бы то ни стало. И если не рассматривать замену шагового двигателя или покупку редуктора, то выбор остался не велик, или попробовать доработать ПО с принципиальной схемой привода, в надежде, что удастся сделать ход шагового движка на низких оборотах более плавным (например, за счет коммутации нескольких обмоток одновременно или использования ШИМ), или установить какой нибудь демпфер для сглаживания возникающих колебаний.

Третий подход


Установка демпфера, который снижает эффект дерганья за счет своей массы, мне показалось более простым решением, чем модификация печатной платы, и я решил реализовать его в первую очередь. А потом вспомнил, что в изначальной конструкции сканера был установлен массивный шарикоподшипник в основании стола. Он скорее всего и служит как раз для этой же цели снизить механические колебания при вращении во время работы сканера.



Обозвав себя идиотом, т.к. убрал тяжеленный шарикоподшипник из конструкции во время экспериментов с понижающим редуктором, я вернул его на место. Вращение стола действительно стало более плавным.

Решив не останавливаться на достигнутом, еще немного доработал конструкцию, заменив жесткую механическую связь вала двигателя со столом на кусок упругой резины, который должен немного гасить мелкие вибрации.

И из такой же резины сделал крепление шарикоподшипника к основанию стола вырезал круг, размером чуть большего внутреннего диаметра, чтобы он вставал враспор, а потом прибил прикрепил резину к пластмассовому основанию.



Такая конструкция с одной стороны допускает небольшой люфт и не дает предметному столу заметно дергаться, а большая масса шарикоподшипника гасит небольшие колебания.

Эпик фейл


После того, как конструкция была опробована и протестирована, я с гордостью передал предметный столик дочке на испытания, предварительно рассказав, как данным агрегатом пользоваться (вставляешь вилку в розетку и все заработает само ;-) ).

Какого же было мое удивления, когда на снятом видео вместо плавного вращения так и остались заметны конвульсивные дерганья.



И только теперь мне стало понятно, что дело было не в работе шагового двигателя (хотя и ему не доставало плавности вращения), но основную часть проблем с дрыганьем на видео создавал старый мобильный телефон, который из-за небольшой производительности процессора, то ли при записи, то ли при конвертировании видео перед публикацией, автоматически преобразовывал записанный видеоролик в такой формат, что в дальнейшем при его воспроизведении даже изначально плавное вращение становилось дерганным.

В результате, проблема плавного вращения на видеороликах решилась заменой старого мобильного телефона на новый, который снимал видео ролики с более высоким качеством (хотя и на новом телефоне иногда проскакивают дрыгающие эффекты).


Эпилог


Эта история случилась более года назад. Я долго думал, стоит ли рассказывать, как чрезмерно увлеченный человек может искать решение надуманной проблемы, в ней не разобравшись.

Но потом решил, что финал истории все таки поучительный, ведь конечная цель достигнута и все остались довольны! (я много вечеров занимался решением интересной задачи, а дочь получила новый мобильный телефон и возможность снимать видеоролики).

А то, что дурная голова рукам покоя не дает, может быть у каждого. Самое главное не зацикливаться на случившимся конфузе, а спокойно отнестись к этому и сделать соответствующие выводы.
Подробнее..
Категории: Diy или сделай сам , Программирование микроконтроллеров , Видеотехника , Юмор , Разработка электроники , Блог компании timeweb , Видео , Продвижение в интернете

Нельзя так просто взять и перепрошить свой гаджет

21.07.2020 14:09:04 | Автор: admin
Энтузиаст добавил в калькулятор Wi-Fi-модуль и получил претензию от правообладателей.

Рассказываем о проекте и разбираемся в ситуации.


Фото Alexander Andrews Unsplash

Но это мой калькулятор


В конце мая энтузиаст и автор YouTube-канала Neutrino модифицировал широко известный инженерный калькулятор. Он заменил солнечную батарею устройства дополнительным OLED-дисплеем, а также встроил туда Wi-Fi-модуль. В результате гаджет получил возможность подключаться к устройствам поблизости и к интернету.

Внешний вид калькулятора практически не изменился, но он обзавелся дополнительными функциями. Теперь он позволяет отображать формулы и шпаргалки на OLED-экране и принимать текстовые сообщения по сети. Активируется дисплей магнитными датчиками, встроенными в корпус, и внешним магнитом. Если двигать его влево и вправо рядом с калькулятором, то можно перемещаться по меню. Как это работает, можно посмотреть тут.

Код проекта автор выложил на GitHub, а о разработке написали крупные технологические площадки вроде Gizmodo, Interesting Engineering и Hackaday. Однако буквально через несколько дней GitHub закрыл доступ к репозиторию из-за жалобы о нарушении авторских прав её подала организация REACT. Это европейская сеть по борьбе с поддельной продукцией, клиентами которой являются многие технологические компании и производители электроники.

Представители REACT заявили, что Neutrino использовал в своем проекте код компании-разработчика гаджета. Однако он утверждает, что обвинения ложные и весь код его собственный, написан с нуля и использует исключительно open source библиотеки. Энтузиаст уже подал апелляцию и ждет, чем закончится разбирательство.

Если купил, могу делать все (ну, почти)


Но организации не дают модифицировать свои устройства, чтобы их не ассоциировали с новыми продуктами, которые можно построить на основе существующих гаджетов. Очевидно, они также защищают источники дохода. К сожалению, это приводит к достаточно спорным разбирательствам.

В 2011 году компания Activision обвинила в нарушении авторских прав специалиста, который провел реверс-инжиниринг их USB-устройства для считывания RFID-меток на мягких игрушках.

Они позволяли открывать дополнительный контент в игре. Компания беспокоилась, что работа инженера даст возможность разблокировать виртуальные предметы нелегальным образом. Хотя энтузиаст даже не пытался разработать подобные инструменты.


Фото Jungwoo Hong Unsplash

Ситуация с Neutrino породила активную дискуссию на Hacker News. Резиденты предложили внести несколько изменений в DMCA (закон США об авторском праве в цифровую эпоху), чтобы избежать аналогичных ситуаций в будущем. В частности, они предлагают запретить передачу права на подачу жалоб третьим лицам и ввести высокие штрафы за ложные обвинения. В теории такие меры должны защитить тех, кто не преследует корыстных целей, а лишь делится интересными проектами.

Ситуация, сложившаяся вокруг калькулятора, близка к разбирательствам, связанным с Right to Repair. Уже долгое время крупные вендоры пытаются запретить ремонт своей техники неавторизованными мастерскими. Можно ожидать, что новые прецеденты будут возникать, пока не будет проработано всестороннее регулирование шаги в этом направлении уже делают.


О чем мы пишем в блоге 1cloud.ru:

Ситуация: нарушают ли AdTech-компании GDPR?
Замести следы и уйти на выходные: как удалить себя из большинства популярных сервисов
Досмотр электронных устройств на границе необходимость или нарушение прав человека?
Подробнее..
Категории: Diy , Open source , Производство и разработка электроники , Блог компании 1cloud.ru , 1cloud , Разработка электроники , Перепрошивка , Железо и технологии

Перевод Всё как в жизни законы проектирования космических кораблей

25.01.2021 12:19:59 | Автор: admin

Это перевод оригинальной статьи Дейва Акина. Дэйв инженер, профессор, директор лаборатории космических систем центра робототехники Мэрилэнда. Я работаю продактом-менеджером в ИТ и нашла здесь много релевантных идей. Некоторые законы и вовсе выглядят очень универсальными.

  1. Проектирование это работа с цифрами. Исследование без цифр всего лишь мнение.

  2. Чтобы правильно спроектировать космический корабль, требуется бесконечное количество попыток. Именно поэтому полезно проектировать его так, чтобы он работал в условиях, когда что-то идет не по плану.

  3. Проектирование итеративный процесс. Необходимое количество итераций всегда на единицу больше, чем то, которое вы сделали в данный момент. Это верно в любой момент времени.

  4. Ваши лучшие конструкторские разработки неизбежно окажутся невостребованными в итоговом проекте. Научитесь жить с разочарованием.

  5. (Закон Миллера) Кривая определяется тремя точками.

  6. (Закон Мара) Все линейно, если волшебным толстым маркером построить график в двойном логарифмическом масштабе.

  7. Человек, который больше всего хочет управлять командой на старте любой проектно-конструкторской работы, с наименьшей вероятностью будет способен на это.

  8. В природе оптимум почти всегда где-то посередине. Не доверяйте утверждениям, что оптимум находится в крайней точке.

  9. Отсутствие всей необходимой информации никогда не должно становиться достаточной причиной для отказа от исследований.

  10. Если сомневаетесь, прикидывайте. При крайней необходимости предполагайте. Но не забудьте вернуться и прибрать за собой, когда появятся реальные цифры.

11. Иногда самый быстрый способ дойти до конца выбросить все и начать сначала.

12. Не существует единственно правильного решения. Но всегда есть несколько неправильных.

13. Проектирование основано на технических требованиях. Нет никаких оснований делать что-то хоть немного лучше, чем предписывают эти требования.

14. (Закон Эдисона) Лучшее враг хорошего.

15. (Закон Ши) Способность улучшать дизайн проявляется в первую очередь в интерфейсах. Это также лучшее место, чтобы все испортить.

16. У людей, которые проводили аналогичные исследования до вас, не было прямого доступа к извечной мудрости. Следовательно, нет никаких оснований доверять их расчетом больше, чем своим. Особенно нет необходимости выставлять их анализ за ваш.

17. Факт публикации исследования не делает его верным.

18. Прошлый опыт отлично подходит для сверки с реальностью. Но слишком много реальности может загубить перспективный проект.

19. Вероятность того, что вы умнее всех в какой-то области крайне мала. Если согласно вашим расчетам, ваша конечная скорость вдвое превышает скорость света, возможно, вы изобрели сверхсветовой двигатель, но вероятность того, что вы облажались, намного выше.

20. Плохой проект при хорошей подаче в конце концов обречен. Хороший проект при плохой подаче обречен сразу.

21. (Закон Ларраби) Половина из того, что вам рассказывали на уроках в школе чушь. Образование это выяснение того, какая половина чушью не является.

22. Сомневаешься документируй. (Требования к документации достигнут максимума вскоре после завершения программы.)

23. Сроки, которые вы ставите, будут казаться научной фантастикой до тех пор, пока ваш заказчик не уволит вас за то, что вы в них не уложились.

24. Это называется Структура декомпозиции работ, потому что оставшаяся часть работ будет расти до тех пор, пока и если вы не начнете ее декомпозировать и структурировать.

25. (Закон Боудена) После неудачного тестирования всегда можно улучшить расчеты, чтобы показать, что у вас действительно всё это время был отрицательный запас прочности.

26. (Закон Монтемерло) Только без глупостей.

27. (закон Варси) Сроки сдвигаются только в одном направлении.

28. (Закон Рейнджера) Не существует такой вещи, как бесплатный запуск.

29. (Закон фон Тизенхаузена об управлении разработкой программ) Чтобы получить точную оценку конечных требований программы, умножьте начальные оценки времени на число пи и сдвиньте запятую на одну позицию вправо.

30. (Закон Тизенхаузена о техническом проектировании) Если вы хотите добиться максимального эффекта при проектировании новой инженерной системы научитесь рисовать. Инженеры всегда конструируют автомобиль так, чтобы он выглядел как исходный замысел художника.

31. (Закон эволюционного развития Мо) Вы не сможете добраться до Луны, взбираясь на все более высокие деревья.

32. (Закон демонстраций Аткина) Когда оборудование работает идеально, действительно важные посетители не появляются.

33. (Закон Паттона о программном планировании) Хороший план, самым безжалостным образом приведенный в исполнение сейчас лучше, чем идеальный план к следующей неделе.

34. (Закон Рузвельта о планировании задач) Делайте то, что можете, там, где находитесь, с тем, что имеете.

35. (Закон о проектировании де Сент-Экзюпери) Конструктор знает, что он достиг совершенства не тогда, когда нечего добавить, а тогда, когда нечего убрать.

36. Любой рядовой инженер может спроектировать что-то изящное. Хороший инженер проектирует работоспособные системы. Великий инженер делает их эффективными.

37. (Закон Хеншоу) Одно из ключевых правил для достижения успеха миссии установление четких границ ответственности.

38. Возможности определяют технические требования, независимо от того, что говорится в учебниках по системной инженерии.

39. Любая исследовательская программа, которая просто случайно включает новый запуск ракеты-носителя, де-факто является программой запуска ракеты-носителя.

40. (альтернативная формулировка) Три ключевых правила для обеспечения доступности и своевременности новой космической программы:

  • Никаких новых ракет-носителей

  • Никаких новых ракет-носителей

  • Что бы вы ни делали, не создавайте новых ракет-носителей.

41. (Закон Макбрайна) Вы не сможете сделать лучше, пока не сделаете, чтобы работало.

42. На то, чтобы сделать правильно, времени всегда не хватает, но на то, чтобы потом переделывать, время всегда находится.

43. Нет программы полета нет денег. Есть программа полета нет времени.

44. Вы действительно начинаете что-то понимать, когда замечаете это в третий раз (или когда впервые учите этому).

45. Космос всецело непрощающая среда. Если вы облажаетесь с инженерией кто-то умрет (и здесь нет возможности частичного зачета, основанной на том, что большая часть расчетов была верна)

Источники:

  1. Оригинальная статья

  2. Страничка Дэйва Аткина в университете Мэрилэнда

Если вам интересны материалы подобной тематики приглашаю вас в свойтелеграм-канал. Пишу в коротком формате о развитии softskills, brain science и своей работе в ИТ.

Подробнее..
Категории: It-стандарты , Анализ и проектирование систем , Разработка , Дизайн , Проектирование и рефакторинг , Разработка робототехники , Проектирование систем , Проектирование , Разработка электроники , Проектирование интерфейсов , Законы , Принципы , Принципы проектирования

Гибрид компьютера и IP-телефона. Анатомия аппаратной платформы GM-Box. Часть 2 разработка

16.10.2020 16:14:58 | Автор: admin

Продолжаю делиться историей разработки аппаратной платформы GM-Box G1. В предыдущей статье я рассказал о первых шагах на пути создания продукта - прототипировании для проверки продуктовых гипотез. Этот этап позволил сформулировать требования к серийному изделию.

Сейчас речь пойдет о непростом пути от технического задания до решений промышленного дизайна и запуска серийного производства в России. Снова будет много технических деталей, фотографий и моих откровений инженера.

Запуск разработки серийного продукта

Наступил долгожданный момент, когда после множества презентаций мы получили инвестиции и начали подготовку к разработке серийной версии нашего продукта. GM-Box стал превращаться, конечно не из гадкого утенка в прекрасного лебедя, но из прототипа во вполне симпатичное и рабочее серийное изделие. Собранные на этапе прототипирования инсайты и знания о нашем продукте мы оформили в виде технического задания (ТЗ). Формат выбрали в международной нотации - Product Requirement Document (PRD), потому что готовились к общению с иностранными подрядчиками.

Без ТЗ получается ХЗБез ТЗ получается ХЗ

Перед нами стояли следующие задачи:

  • промышленный дизайн;

  • разработка конструкции корпуса и молдинга для литья пластика;

  • разработка схемотехники и трассировка печатных плат;

  • разработка Firmware, системного, прикладного и серверного программного обеспечения;

  • организация цепочки и снабжения компонентами, в том числе серийного литья пластика;

  • сборка и тестирование печатных плат;

  • узловая сборка, заливка софта, испытания (приемочные, приемо-сдаточные и т. д.);

  • организация ремонта, технического обслуживания и поддержки;

  • организация логистики (в т. ч. международной);

  • управление качеством;

И, конечно же, мы бились над извечной дилеммой делать всю разработку самим (In House Design - IHD) или заказать на стороне (Original Design and Manufacturing - ODM). Выполнение всех задач внутри требовало немаленькой команды профи разных направлений, а еще много специального оборудования и софта. Это недоступная роскошь для стартапа, и мы решили скомбинировать IHD и ODM. Вот какими были наши ключевые требования к потенциальным партнерам:

  • опыт разработки x86 платформ на современных SoC, включая BIOS и EC;

  • опыт разработки продуктов сегментов: планшеты, телефоны;

  • опыт разработки сложных пластиковых корпусов;

  • высокий уровень качества продукции, услуг;

  • опыт организации и сопровождения крупносерийного производства собственных продуктов.

Изучив рынки России и Беларуси, мы с удивлением осознали, что не можем найти компанию, соответствующую всем нашим ожиданиям. Тогда, хоть и с тревогой, но мы приняли решение ехать в более дальнее зарубежье в поисках партнера. Шел 2017 год Мы нашли азиатскую ODM компанию с нужным нам технологическим стеком, опытом и хорошим качеством. В итоге разделение между нами и ODM перечисленных выше задачах получилось такое: 60% (мы) на 40% (ODM). Работа закипела, и мы начали готовить требования к внешнему виду изделия.

Промышленный дизайн

Нам предстояло описать, как наше устройство будет выглядеть внешне, со стороны пользователя, взаимодействовать с ним и окружающим пространством, интерьером корпоративного офиса или его рабочего места дома в случае удаленки. Функциональные и нефункциональные, технические требования, определяющие форму и содержание, были собраны в ТЗ, их было достаточно много. Одним из ключевых требований было обеспечить удобную и стильную реализацию синергии в продукте смартфона и GM-Box.

Наш дизайнер Михаил, зарядившись ТЗ, идеями и инсайтами команды, с учетом опыта, полученного на прототипах, принялся за работу, а мы стали ждать от него волшебства. Сначала, как и на этапе прототипирования, появились черновые наброски скетчи:

Скетчи на бумагеСкетчи на бумагеСкетчи на доске для рисованияСкетчи на доске для рисования

Дальше перешли к 3D моделированию в Autodesk Inventor. Было безумно много вариантов дизайна на разный вкус и цвет.

Коллаж рендеров концепта GM-Box G1Коллаж рендеров концепта GM-Box G1

Внутри команды мы периодически проводили презентации очередной версии дизайна. Обсуждали решения, предлагали изменения, спорили и, конечно же, даже ругались (какой стартап без ссор?), но всегда договаривались.

Презентация одной из последних версий дизайнаПрезентация одной из последних версий дизайна

В итоге родился промышленный дизайн будущего серийного продукта.

Рендер финального дизайна GM-Box G1Рендер финального дизайна GM-Box G1

Корпус, механика

Мы глубоко проработали дизайн и даже элементы внутренней механики, но все это нужно было связать с начинкой нашего изделия электроникой и обеспечить технологичность при серийном производстве. На базе 3D модели нашего дизайна и требований ТЗ наш ODM партнер начал проработку конструкции. Моделирование делали в Pro Engineer и присылали нам презентации с картинками и вопросами. В ответ мы моделировали в Autodesk Inventor и отправляли им свои идеи. Начитавшись про методологии разработки известных мировых брендов, мы погрузились в длительный итерационный процесс создания MDP (Minimum Desirable Product), сохраняя 3 его точки опоры:

  • гештальт продукта;

  • дизайн;

  • качество.

Инженерная работа над 3D моделью GM-Box G1Инженерная работа над 3D моделью GM-Box G1

Расскажу коротко о самых сложных узлах, попивших у нас крови.

Раскладная опора (нога)

Мы искали решение, которое обеспечит складывание ноги в транспортном режиме. При этом в разложенном состоянии нога должна слегка фиксироваться, предотвращая складывание ноги при работе с устройством. А еще нужно чтобы петля занимала мало места и была недорогой.

Вентиляционная решетка

Необходимо было продумать такую защитную крышку, которая обеспечит эффективный отвод тепла от внутренней электроники, совместив это с размещением там же динамиков. При этом это должна сохраниться дизайнерская мысль и технологичность производства.

Интерфейс подключения смартфона

Необходимо было обеспечить разъемное соединение смартфона с Gm-Box. При этом, реализовать возможность подключения любого смартфона, удобство пользователя и высокую надежность узла.

Конечно, были непростые задачи и с другими частями конструкции. Вот самые запомнившиеся элементы:

  • система охлаждения;

  • клавиатура;

  • трубка;

  • держатель кабелей;

  • внешние микрофоны;

  • слот батарейки часов реального времени;

  • собираемость изделия.

Финалом работы над корпусом стали:

  • подробная 3D модель GM-Box;

  • Mockup образец (неработающий опытный образец).

Целью изготовления Mockup образцов было подтвердить соответствие дизайна, 3D модели и материалов ожиданиям заказчика (нас) и пользователей. Технологически процесс их изготовления состоял из операций:

  • 3D печать;

  • фрезеровка напечатанной заготовки;

  • ручная доработка: снятие заусенцев, ошкуривание, шлифование;

  • покраска;

  • финальная сборка и "доработка напильником".

Mockup образец GM-Box G1Mockup образец GM-Box G1

Что-то пошло не так

Пока мы не ушли далеко от разработки корпуса, расскажу о сложностях, с которыми мы столкнулись на этом этапе, и как мы с этим справились. Получив на руки Mockup образцы, мы стали оценивать его реальный дизайн, а не рендеринг. Разница между картинкой и физическим объектом значительная и именно поэтому изготовление и анализ Mockup так важен для получения качественного продукта. Нас не устраивал дизайн клавиатуры и трубки, с точки зрения их визуального восприятия. Получилось не то. И мы решили переработать эти узлы.

Образец - Mockup2Образец - Mockup2

В поисках нашего гештальта для MDP (писал об этом выше) мы потратили 4 месяца на дизайн и дополнительное прототипирование:

  • искали альтернативные варианты дизайна клавиатуры и трубки;

  • прототипировали;

  • обсуждали;

  • вносили изменения в дизайн изделия и его 3D модель;

  • вносили изменения в 3D модель конструкции.

Варианты нового дизайна клавиатуры Варианты нового дизайна клавиатуры Прототипы клавиатурыПрототипы клавиатурыФинальная версия дизайнаФинальная версия дизайна

Электроника

Параллельно с созданием корпуса мы начали разработку электроники. Нам предстояло решить следующие задачи:

  • разработка архитектуры;

  • выбор элементной базы;

  • компоновка печатных плат и устройства;

  • расчет себестоимости, оптимизация;

  • Design For Manufacturing (DFM) анализ и доработка;

  • наладка (брингап) электроники.

Этапы разработки электронной части в связке с корпусом\механикой и софтом у нас получились такие:

  • Mockup прототип, пустышка, полноразмерный неработающий образец;

  • EVT инженерные образцы, частично работающие, позволяющие отлаживать софт;

  • DVT полнофункциональные опытные образцы с косяками;

  • DVT2 - полнофункциональные опытные образцы без косяков;

  • PVT образцы, собранные на конвейере по серийной технологии;

  • MP серийные изделия.

Очень похоже на наш отечественный процесс разработки по ГОСТ 15: ЭП, ТП, РКД, постановка на производство.

Отрисовку схемотехники и топологию печатных плат выполнял ODM партнер. Использовали Cadence ORCAD. Буквально через 3 недели после готовности топологии появились первые образцы системных плат, и мы поехали их брингапить в Азию.

Один из первых запусков электроникиОдин из первых запусков электроникиРабота программистов в командировке над bring up электроникиРабота программистов в командировке над bring up электроники

Сначала железо запускали и тестировали на Win10, т. к. много готовых утилит, примеров, референсов для наладки. После того как железо ожило на Win10 мы перешли к проверке и доработке на Linux Ubuntu. Это был итерационный процесс поузловой наладки и доработки BIOS и программы EC контроллера. Больше всего досталось нашим программистам, т. к. железо без софта не работает, а софт у нас на Linux Ubuntu и заточен под особенности продукта. Пришлось сильно попотеть в раскуривании работы чипов и общей логики работы устройства и отдельных узлов. Ну и конечно перед нами стояла задача финальной валидации работоспособности продукта на этом этапе разработки (EVT).

Снаружи GM-BOX все просто, а под капотом много интересных штук:

Это настоящий компьютер!Это настоящий компьютер!

Программное обеспечение

Железо без софта безжизненный организм, хотя мне больше по вкусу вот такая визуализация архитектуры программного обеспечения:

Архитектура нашего программного обеспечения GM SMART SYSTEMАрхитектура нашего программного обеспечения GM SMART SYSTEM

Если серьезно, то наш софт это достаточно сложный набор компонентов:

  • Firmware;

  • системное ПО;

  • серверное ПО;

  • мобильное ПО.

У каждого компонента свое предназначение, история разработки, набор применяемых технологий, интересных фич. Поэтому про каждый элемент в отдельности мы расскажем в наших следующих статьях.

Вкратце расскажу сейчас только про устройство Firmware, как крайне важный компонент для оживления электроники. Это даст более цельное понимание устройства нашей аппаратной платформы.

Firmware GM-Box G1 состоит из:

  • BIOS (Basic Input Output System) обязательная часть х86 платформ;

  • EC (Embedded Controller) система управления аппаратной инфраструктурой (питание, сброс, периферия).

BIOS для x86 платформ на рынке предлагают несколько вендоров: AMI, Insyde и т.д. У каждого такого продукта есть свои преимущества и недостатки. Сделать оптимальный выбор и разработать BIOS под нашу аппаратную платформу нам помог наш ODM партнер с учетом: своего опыта, наличия лицензий, исходников и тулчейна для разработки. Итого, мы получили рабочий BIOS, исходники и тулчейн для возможности модификации.

EC контроллер аппаратно реализован на чипе IT8987. Это интегрированное решение для управления инфраструктурой простеньких ПК. Внутри ядро классического микроконтроллера х8051. Программа для EC тоже разрабатывалась ODM, но мы потом кое-что дописали сами. Итого, мы получили рабочую прошивку EC, исходники и тулчейн для возможности модификации.

Упаковка

С дизайном GM-Box мы успешно справились и настал черед сделать красивую упаковку. С одной стороны, это продукт для B2B и B2G рынков, а значит коробку, скорее всего, выбросят сразу после приобретения, и нет необходимости заморачиваться над дизайном. С другой стороны, учитывая специфику нашего продукта, важно было обеспечить безопасную транспортировку и сохранить его презентабельный вид. К тому же мы выходили на рынок с новым продуктом, поэтому упаковка выполняла еще и задачу презентации устройства показать, что внутри высокотехнологичный, качественный продукт. Так что мы продумывали все до мелочей.

Наша упаковка должна решать следующие задачи:

  • защита изделия от повреждения во время транспортировки и хранения;

  • удобное паллетирование и одиночное хранение;

  • удобное размещение компонентов изделия для легкого доступа к ним пользователя;

  • понятный процесс подготовки и включения изделия;

  • дополнение образа качественного, инновационного продукта.

Мы снова воодушевились, взяли для примера лучшие бренды электроники и получилось вот такое решение:

3D рендер пользовательской упаковки3D рендер пользовательской упаковки

Коробка выполнена из гофрокартона с нанесением цвета и дополнительной графики.

Нас очень сильно беспокоило транспортирование кабеля телефонной трубки. Он спиральный и легко деформируется. Мы не хотели, чтобы пользователь брал в руки изуродованный кабель. В жизни это выглядит так:

Ожидание - реальностьОжидание - реальность

Решение нашлось, в виде специальной коробки с ложементом для кабеля:

Ложемент кабеля телефонной трубкиЛожемент кабеля телефонной трубки

В реальном производстве коробки выглядят также хорошо, но технологичность получилась не идеальная. Мы уже переработали конструкцию упаковки и ждем, когда она пойдет в серию.

Заключение

Успешное прохождение этапа прототипирования не означает, что при разработке серийного продукта все будет гладко. Неожиданности поджидают на каждом шаге разработки, к этому нужно быть готовым морально и технически. Самое важное в успешном преодолении этих трудностей командная работа, вовлеченность (даже увлеченность) каждого члена команды и фокусирование на поиске лучшего решения для продукта. Тщательная подготовка к предстоящему этапу работ и формализация требований помогают подстелить соломку и снизить риски неудач.

В следующей публикации я расскажу об этапах тестирования и постановки на производство. Снова будет много технических деталей и фотографий.

Полезные ссылки

1. В чем разница MVP и MDP?

2. От дизайна до производства: Как обеспечивается качество продуктов Apple

Подробнее..
Категории: Программирование , Дизайн , Производство и разработка электроники , 3d-моделирование , Разработка электроники , Программное обеспечение , Механика , Конструирование

Как мы подсчитали, сколько на самом деле может стоить разработка корпуса

07.09.2020 10:18:05 | Автор: admin

Тема уже из заголовка ясна: каждый день сталкиваюсь с непониманием того, сколько на самом деле стоит разработка корпуса.

И цель этой заметки рассказать вам о том, сколько действительно придётся за неё заплатить: 100 000 рублей, двести или миллион. Прочитав эту статью, вы сможете определить, сколько придётся отдать за работу и заодно понять, недоговаривают ли вам что-то разработчики по поводу цен или режут суровую правду.

Ответим на три основных вопроса:

Сколько нужно денег на разработку корпуса, почему столько и где можно сэкономить, если очень нужно?

Начну, как всегда, чутка издалека а из чего в принципе складывается цена корпуса? Если кратко, то вот:

Я уже писал на Хабре, как быстро оценить себестоимость производства корпуса и приводил примеры цен разных корпусов с разными параметрами. Но нигде и никто не пишет, сколько стоит собственно разработка корпуса. Вот самое время об этом написать с пруфами, Билли, примерами и цифрами, как я люблю.

Разработка поэтапно с человеко-часами за каждый этап

ТЗ

О том, из каких этапов состоит разработка корпуса, можно узнать из ещё одной нашей статьи на Хабре. Но это скорее внешняя сторона вопроса, а вот того, что происходит на нашей кухне, не видит никто (хотя процессы схожи с любой разработкой электроники или программированием например, с разработкой платы или софта на неё).

Сначала мы пишем за клиента ТЗ (скоро расскажем, почему сами). Для этого собирается первичная информация в виде опросника (скачать formlab.ru/useful), вытаскивается нужная инфа из разговоров с клиентом и его разработчиками, раскладываются по папкам референсы, модели, документация, и всё это отдается техническому писателю, который за 3-5 дней готовит простое техническое задание (мы его называем дизайнерское ТЗ). Формально там мало ограничений, кроме основных габариты, себестоимость производства, технологии, эргономика и т.д. Вот примеры: formlab.ru/tz.

Начинаем считать.

Технический писатель, составление ТЗ: +20 человеко-часов

Промдизайн

Дальше к работе подключаются промышленные дизайнеры тут все просто. Этот процесс сильно размазан во времени, потому что человеку надо прогреться, т.е. поварить в голове задачу, посмотреть на конкурентов, прикинуть, что вообще можно сделать, и рисовать рисовать рисовать

Средний проект занимает 2-3 недели работы дизайнера. Обычно их на проекте двое. Половина времени тратится на поиск стиля будущего корпуса, а половина на более детальную прорисовку того, что напридумывали.

Хозяйке на заметку: если дизайнер говорит, что все сделает в 3D, потому что сейчас уже никто не рисует, то знайте, что он работает раза в 1,5-2 медленнее, чем дизайнер, который рисует руками. Такой в 3D вам обойдётся вдвое дороже, короче.

дизайнеров смотрят на меня сейчас так, простите, коллеги, но это статистика лет так за десять уже :)

Промышленные дизайнеры, прорисовка эскизов +80 человеко-часов.

Моделирование

Затем корпус надо прорисовать уже в 3D и подготовить визуализацию. Это либо тот же дизайнер, либо отдельный моделлер (у нас отдельный, кстати) и визуализатор (у нас отдельного нет) ещё неделя.

Модель и визуализация дизайна корпуса в 3D +40 часов.

Инжиниринг

А вот дальше начинается самое интересное это инжиниринг корпуса. Абсолютно внутренняя штука, которую заказчик даже и не видит иногда. Но чаще видит, поскольку проходит итерационная работа между конструктором корпуса и разработчиком платы. В общем процесс выглядит так:

При необходимости возвращаемся на прорисовку геометрии и дальше по кругу.

Инжиниринг во всех наших проектах занимает больше времени, чем разработка дизайна. Другого не дано. Простой корпус (о сложности ниже расскажу) это работы на месяц как минимум (а с бумажками два!). Про сроки, кстати, писал вот тут, почему-то нет на Хабре возьму на заметку.

Инжиниринг корпуса, согласование с производством +160 часов.

Прототипирование

Добавим в копилку проекта еще 50 часов на работу конструктора.

50 часов это ещё нижняя планка, когда конструктор и завод просто не то что знают друг друга, а лет эдак 5 работают в тесном контакте.

Хозяйке на заметку если вы считаете, что прототип это только сам прототип, т.е. его физическое изготовление, то ошибаетесь: это куча работы до, во время и после производства. И всё это нередко дороже и сильно дольше непосредственно производства.

Итак, в копилке 350 человеко-часов на простой корпус. Вопрос: сколько же стоит такой человеко-час? Об этом ниже, так как все не так однозначно.

Как оценивать сложность корпуса

Я специально беру в пример простой проект, так как их большинство и мы уже в них собаку съели два из трёх корпусов, которые у нас заказывают, именно простые.

Но есть другая треть, которую уже сходу не оценить. И как понять на берегу, простой корпус или сложный?

Очень просто: оценка сложности проекта это количество деталей + сложность их соединения друг с другом. Представьте, сколько деталей в корпусе вашего устройства: кнопки, стекла и вот это все.

Вот простенькая схема для оценки сложности корпуса по количеству деталей:

Затем решаете: нужны ли деталям какие-то особые соединения? Например, герметичность. Или виброустойчивость. Или гибкость. Или вентиляция платы особенная, а не просто отверстий наделать

Если что-то из вышеперечисленного требуется, ваш корпус почти наверняка (но не всегда) будет сложным. Проблема в том, что физические свойства в виртуальной среде можно только имитировать, и очень условно, но для полноценной проверки (герметичен ли он на самом деле ил нет) потребуются несколько прототипов и куча работы. Поэтому с вероятностью 90% этап прототипирования будет дольше по времени и обойдётся дороже первичной разработки.

Или в корпусе просто много деталей тогда просто количество рутинной работы по их сопряжению превращается в десятки и даже сотни часов разработчика.

Примеры простых корпусов:

Средние по сложности корпуса:

Сложные корпуса:

Прототипирование часы (минимум-среднее): 50 часов.

Опоздатушки

Вам нужен корпус, вы приходите в компанию разработчиков и они вам обещают, что разработают корпус за месяц. Вы, если опытный боец, уже знаете, что это очень оптимистичная оценка по времени, и закладываете в бюджет 2Х от цены и сроков. Если прям опытный-опытный то 3Х.

Если не очень опытный и верите на слово, через месяц вы видите, что у вас даже еще контракт не согласован, потому что на это есть пара десятков внешне уважительных причин и куча обоюдных тормозов.

Ещё на проект наслаивается такая штука, как ожидания заказчика на этапе заключения договора. Все, кто оказывает сложные услуги, про это знают, но вдруг кто-то нет, рассказываю

Не буду сильно растекаться по древу, почему это происходит, просто кратко если только над проектом работает больше 2х людей, все оценки и прогнозы надо умножать минимум на 2. Я даже как-то статистику составил за 3 года (это примерно 120 проектов), сравнивая время на разработку: то, которое обсуждали в начале проекта и то, сколько он фактически длился.

Так вот, все проекты, даже так ВСЕ проекты заняли минимум вдвое больше времени, чем планировалось изначально. А есть проекты, которые съели человеко-часов и втрое больше, и впятеро. Поэтому ещё пара советов.

  1. Не считай, что твои внутренние процессы не задерживают разработчика вы одинаково тормозите друг друга.

  2. Не меняй в ТЗ ничего. Если есть хоть какая-то вероятность замены, например, компонента, готовься к кратному увеличению и сроков, и бюджета.

  3. Переходи на ЭДО возня с физическими бумажками отожрёт до 30% от срока согласований, и это практически на пустом месте.

Внесение правок

Ну и второй важный вопрос внесение правок, которые могут запросто сломать всю предыдущую работу и поставить перед фактом Вам придётся начать всё заново.

Но это нормально, мы, в конце концов, все с вами делаем новые штуки, тут проложенных рельсов нет ни у кого.

Часы на внесение правок: непрогнозируемо. Иногда правки незначительны, иногда работу приходится просто переделывать.

Разные подрядчики разные чеки

А теперь, собственно про деньги.

Одну и ту же работу можно сделать разными исполнителями, я даже как-то это описывал вот тут, но слушать больно звук писался из зала, простите. Суть в следующем выбирайте подрядчика в зависимости от своих процессов и желаемой степени контроля и погружения в ваш проект.

Вот разные типы подрядчиков, которые могут разработать для вас корпус. У каждого есть достоинства, недостатки и, условно, средний чек нормо-часа:

Т.е. если бы ваш проект делал свой сотрудник, то он бы, допустим, сделал его за 175К и примерно 2 месяца работы фуллтайм, т.е. 8 часов в день, прям плотнячком. Фрилансер за 350К, студия за 500К, а бюро за 700К.

И, конечно, вывод однозначен:

Если результат одинаков, зачем платить больше?

Но так не работает, такие дела. Штука именно в издержках, возникающих в процессе разработки штатный сотрудник не сможет и нарисовать все хорошо, и сделать документацию, и все согласовать с заводом (который сам же и должен найти). Для одного проекта таких сотрудников надо уже 3 человека если по-хорошему.

Фрилансер может уже больше, но там есть тайланд-головного-мозга другие риски. И, опять же, всем, что связано с прототипами (не макетиками на 3D-принтере, а когда все серьезно), вы будете заниматься сами.

Бюро тоже не ангел все сделаем за вас, но и возьмем больше всего денег.

Еще важный момент профессионализм, т.е. количество ошибок и проблем. Штатного сотрудника ты знаешь, знаешь, что он может, а чего нет. Можно предположить, где он ошибется (кстати, вот тут чуваки влетели на 12М из-за ошибки штатного конструктора formlab.ru/12mln-v-minus).

С фрилансером всё не так прозрачно по сути, ты просто веришь в него. Чем выше уровень подрядчика (квалификация, число реализованных проектов, количество спецов в компании и пр.), тем лучше качество услуги, что логично суммарный опыт внутри бюро или студии больше, чем у одного человека. Но и сумма чека за этот опыт тоже увеличивается.

В конечном итоге всё сводится к очень простому вопросу: кого выбрать?

Если ты считаешь свое время самым дорогим и тебе нужно добежать до продаж продукта максимально быстро и не рискуя, то платишь бюро.

Если хочется всем рулить, т.е. тратить на задачи свое время, а срок выхода на продажи не давит обращай внимание на левую часть таблички, где чек будет минимальным. Так можно сэкономить. Подробнее про экономию ниже.

Экономим как?

В разработке всегда есть такая штука, как коммуникативные издержки. Под этим словосочетанием я подразумеваю весь комплекс коммуникаций с заказчиком. Но самое фантастическое заключается в том, что стоимость издержек может быть равна стоимости работы над проектом. Наглядный пример: на фактическую работу, условно, ушло 3 недели, на обсуждения и согласования год.

И тут ты:

  1. либо берешь коммуникации на себя, т.е. занимаешься проектом полностью, по сути, оплачивая несвязанность разработчиков (электроника, дизайн, инжиниринг, производство);

  2. либо перекладываешь все это на специальных людей, но тогда платишь им за это + за профессионализм разработчиков (опытный специалист делает меньше ошибок), т.е. либо ты готов рисковать и работать на веру, либо хочешь подстелить, потому что важно быстрее выйти на производство и начать уже продавать свой продукт.

Первый путь это про экономию, второй про скорость выхода на продажи.

Примеры

Ну и слайды-слайды примеры с цифрами:

Компактный корпус 200 000 ($ 3000) https://formlab.ru/portfolio/vk7

Компактный герметичный корпус 350 000 ($ 5000) https://formlab.ru/portfolio/vk

Корпус в стойку 450 000 ($ 6500) https://formlab.ru/portfolio/case19

Настенный многофункциональный корпус 500 000 ($ 7000) https://formlab.ru/alarm_system_pritok

Корпус светильника 600 000 ($ 8500) https://formlab.ru/portfolio/dragonfly

Настольный корпус 600 000 ($ 8500) https://formlab.ru/helium_leak_detector

Носимый сложный корпус 700 000 ($ 10 000) http://old.formlab.ru/promyishlennyiy-4g-modem-dlya-televizionshhikov-mobile-4g-router/

Носимый сложный корпус 800 000 ($ 11 500) https://formlab.ru/analyzer

Носимый сложный корпус 1 000 000 ($15 000) https://formlab.ru/luch

Напольный сложный корпус 1 200 000 ($ 17 000) https://formlab.ru/gamma_complex

Напольный сложный корпус 1 700 000 ($ 25 000) https://formlab.ru/bankomat_sberbank

Кабина станка 3 000 000 ($ 45 000) https://formlab.ru/mclt_2

Ценники усредненные, плюс дополнительно суммы даны в долларах (на 4 августа 2020 года): просто оценить порядок бюджета.

Выводы

Цель заметки, как я уже писал, показать, как появляется формируется цена в разработке корпуса, точнее, как это делаем мы в Формлабе, и сколько в итоге придётся потратить на корпус.

Вы уже знаете, из каких этапов состоит работа и понимаете, сколько человеко-часов придётся на всё потратить. Кроме прочего, у вас уже есть табличка с примерными расценками каждого специалиста.

Вывод банальнее некуда: правильная разработка не может стоить. Ну, вы поняли.

Но, к счастью, и способы сэкономить тоже имеются.

Что ещё почитать по теме:

Где выгоднее производить корпуса в Китае или России? Мы сравнили, пользуйтесь
Макет, прототип, серийный образец и вот это всё учим термины
Российское приборостроение: вертели мы ваш дизайн на пальцах
Как спроектировать корпус для прибора. Полное руководство
Как не промахнуться с бюджетом на серийное производство корпусов: 20 примеров из практики бюро по инженерному дизайну
Как не промахнуться с бюджетом на серийное производство корпусов-2: цены на мелкосерийное литьё пластика
Правильно готовим прототип. Технологии прототипирования корпуса
Как за пару минут самостоятельно рассчитать цену корпуса устройства
Промышленный дизайн для бизнеса: минимизируем издержки, экономим на ненужном, вкладываем в главное
Промышленный дизайн для бизнеса, часть 2: дизайн вместо маркетинга или делаем продукт, который продаст себя сам

UPD: чтобы 2 раза не вставать скоро выходит вторая часть нашего гайда, с обновлением статей и новыми материалами. Кому хочется обновлений, велкам сюда: formlab.ru/habr.

Подробнее..
Категории: Управление проектами , Дизайн , Производство и разработка электроники , Прототипирование , Электроника для начинающих , Фрилансеры , Разработка электроники , Цены , Промдизайн , Промышленный дизайн , Инжиниринг , Конструкторы

Трансформация аутсорсинговых компаний в инженерные путь смелых из Беларуси, Украины и России

13.04.2021 14:10:30 | Автор: admin
Аутсорсинг отличная инженерная школа. Но куда мы отправимся дальше?Аутсорсинг отличная инженерная школа. Но куда мы отправимся дальше?

В ИТ-сообществе слово аутсорсинг часто воспринимается как обидное. Руководители компаний и команд, которые занимаются заказной разработкой ПО или электроники, и сами разработчики предпочитают не называть себя аутсорсерами. Даже из моих предыдущих статей об инженерных командах и их пути могло показаться, что я против этой бизнес-модели. Так что давайте разберемся, почему аутсорсинг стал для нас инженеров из Беларуси, Украины и России важной школой, и почему лидеры ИТ-рынка больше не хотят называть себя этим словом.

Сразу отмечу свое отношение к термину аутсорсинг: мне нравится эта бизнес-модель, я много лет строил компанию в сфере заказной разработки электроники и встроенного ПО, а сейчас трансформирую бизнес в этой сфере.

Более того, я уверен, что аутсорсинг сыграл ключевую роль в развитии ИТ-сектора в наших странах. Если аллегорически сравнить его с высшим образованием, то можно сказать, что это отличная бизнес-модель для обучения большого количества специалистов с оплатой в процессе обучения. Сначала надо пройти путь абитуриента и сдать экзамен на первый контракт. Потом побыть студентом, где тебе будут платить небольшую стипендию это период, когда молодая аутсорсинговая компания получает контракты, позволяющие держать на плаву небольшую команду. Затем появляются несколько клиентов и, возможно, один-два ключевых. Ключевой клиент как профессор в магистратуре или аспирантуре. Аспирант обслуживает интересы профессора в обмен на обучение. Профессор, т.е. зарубежный клиент, получает всю славу, результат и вполне солидные деньги за проект, который был создан при поддержке аспирантов.

Студентам дают стипендию. В аутсорсинге примерно также тебе дают деньги на жизнь, пока ты учишься на первых клиентских проектах

Кто и чему учится в рамках аутсорсинговой бизнес-модели:

  • Основатели и менеджеры бизнесу и управлению.

  • Инженеры разработке и инженерной культуре.

  • Продавцы длинным и сложным B2B-продажам, где нужно вырабатывать доверие, продавая воздух.

Представьте, как долго мы выходцы из постсоветских стран проходили бы этот путь, если бы такая бизнес-модель как аутсорсинг в мире не существовала? Ведь она позволила нам получить и накопить интеллектуальный и денежный капитал. В 90-х и нулевых мы только стартовали. В 2010-х те, кто заработал капитал, инвестировали в собственный бизнес. А сегодня предприниматели с 2030 летним опытом готовы инвестировать в сторонние компании и передавать знания новому поколению.

После развала Союза у нас не было опыта в бизнесе, не хватало инженерных знаний всё это мы получили во многом благодаря аутсорсингу!

Заказные разработки позволили нам получить сегодняшних специалистов, часть из которых перешла в продуктовые компании. И теперь вопрос: как быть дальше? Как поднять эффективность своей работы и всей отрасли? Очевидно, что аутсорсинг это одна из ступеней в развитии отрасли. Те игроки рынка, которые уже прошли эту школу, могут отправляться в свободное плавание. Мы это видим на примере компаний, которые занимались аутсорсингом, а сейчас имеют продуктово-сервисные модели.

Тот же EPAM, который некоторые до сих пор по-привычке считают аутсорсинговой компанией, уже давно совершил разворот к сервисно-инжиниринговой модели. Как пишут Ведомости, если до 2005 г. около 80% заказов этой компании приходилось на аутсорсинг в разработке продуктов для технологических компаний, то сейчас на подобные заказы приходится около 20%. Сам Аркадий Добкин, основатель EPAM, так объясняет этот термин в прошлогоднем интервью журналу Большой:

Аутсорсинг это бизнес-практика, когда работа, которая раньше производилась внутри компании ее собственными сотрудниками, отдается внешним компаниям с целью сокращения расходов или высвобождения ресурсов для других более важных функций. Так начиналась офшорная индустрия в Индии. Туда передавалась много работы по поддержанию систем, которые до того выполнялись внутри компаний Нет ничего предосудительного в аутсорсинговой модели, это очень важный компонент глобального бизнеса.

Вполне понятно, почему зрелые компании стремятся уйти от этой модели и переключиться на позиционирование в качестве инжиниринговой компании с уникальной экспертизой. Но для этого требуется время, поэтому часть новых игроков на рынке будут по-прежнему выбирать аутсорсинг, чтобы за несколько лет получить нужный опыт и накопить стартовый капитал я уже писал о таком пути в прошлой статье на Хабре. Но чем более зрелой будет отрасль, чем более сильной и открытой будут экономика нашей страны, в которой работает компания, тем активнее долю аутсорсинговых компаний будут замещать инжиниринговые и продуктовые. Но у нас впереди еще долгий путь в этом направлении. В следующей статье я даже рискну предположить сколько лет займет такой путь.

Посмотрите сами: где была бы Индия со своим ИТ и где был бы Китай со своим производством, если бы не заказные проекты зарубежных заказчиков?

Зрелость индустрии соответствует зрелости государства и общества. Поэтому логично, что на данном этапе мы (IT-компании в Беларуси) занимаемся аутсорсингом, как и наши соседи в Украине, России, Болгарии, Молдове и т.д. Даже Польша, Чехия, Литва и Румыния все еще входят в список стран для ИТ-аутсорсинга, хотя там ситуация постепенно меняется. А в таких странах как Дания и Германия структура бизнес-моделей и компаний уже совсем другая. Это положение дел обусловлено стоимостью оплаты труда, индексом экономического развития и другими параметрами, поэтому не стоит думать, что мы все-еще занимаемся аутсорсингом, потому что кого-то из наших инженеров несправедливо недооценили.

Со временем мы придем другому балансу в ИТ-отрасли: по мере развития отрасли и роста экономического уровня будет все больше продуктовых и инжиниринговых компаний в противовес аутсорсинговым.

Почему в Германии много продуктовых компаний? Потому что там есть не только стартапы, но и инвесторы. Почему у нас рождаются единицы сильных стартапов, а в европеских странах сотни? Это только кажется, что везде есть фонды и везде есть классные инженеры. Бизнес-ангелы у нас в Беларуси только-только появились, они вкладывают скрепя зубами несколько десятков тысяч долларов по небольшой оценке, иногда забирая большую долю в стартапах, демотивируя этим фаундеров. Поэтому инженерные команды, которые делают свой продукт или запускают корпоративный спин-офф, предпочитают воспользоваться зарубежными институтами финансирования и поддержки инноваций, они переезжают в ЕС, чтобы быть ближе к развитым бизнес-экосистемам и быстрее достигать свои цели.

Трансформация аутсорсинга

Но и аутсорсинг как бизнес-модель не стоит на месте, она трансформируется под давлением рынка вместе с прочими моделями. Какие у нас есть варианты для трансформации? Во-первых, важно понять, что на пути между аутсорсер и продуктовая компания есть промежуточные гибридные модели. Во-вторых, мы можем посмотреть на опыт компаний в развитых экономиках Западной Европы, где заказная разработка тоже имеет место в Германии, Дании и Финляндии успешно работают инженерные сервисные компании, которые зарабатывают отнюдь не на ценовых преимуществах. А на чем же?

Давайте рассмотрим, в какие бизнес-модели они используют:

  1. Свой продукт + доп. услуги по разработке. Если компания, к примеру, продает собственные процессорные модули, ее экономика формируется за счет продуктов, но при этом она генерирует дополнительную прибыль за счет дозагрузки инженеров на заказных разработках для своих клиентов.

  2. Сервисная компания + доп. платформы / решения. Когда экономика компании формируется за счет заказных разработок или инженерного сервиса, она не может обеспечить себе высокую маржинальность в странах с развитой экономикой из-за высокой стоимости рабочего времени инженеров. В этом случае компании выгодно обеспечивать дополнительный поток прибыли за счет допродажи собственных готовых решений и платформ для решения задач своих клиентов в конкретных индустриях.

  3. Сервисная компания + аутсорсинг. Компании в Западной Европе, которые занимаются заказной разработкой или инженерным сервисом, позволяют своим клиентам быстро подключить к проекту нужных инженеров, не нанимая их в штат. Заказчик таким образом снимает с себя задачу найма узких специалистов и бремя социальных выплат на штатных работников. При этом часть задач сервисная компания передает на аутсорсинг в Восточную Европу так они снижают затраты.

Как на это смотрят сами руководители компаний из Западной Европы? Мой коллега Зоран Вельковски, основатель датской инжиниринговой компании TekPartner, так прокомментировал перспективы сотрудничества в отрасли:

Для разработки электронных продуктов в эпоху интернета вещей, периферийных вычислений и машинного обучения требуются мультидисциплинарные команды с широким набором навыков.

Только компании с огромным бюджетом на НИОКР, такие как Apple, Tesla, Microsoft и Google, могут позволить себе полную вертикальную интеграцию. Всем остальным нужна внешняя помощь, т.е. аутсорсинг всех видов деятельности, которые не относятся к основной компетенции компании.

Поэтому более дешевые инженеры из Восточной Европы это не главное преимущество аутсорсинга для заказчика. Для него важна ориентация команды на основной бизнес, получение доступа к высококлассным технологиям/компетенциям, сокращение расходов в том числе, более быстрый выход на рынок, снижение рисков, улучшение конкурентных преимуществ.

Те компании, которые это понимают, уже сейчас повышают свою эффективность и работают с гибридными моделями, потому что на одной только разнице в оплате труда инженеров невозможно продержаться в долгосрочной перспективе.

В Беларуси, к примеру, уже была возможность за 1015 лет реализовать свою среднесрочную ИТ-стратегию в Парке высоких технологий (ПВТ), воспользовавшись специальным налоговым режимом и более низким уровнем жизни, чем в ЕС и США. В краткосрочной и среднесрочной перспективе это были правильные действия. Но дальше нужна трансформация и выбор проактивной позиции: мы можем использовать опыт европейских сервисных компаний и заниматься высокооплачиваемым инженерным сервисом, добавляя исследовательскую и интеграционную составляющую, обеспечив свою географическую близость к клиенту и более глубокое понимание его рынка.

Эта трансформация переключит нас с позиции я делаю то, что умею на я делаю то, что нужно клиенту, предлагая множество дополнительных и достаточно дорогих функций по сдаче проекта (delivery).

Ведь что такое сдача проекта delivery? Наш классический проджект-менеджер это не деливери-менеджер, потому что он, как правило, не обеспечивает бесшовную интеграцию проекта в бизнес клиента. Живой пример из нашей компании: мы в Promwad разработали для своего клиента ТВ-приставку в рамках проекта за несколько десятков тысяч долларов, а на этапе delivery ценность наших услуг и бюджет проекта исчислялся уже в сотнях тысяч долларов. Мы интегрировали свою разработку в цепочку поставок клиента: поставили приставку на серийное производство в оптимальной для клиента локации, запускали там автоматизированное тестирование и дописывали ПО. Но это случилось, потому что мы стремились увеличить свое участие в бизнесе клиента, действовали проактивно.

Рецепты

Итого, основываясь на словах своих коллег и опыте компаний с Запада, вот что можно сделать после инженерной школы, которой для нас стал аутсорсинг:

  1. Расти за счет дорогих сервисов и большей маржинальности, но для этого нужно слышать клиента и быть к нему ближе географически за счет локальных офисов в ЕС и США.

  2. Дополнять свои услуги продуктами / платформами / решениями.

  3. Продолжать развивать аутсорсинг, но при этом быть готовым к резкому изменению ландшафта, т.е. условий для ведения подобного бизнеса в наших странах.

При этом, как видите, вы не становитесь продуктовой компанией. Ведь мы тут не обсуждаем жесткий разворот в продуктовую стратегию.

Рынок со временем все расставит на свои места. Даже пассивные компании с устаревшими бизнес-моделями будут вынуждены трансформироваться. Но куда интереснее, хотя, конечно, труднее и рискованнее действовать проактивно и самому пойти в новые бизнес-модели, опередив своих более капиталоемких соседей по отрасли! У аутсорсинга в истории ИТ-сектора в Восточной Европе большая роль и большая история, но уже сейчас пришло время наращивать свою ценность для мира: преобразовать свои знания в мировое признание, обеспечивать бОльшую добавленную стоимость и потянуть вслед за собой за собой тех, кто эту инженерную школу только проходит.

В этой статье я Роман Пахолков, основатель Promwad, поделился ключевыми выводами, которые подтолкнули меня к созданию новой стратегии для собственной компании к специализации на конкретных индустриях и развитию лидеров направлений в нашей инженерной команде. Более того, мы даже запустили целое отраслевое сообщество Hardware Ecosystem для всех, кто работает в сфере электроники. Там есть и подмастерья-студенты, и профессора. Верю, что объединившись, мы сможем достичь большего.

А в какой модели сейчас находитесь вы сами? И как вы видите трансформацию своего бизнеса или компании, в которой работаете? Поделитесь своими мыслями в комментариях, а я буду рад ответить на ваши вопросы и рассказать о собственном опыте.

Подробнее..
Категории: Стартапы , Развитие стартапа , Производство и разработка электроники , Карьера в it-индустрии , Исследования и прогнозы в it , Бизнес-модели , Аутсорсинг , Promwad , Разработка электроники , Продуктовая разработка , Экосистемы , Беларусь , Epam , Трансформация бизнеса , Разработка встроенного по

Личные пристрастия о плеере с необычным форм-фактором, которого может не быть

20.11.2020 18:16:58 | Автор: admin
Иногда видишь проекты с краудфандинговым финансированием и понимаешь, что ты всю жизнь хотел именно это. Итак, сравнительно недавно появился проект музыканта мультиинструменталиста, который, с одной стороны, очень обрадовал, а с другой, обеспокоил. Поводом беспокоится стало то, что скорее всего он не будет нужен даже как нишевый продукт и платформа не соберет деньги на его реализацию. Речь об идее hi-fi-плеера со встроенным усилителем для наушников и достаточно необычным квадратным форм-фактором. Идею устройства, по габаритам напоминающее коробку от старого-доброго CD (не несколько больше), предложил британский мультиинструменталист Том Век. Под катом об оригинальной идее устройства и о причинах, по которым оно, скорее всего, останется лишь проектом.



Об устройстве


Я давно ждал от рынка большой плеер, который способен полноценно отображать классическую обложку компакт-диска. При этом хотелось, чтобы это было именно устройство специально предназначенное для воспроизведения мультимедиа и интеграцией в такие сервисы, как Spotify. И когда я столкнулся с упоминанием о плеере Sleevenote от Тома Века, я понял, что речь именно о том, что я ждал от рынка. С технической точки зрения это объединение в одном устройстве плеера ЦАП, стримера и усилителя для наушников. Устройство портативное и достаточно массивное, в связи с необходимостью в высокоёмком аккумуляторе.

Таким образом, на старте мы имеем проект квадратного устройства, силуэтом чем-то напоминающий старый добрый blackberry passport. Экран плеера с размером 7,5 дюйма, позволяет рассматривать графические файлы с обложкой альбома, треклистом, текстами и т.п. Внутри зверя нас ожидают ЦАП Cirrus HQ, усилитель Wolfson класса W, также базовая память на 256 ГБ.



По сути усилитель класса W это коммерческое название усилителя класса H Иными словами фактический класс B (по традиционной классификации) с плавающим напряжением шин питания. При малых уровнях выходного напряжения устройство питается от низковольтных шин линейного источника. Росте выходного напряжения, например при подключении высокоомных наушников, встроенный следящий импульсный преобразователь повышает напряжение на одной из шин.

По задумке создателей, аккумулятора устройства при всех этих прелестях должно хватать как минимум на 12 часов непрерывной автономной работы при использовании проводных наушников и интернет соединения. Соответственно, ёмкость Sleevenote должна составлять как минимум 5000 mAh. Для загрузки файлов предполагается использовать Wi-Fi и Bluetooth, последний также можно будет применять для подключения к наушникам или умным колонкам. Аналоговый разъем для наушников стандартный 3,5 мм.

Применение усилителя Wolfson говорит о возможности подключать к плееру высокоомные (300 и более Ом) наушники, благодаря высокому напряжению, которое этот усилитель способен создавать на выходе. Cirrus HQ поддерживает 24 бит/96 Гц, соответственно, устройство можно без преувеличения назвать Hi-Res плеером. Разработчики также обещают поддержку Apple Music и Spotify и некую собственную коллекцию из 1000 альбомов и ещё планируют договриваться со стриминговыми сервисами.

Почему его может не быть


В этом цикле я позволяю себе быть необъективным. Я буквально влюбился в концепцию, рендеры, характеристики и подумал о том, что даже если не стану донатить сейчас, то наверняка куплю его позже. Даже несмотря на то, что покупка стоимостью $707 это очень внушительный удар по моему карману и на то, что это вроде как не рационально. У меня лично, когда я смотрю на эту вещь, возникает мысль о том, что при помощи этой штуки я хочу слушать музыку. Но, скорее всего, мне не придется этого делать.

Далеко не все разделяют мой энтузиазм. Большинство сегодня используют беспроводные наушники. Пусть в устройстве и есть возможность их подключать, остается непонятным, зачем переплачивать за ЦАП и встроенный усилитель. Форм фактор сложно назвать карманным, если вспомнить компакт диски, то оные помещались в редкий карман, и, как правило, для них носили специальную сумку с файлами. Sleevenote ещё и достаточно толстый, что почти гарантированно не позволит размещать его в большинстве карманов.


Сравнение размеров коробки от CD, плеера и винилового диска

Т.е. понадобится дополнительный аксессуар для того, что использовать его как более-менее портативный носимый гаджет. И естественно, стоимость, приближающаяся к некоторым смартфонам флагманам это тоже сильный демотивирующий фактор.

Я быстро опросил небольшую группу своих друзей в соц. сетях на предмет того, купили бы они такое устройство, если бы имели достаточную сумму денег. Большинство (ок. половины) ответили, что не видят смысл в плеерах, как отдельных гаджетах, около трети сочли такую покупку не рациональной и допустили возможность покупки только в том случае, если у них были все гаджеты, которые они планировали купить до этого. Несколько предположили, что это некий гаджет из прошлого и лишь один человек, как и я, сказал, что это очень крутая штука, которую по возможности, нужно приобрести. Практически все были солидарны в мнении о том, что это слишком много денег за устройство для прослушивания музыки. Многие отметили непрактичность и низкую функциональность плеера.

Понятно, что данные такого опроса не репрезентативны, но он отражает типичный взгляд сравнительно малого пользователя на устройства такого плана. А именно, молодые люди до 40 лет основные пользователи краудфандинговых площадок.

Сухой остаток


Устройство специфичное, и если потенциал идеи жизнеспособен на рынке, то скорее всего в очень узком нишевом сегменте. Субъективно могу оценить Sleevenote, как именно то, чем я с радостью заменю ноутбук и телефон при прослушивании музыки. К сожалению, объективных причин полагать, что проект соберет требуемые 660 000 долларов, сравнительно не много. В комментариях буду признателен за ваше мнение о концепте и его будущем, также приглашаю к участию в опросе. Подробнее об устройстве можно узнать здесь.

Реклама
В нашем каталоге представлен широкий ассортимент разнообразной электроники: наушников, усилителей, акустических систем, телевизоров и других устройств.
Подробнее..
Категории: Звук , Гаджеты , Блог компании pult.ru , Электроника , Периферия , Носимая электроника , Hi-fi , Разработка электроники , Краудфандинг , Плеер , Hires , Дизайн электроники , Стриминг музыки

OLED из парикмахерской гибкие дисплеи из человеческих волос и их перспективы

23.08.2020 18:21:00 | Автор: admin
Вторичное использование органических отходов это часть решения экологических проблем, связанных с глобальным загрязнением. Одно из решений проблемы применение человеческих волос для производства гибких дисплеев. О разработке соответствующей технологии в этом году заявила группа австралийских ученых: Доцент Прашант Сонар, профессор Кен (Константин) Остриков, аспирант Амандип Сингх Панну, профессор Цинь Ли. Основная группа разработчиков трудятся в Квинслендском технологическом университете (QUT). Технология представляет собой превращение небольших прядей волос в углеродные наноточки.



Ученые утверждают, что, в связи с насыщенностью волос такими химическими элементами как углерод и водород, они хорошо подходят в качестве сырья для создания дисплеев по технологии OLED. Под катом немного подробностей о том, каким образом можно превратить человеческие волосы в высокотехнологичный компонент.


Почему волосы?


По словам исследователей, они использовали волосы для создания углеродных наноиточек в силу того, что именно они являются естественным источником углерода и азота, ключевых элементов для создания светоизлучающих элементов. Волосы состоят из белков (полимеров аминокислот), в числе которых кератин. Последний разрушается при контролируемом нагреве. Оставшийся после термического разрушения материал включает углерод и азот, встроенные в его молекулярную структуру, что обуславливает полезные электронные свойства.



В настоящий момент исследователи тестируют шерсть животных, чтобы понять, может ли она использоваться таким же образом, как человеческие волосы и пригодна ли для создания гибких OLED-дисплеев. В тестах используют шерсть овец и собачью шерсть, как наиболее распространенные в Австралии.

Технология и свойства продукта


Технологическая цепочка начинается в парикмахерской, где можно найти избыточное количество сырья. В случае с разработчиками, источником сырья стал ближайший к исследовательскому центру салон Бенджамина Мира.



Собранные волосы обрабатываются, а затем разрушаются при температуре 240 Градусов Цельсия. В процессе сгорания образуются углерод, водород и азот, которые путём специальной реакции превращают элементы в углеродные наноточки с размером менее 10 нм. Наноточки, равномерно диспергированные в полимере, образуют наноостровки, которые при подаче небольшого напряжения (3 4 В) светятся синим. Таким образом, новый материал представляет собой активный слой дисплея на органических светодиодах (OLED).

Профессора Сонар и Остриков, которые руководят исследованиями в Центре материаловедения QUT, утверждают, что их исследование и технология, опубликованные в журнале Advanced Materials это первый в мире опыт использования человеческих волос в качестве высоколюминесцентного углеродного наноматериала. Одним из свойств нового материала является эластичность.

Что разработчики думают о перспективах материала


Согласно сведениям отчета IDTechEx гибкие печатные OLED-дисплеями 2020-2030: прогнозы, рынки, технологии, применимая в промышленности технология использования волос, может быть разработана австралийцами ещё до завершения текущего года. Это открывает большие перспективы для устройств на их основе.

По мнению одного из руководителей исследовательской группы профессора Сонар, органические отходы являются большой проблемой и светоизлучающие устройства на их основе при массовом применении могут стать одним из решений. По его мнению, технология будет применима в таких сегментах как носимая электроника, вывески, умные браслеты.Также, по словам Сонора, технология очень недорогая, учитывая практически дармовое сырье, в связи с этим гибкие и дешевые OLED-дисплеи имеют большое будущее для умной упаковки, в качестве примера умная бутылка молока, на дисплее которой в реальном времени отображается время с момента производства. Исследователи убеждены, что такие дисплеи будут востребованы в медицинской технике, в силу нетоксичности получившегося материала.

На текущий момент углеродные наноточки, полученные из человеческих волос, не смогут использоваться в телевизорах, смартфонах, так как светятся недостаточно ярко.

Итог


Вполне вероятно, что мы скоро увидим новые устройства, оснащенные новыми дисплеями. Не исключено, что технологию можно будет адаптировать для телевизионной техники, если будет найден способ увеличить яркость. Напишите в комментах, где по вашему можно эффективно использовать новый продукт.

Джинса:
У нас в каталоге можно приобрести множество разнообразной электроники, акустические системы, наушники, саундбары, телевизоры и другое.
Подробнее..
Категории: Научно-популярное , Физика , Производство и разработка электроники , Блог компании pult.ru , Электроника , Носимая электроника , Дисплеи , Разработка электроники , Инновации , Волосы , Oled , Человеческие волосы , Технология производства oled , Умная упаковка

Перевод Как сын водопроводчика сделал искусственное сердце

13.03.2021 18:22:01 | Автор: admin

Каждый год останавливаются миллионы сердец. Почему мы не можем их заменить?



image

Сердце от Bivacor содержит титановую камеру с ротором, который вращается в центре и посылает кровь в тело.

Дэниел Тиммс начал работать над своим искусственным сердцем в 2001 году, когда ему было двадцать два года. Он был аспирантом биомедицинской инженерии и жил со своими родителями в Брисбене, Австралия. Он искал тему для своей диссертации, когда его 50-летний отец, Гэри, перенес тяжелый сердечный приступ. Сперва врачи думали, что дело в клапане, но позднее оказалось, что у мужчины проблемы со всем сердцем. Сердечная недостаточность прогрессирующее заболевание, человек может жить годами, пока его сердце выходит из стория, Времени было мало. Тема для исследования появилась сама собой.

Гэри был водопроводчиком, а мать Дэниела, Карен, была лаборантом в средней школе. Их семья часто занималась экспериментами. В детстве Дэниел и его отец постоянно строили сложные системы фонтанов, прудов и водопадов на заднем дворе. Неудивительно, что теперь они вместе взялись за работу над сердцем. Они купили в строительном магазине шланги, трубы и клапаны, и их них построили грубую модель кровеносной системы. Тиммс начал изучить историю работы над искусственными сердцами. Первая имплантация человеку была сделана в 1969 году хирургом по имени Дентон Кули из Техасского института сердца в Хьюстоне. Пациент, Хаскелл Карп, находился на лечении в течение шестидесяти четырех часов большой успех, учитывая, что его сердце было вырезано из груди. Инженеры были уверены, что через несколько лет проблема будет решена.

image

Один из первых прототипов 60-х годов искусственного сердца от инженера Виллема Колфа.

Тем не менее, возникло множество проблем. Было сложно разработать небольшое устройство, способное биться тридцать пять миллионов раз в год, перекачивая по 9 000 литров крови в день на протяжении многих лет. В последующие десятилетия пациенты могли жить дни, месяцы и даже годы с различными моделями искусственных сердец, но качество их жизни зачастую было низким. Они были связаны трубками с большими машинами; они часто страдали от инсультов и инфекций; их новые сердца были слишком большими или имели части, которые изнашивались. Каждый год от болезней сердца умирают миллионы людей во всем мире, в то время как для трансплантации было доступно лишь несколько тысяч сердец. Как выяснил Тиммс, существующие решения могут лишь дать людям возможность дождаться искусственных сердец, которые могут так и не появиться. Постоянного искусственного сердца никогда не существовало.



Изучая проекты, Тиммс выяснил, что многие из них были разработаны в 60-е, 70-е и 80-е годы, Он считал, что существенно их улучшить будет несложно. Раньше большинство искусственных сердец делали из гибкого пластика: он мог бы сделать его из прочного титана. Насосы, как правило, приводились в действие пневматически, с помощью воздуха, проталкиваемого череез трубки Тиммс мог использовать для этого электромагнитный привод. Наиболее важно то, что если традиционные искусственные сердца пульсировали (они ритмично выдавливали кровь из искусственных желудочков), то в устройстве Тиммса она бы двигалась непрерывным потоком. Тиммс сделал примерный набросок на бумаге. Кровь шла в небольшую камеру с вращающимся металлическим диском в центре. Диск, как пропеллер, выталкивал кровь наружу в легкие и другие части тела. Это был умный и экономичный дизайн, который не подражал естественному сердцу, а переосмыслил его. Под эскизом Тиммс написал черт побери, да!

image

Дэниел с отцом сделали прототип в гараже. Он был сделан из прозрачного пластика и успешно перегонял воду через имитацию кровеносной системы, в которой крошечные шарики представляли клетки крови. Но возникла проблема в месте под вращающимся диском останавливались потоки и застревали шарики. Эта воронка очень опасна: кровяные клетки, которые скапливаются вместе, имеют тенденцию коагулировать, создавая сгустки, которые могут вызвать инсульты. По Skype Тиммс поговорил с исследователем из Японии, который работал над системами магнитной левитации, используемыми в высокоскоростных поездах. Они решили, что можно использовать более сильные магниты таким образом можно подвесить диск подальше от стенок сердца, чтобы кровь могла легче течь вокруг него. Такой магнитно-левитационный подход также решает проблему износа ни одна из частей больше не будет соприкасаться с другой.

Тиммс был еще аспирантом, когда договорился о встрече с кардиологами в больнице Брисбена, где лечился его отец. Он вытащил пластиковый насос из своего рюкзака и объяснил, как будет работать сердце, основанное на его дизайне. Один врач недоверчиво покинул собрание. Другой обеспечил Тиммсу небольшое пособие и комнату в подвале. В 2004 году, когда Гэри восстанавливался после операции по замене клапана наверху, Тиммс работал над прототипами внизу. Вскоре его искусственное сердце смогло на пару часов продлить жизнь овцы. Как и инженеры из прошлого, он ожидал, что дальнейший прогресс будет быстрым.

image

Сегодня, более чем через полтора десятилетия спустя, офис Bivacor, компании Тиммса, находится в Серритосе, пригороде Лос-Анджелеса. Около дюжины инженеров работают в здании, окруженном пальмами и цветущей живой изгородью. В прошлом году, перед пандемией, Уилсон Ксе, двадцатитрехлетний инженер-биомеханик, стоял над лабораторным столом и орудовал стяжками, чтобы прикрепить новейшую версию сердца от Bivacor к модели системы кровообращения. Система, известная как петля, была значительно улучшена по сравнению с той, которую построили Тиммс и его отец. Сделанная из пластиковых трубок и высотой чуть больше метра, она напоминала модель американских горок. Система была наполнена водой, смешанной с сахаром, для имитации вязкости человеческой крови. В ней также использовались клапаны для имитации разных условий кровообращения: высокого и низкого давления, застоев и быстрых протоков. Сердце, прикрепленное к системе, было прочным и изготовленным в стиле стимпанка из черного и золотого титана. Четыре отверстия вели к аорте, полой вене, легочной артерии и легочной вене; кабель соединял его с блоком управления, размером со словарь. Этот кабель будет проходить через кожу в районе живота, людям будет необходимо постоянно носить блок управления с собой.

Когда Ксе регулировал клапаны контура, воздух выкачивался с шипящим звуком. Николас Грейтрекс, австралийский инженер-электрик, ввел команду на компьютере, и к электромагнитам сердца начал течь ток. По петле побежала вода, двигаясь с низким пульсирующим гудением.

Сердце от Bivacor и человеческое сердце работают по разным принципам. Человеческое сердце имеет две стороны. Кровь сначала течет от меньшей, правой стороны к легким и обратно, насыщаясь кислородом. Затем она переходит на более крупную и мощную левую сторону, закачивающую кровь в тело. Сердце от Bivacor основано на комбинированной камере. Оно посылает кровь в двух направлениях с помощью вращающегося диска (ротора), имеющего две стороны разной формы (для создания необходимого уровня кровяного давления). Если сердце здорового взрослого человека бьется где-то от шестидесяти до ста раз в минуту, сердце от Bivacor вращается со скоростью от 1600 до 2400 оборотов в минуту.

Измерьте пульс человека, использующего такое сердце, и вы обнаружите только постоянное давление как в садовом шланге. Некоторым кардиохирургам и кардиологам не нравится идея сердца без пульса. Постучав по клавиатуре компьютера, Грейтрекс приказал ротору работать с переменной скоростью. Ускоряя и замедляя ротор, мы можем создать искусственный пульс, сказал он. Я протянул руку и коснулся одного из белых резиновых шлангов петли. Как ни странно, он был теплым; под моими пальцами он начал пульсировать в знакомом человеческом ритме.

Артериальное давление 100 на 70, торжествующе сказал Грейтрекс, касаясь своего запястья. Врач может взглянуть на это и сказать: У вас все хорошо! По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, примерно 6,2 миллиона американцев страдают от той или иной формы сердечной недостаточности, часто испытывая слабость, одышку, и неустойчивость. Такое искусственное сердце повернет время вспять.

Bivacor находится в переходной фазе. Компания до сих пор не продавала свои продукты и полностью зависит от венчурных фондов, бизнес-ангелов и государственных грантов. Ее сердца были имплантированы овцам и телятам они проживали месяцы, и иногда бегали на беговой дорожке. Компания готовится подать заявку в Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) для получения разрешения на имплантацию человеку. Преодолеть порог между животными и людьми значит попасть в жесткую нормативно-правовую среду. На заре исследований искусственного сердца команда могла имплантировать устройство умирающему человеку в экстренном порядке в качестве последней попытки спасти его жизнь и посмотреть, как оно функционирует.

Специалисты по этике были обеспокоены, но прогресс был быстрым. Сегодня такие эксперименты запрещены: конструкция сердца должна быть зафиксирована и одобрена до начала клинических испытаний; испытания могут занять годы, и, если выяснится, что сердце недостаточно хорошо, процесс должен начаться заново. Bivacor в настоящее время решает, какие функции будут включены в клинические испытания их сердца. Ошибочное решение, скорее всего, приведет к потере компании. Почти наверняка второй попытки взойти на вершину не будет.

Тиммсу, коротко подстриженному и рыжеволосому, сейчас сорок два. Со времени своего пребывания в Брисбене он посвятил почти всю свою трудовую жизнь работе над сердцем, он ездил в Японию, Германию, Тайвань и Хьюстон, чтобы работать с разными хирургами и инженерами. Тихий и сосредоточенный, он весьма сдержан: он предпочитает не рассказывать людям, чем он зарабатывает на жизнь, чтобы последующий разговор не соблазнил его разрекламировать проект, все сроки которого давно сорваны. В джинсах, кроссовках и мятой классической рубашке, расстегнутой до третьей пуговицы, он провел меня в заднюю комнату, где полдюжины прототипов сердец непрерывно работали целых шестнадцать месяцев. Очень важно показать, что они никогда, никогда не останавливаются, сказал он сквозь гул движущейся воды. Сам Тиммс выглядел так, будто не спал как следует пару десятилетий.

На выходе из лаборатории мы прошли конференц-зал, где инженер в видеочате обсуждала, как можно протестировать сердце от Bivacor перед имплантацией: Поместите большой палец на левое впускное отверстие и слегка надавите, сказала она. Мебель в офисе Тиммса могла бы находиться в домашнем кабинете (это был подарок одного из первых инвесторов владельца мебельного магазина в Хьюстоне). На вешалке на стене висела отглаженная рубашка, а в углу стоял дорожный велосипед.

Сидя на своем скрипучем стуле, Тиммс вспомнил, как в 2006 году вез своего отца в больницу. Операция по замене клапана помогла Гэри восстановить работу сердца, но только временно. У него тромб на механическом клапане, сказал Тиммс. Это поддерживало приток крови в левую часть его сердца и в легкие. Тиммс изобразил скопление наростов руками, показав путь от левой части груди до грудины и вверх по шее кровь накапливалась, как вода, изо всех сил пытаясь вытечь из канализации. Из-за этого появляются отеки, сказал он. Начинается кашель кровью, потому что она проходит через легочную мембрану.

Две недели спустя Тиммс был в Германии, встречался с инженерами по насосам, там он узнал, что его отцу стало хуже. Он сразу же улетел домой, но не успел поговорить с отцом в последний раз. Он был в реанимации с ИВЛ в трахее и всем таким, сказал Тиммс. Его смерть лишь укрепила мою решимость. Я подумал: Все. Мы сделаем это любой ценой.

Я спросил Тиммса, действительно ли два десятилетия назад он верил, что сможет изобрести искусственное сердце вовремя, чтобы спасти своего отца.

Он покачивался взад и вперед, кивая. Если бы на том этапе было устройство, которое ему можно было бы имплантировать, то, возможно, он мог бы остаться еще на пять или десять лет он бы увидел как я женился и как у меня появлялись дети. Он мог бы пережить это с нами. Тогда философия заключалась в этом. Еще пять или десять лет. Он посмеялся. Этого так и не произошло, сказал он, имея в виду брак и детей. Он обвел рукой офис: Я застрял во всем этом.

До того, как сердце стало заменяемым, оно было неприкосновенным запретный рубеж хирургии. Врачи девятнадцатого века считали, что сердце это предел, установленный природой. В первой половине двадцатого века анестезия сделала хирургов смелее. Они начали вмешиваться, чтобы залечить артерии и клапаны, пока сердце все еще билось. Они пытались охладить пациентов до гипотермического уровня, а затем быстро воздействовать на их сердце, пока оно не билось. Только в 1950-х годах, с развитием аппарата искусственного кровообращения, операции на открытом сердце стали обычным делом. Кровь выходит из тела в машину, минуя сердце и легкие, и дает хирургам доступ к неподвижному и бескровному сердцу, с которым они могут обращаться почти как с обычной мышцей.

Ранние аппараты искусственного кровообращения были размером с рабочий стол и могли безопасно использоваться только в течение коротких интервалов; тем не менее, они сделали искусственное сердце желанным и возможным. То же касается и нескольких других тенденций. Больше людей доживали до шестидесяти и семидесяти, когда статистика сердечных заболеваний начинала ухудшаться: к середине века 40% смертей в Америке были вызваны болезнями сердца. Эти статистические данные вызвали серьезную озабоченность у политиков. В 1948 году Конгресс (группа стареющих мужчин) принял Национальный закон о сердце, положив начало десятилетнему расширению федерального финансирования кардиологических исследований.

Это была эра Аполлона, и искусственное сердце казалось прорывом. В 1964 году Национальные институты здравоохранения запустили Программу разработки искусственного сердца многомиллионный инженерно-технический проект, направленный на то, чтобы к концу десятилетия начать вживлять сердца в пациентов. По своей структуре он был похож на проект NASA. Он предоставлял гранты и контракты командам инженеров, которые соревновались в разработке лучшего клапана, насоса или источника питания; несколько команд безуспешно экспериментировали с сердцами, работающими на ядерной энергии. Журналы Time и Life посвятили этой теме свои обложки. Как пишет историк медицины Шелли МакКеллар в своей книге Artificial Hearts: The Allure and Ambivalence of a Controversial Medical Technology, большие надежды на имплантаты искусственных органов не обязательно отражают современную хирургическую реальность.

Истинная сложность задачи быстро стала очевидной. В больнице Маймонида в Бруклине над помпой начал работать Адриан Кантровиц хирург-изобретатель, который помог усовершенствовать кардиостимулятор и аппарат искусственного кровообращения. Он выбрал разумный подход: вместо замены сердца, он установил насос сразу за ним, чтобы компенсировать его слабость и, возможно, дать ему время на выздоровление. Насосы-прототипы Кантровица были испытаны на собаках, и к 1966 году он был готов имплантировать их людям. Первый пациент-человек, которому установили такой насос, умер после сильного кровотечения. Второй была 63-летняя прикованная к постели и больная диабетом женщина, перенесшая два сердечных приступа она прожила двенадцать дней, но умерла после серии инсультов.

Когда Кантровиц извлек свой насос и вскрыл его, он обнаружил сгустки. Он столкнулся с препятствием, которое впоследствии стало известно как гемосовместимость. Под действием слишком большой силы или давления клетки крови могут разрываться. Они могут спаиваться в воронках и расщелинах. Они могут схватываться на текстурных поверхностях. Устройства Кантровица меняли структуру перекачиваемой крови, и по мере накопления таких искажений, последствия усугублялись.

Между тем, в Медицинском колледже Бейлора в Хьюстоне Майкл Дебейки и Дентон Кули, которые считались лучшими кардиохирургами в мире, справились с другим набором сложностей. Дебейки и Кули начинали как партнеры они выполняли огромное количество операций на сердце в невероятном темпе. Как пишет в своей книге Ticker: The Quest to Create an Artificial Heart журналистка Мими Шварц, позже эти двое рассорились. Кули оставил практику в 1960 году, а позже основал Техасский институт сердца. Тем временем Дебейки нанял Доминго Лиотту, аргентинского кардиохирурга-новатора, для работы с искусственным сердцем. К 1969 году Лиотта начал имплантировать прототипы телятам. Результаты были обескураживающими (из семи животных четверо умерли на операционном столе), и Дебейки подумал, что они пока не готовы к использованию на людях. Но Кули стремился продвинуть работу вперед. У него были пациенты, ожидающие донорского сердца не только в его больнице, но и в близлежащих мотелях. Не проинформировав Дебейки, он нанял Лиотту подрабатывать в Техасском институте сердца с расчетом использовать новый имплант.

Кули начал искать среди своих пациентов кандидата. Хаскелл Карп, 47-летний оценщик из Скоки, штат Иллинойс, тринадцать раз был госпитализирован из-за болезни сердца. У него были столь серьезные проблемы с одышкой, что иногда ему было тяжело расчесать волосы. Кули хотел бы посмотреть, можно ли восстановить сердце Карпа хирургическим путем, но Карп и его жена согласились, что, если такого варианта не будет, Кули мог бы имплантировать прототип Лиотты в надежде, что позже появится донорское сердце. Мистера Карпа отвезли в хирургическую палату, позже писал Кули в мемуарах. Он был бледен, вспотел и с трудом дышал. Его кровяное давление упало до половины нормального уровня. На полпути к операции стало очевидно, что его сердце не спасти.

Кули установил пневматическое устройство, соединенное шлангами, проходящими через бок Карпа, с консолью размером с холодильник. Желудочки сердца были сделаны из эластичного пластика с гибкой подкладкой из полиэстера; когда воздух проходил между слизистой оболочкой и пластиком, желудочки сокращались, а сердце работало. Устройство сохраняло жизнь Карпу шестьдесят четыре часа, пока его не заменило пересаженное сердце Барбары Эван, сорокалетней матери троих детей. Тем не менее, через тридцать два часа Карп умер от пневмонии и почечной недостаточности последствий серьезной болезни сердца, которая изначально сделала его кандидатом на рискованную процедуру. Кули расценил операцию как успешную. Но Дебейки, разгневанный кражей его искусственного сердца, сомневался, что его бывший партнер действовал этично. Был проведен ряд расследований, и Кули осудил Американский колледж хирургов. Наблюдатели расходились во мнениях относительно того, была ли операция героической или безрассудной, но в любом случае возникла новая проблема: к тому моменту, когда люди соглашались на искусственное сердце, они были настолько больны, что их было почти невозможно спасти.

Виллема Колффа, терапевта голландского происхождения, который изобрел диализ в 1940-х годах, это не остановило. Он не просто хотел максимально приблизиться к трансплантации, он хотел создать столь хорошее сердце, что его можно будет использовать для работы на постоянной основе. В лаборатории Колффа в Университете штата Юта врач-инженер по имени Клиффорд Кван-Гетт создал мягкий желудочек, не повреждающий структуру крови. Роберт Джарвик, талантливый биомедицинский инженер, присоединившийся к команде Университета Юты во время учебы в медицинской школе, неустанно совершенствовал конструкцию и производственный процесс, решая проблемы с гемосовместимостью. Когда Джарвик присоединился к команде в 1971, их прототип сердца мог поддерживать жизнь теленка всего десять дней. Впрочем, прогресс был устойчивым после десяти лет работы, теленок по имени Альфред Лорд Теннисон прожил двести шестьдесят восемь дней на том, что к тому времени называлось искусственным сердцем Джарвик-5.

image

В декабре 1982 года кардиохирург Уильям Де Вриз имплантировал модернизированную версию сердца (Джарвик-7) Барни Кларку, шестидесятилетнему дантисту. Сердце Кларка работало примерно на шестую часть от своего ресурса. Он чувствовал себя настолько плохо, что когда увидел телят и овец с сердцами Джарвика, сказал думаю, они чувствуют себя намного лучше, чем я сейчас. Операция привлекла международное внимание. Зачастую в центре внимания оказывались личности участников: Де Вриз, опытный и Линкольнский, Ярвик, молодой и красивый и Кларк, харизматичный обыватель, выполнявший боевые задачи во время Второй мировой войны. По телевидению транслировали видео семи с половиной часов операции. После нее репортеры посещали ежедневные брифинги для прессы, проводимые в кафетерии университета.

Кларк прожил сто двенадцать дней с трубками, соединяющими его с четырехсотфунтовым насосом и пультом управления. Он периодами был то в упадке, то восстанавливался, то был несчастен, то оптимистичен. Порой он даже недолго стоял и крутил педали велотренажера, но обычно он лежал в постели и задыхался, втягивая воздух через маску. Один из его механических клапанов пришлось заменить в ходе последующей операции. Кларк страдал от носовых кровотечений, судорог, почечной недостаточности и пневмонии. Незадолго до того, как он умер от сепсиса и отказа органов, он сказал, перебивая пыхтящий звук пневматического насоса: Было приятно иметь возможность помогать людям.

FDA дало Де Вризу разрешение на имплантацию семи искусственных сердец, и он взялся за дело. В 1984 году Де Вриз установил доработанную версию Джарвик-7 Уильяму Шредеру, 52-летнему армейскому экс-инспектору по вооружению. Перед операцией Шредер попросил исповедоваться. В итоге он прожил 620 дней, перебрался из больницы в квартиру, и время от времени использовал переносную насосную установку, работавшую три часа от аккумуляторов, чтобы выходить в корридор или ездить на машине с сыном. В телефонном разговоре с Рональдом Рейганом Шредер в шутку пожаловался на задержку проверок в системе социального обеспечения. Ощупывая грудь мужчины, репортеры удивлялись его сердцебиению оно казалось более мощным, чем у здорового человека. Тем не менее, Шредер страдал от множества недугов. В частности, от инсультов один из них был обширным. После того, как он скончался от хронических инфекций и проблем с легкими, его похоронили с надгробием с изображением двух сердец человеческого и Джарвик-7.

Сердца становились все лучше, как и хирургические технологии, хотя все эти улучшения не меняли основные контуры исследований. Де Вриз сделал еще несколько пересадок с переменным успехом. В Швеции мужчина, которому подарили Джарвик-7, очень хорошо себя чувствовал, ходил на длительные прогулки и ел в своих любимых ресторанах. Тем не менее, он умер через семь с половиной месяцев, что вызвало юридические дебаты о том, был ли он вообще жив. (Согласно шведским законам того времени, он умер в тот момент, когда его сердце остановилось). Врачи, пациенты и репортеры начали прохладнее относиться к этой теме. Уверенность в идее замены сердца начала угасать, и спонсоры задавались вопросом не лучше ли было бы потратить деньги на что-то другое? В чем смысл пересадки искусственного сердца на короткий срок? Хирурги пытались спасти своих пациентов или просто ставили на них эксперименты? Стоили ли того добавленные дни жизни?

Первые инженеры-искусственники добились ограниченного успеха. Их устройства могли поддерживать жизнь пациентов в течение длительного времени, но не постоянно. Сердечная недостаточность перестала быть смертельной, но качество жизни было слишком низким. Ограниченное чудо, неоднозначное благо. Они сделали это, сказал Тиммс в своем офисе, когда мы обсуждали эту историю. Впрочем, никто этого не хотел. Отрезвляющий вывод для тех, кто пытался повторить.

Пару десятилетий назад, в начале последнего года обучения в колледже, я обнаружил, что живу рядом с двумя очаровательными женщинами: Сьюз из Монтаны и Джесс из Нью-Джерси. Мы подружились, и вскоре я узнал историю Джесс. В старшем классе средней школы у нее случился обширный сердечный приступ. После проведения последних обрядов она была спасена благодаря имплантации экспериментального сердечного насоса желудочкового вспомогательного устройства под названием HeartMate. Это устройство было наследником изобретений Кантровица из 60-х, но не было искусственным сердцем. HeartMate выполняло функции правой стороны сердца, левая оставалась на месте. Джесс была на выпускном вечере и сыграла главную роль в школьной постановке Как добиться успеха в бизнесе без особых усилий, будучи подключенной через провод к батарее в сумочке. Она научилась ходить с помощью протеза, потому что осложнение после сердечного приступа потребовало ампутации ее левой ноги выше колена. За несколько дней до окончания средней школы ей пересадили сердце девочки-подростка, погибшей в автокатастрофе. Вскоре после этого у нее развилась неходжкинская лимфома, вероятно, в результате иммунодепрессантов, которые она принимала для предотвращения отторжения. Когда я встретил Джесс, все это было позади. У нее не было батарейки, она вылечилась от рака, и она получала высшее образование.

Мы оставались друзьями и после колледжа. Джесс работала в сфере здравоохранения в качестве адвоката по вопросам донорства органов. Ее особая черта заключалась в том, что она умела быть милой и жесткой одновременно. Она путешествовала по миру, дважды победила рак, ходила на концерты, ела много десертов, заводила парней и получала повышения по службе. В общем, она вела себя как обычная молодая девушка, а не как живое чудо. Наблюдая за легкостью, с которой она перемещалась в любом медицинском учреждении общалась с медсестрами, отправляла электронные письма со своей больничной койки, я понял, насколько продуманно и смело она жила.

Мне было любопытно встретиться с людьми, стоявшими за HeartMate, и я поехал в Техасский институт сердца в Хьюстоне. Он расположен недалеко от больницы Святого Луки, в похожем на город Техасском медицинском центре крупнейшем в мире медицинском комплексе, который посещают десять миллионов пациентов в год. Это Ватикан кардиологии. Там есть большой музей, посвященный истории кардиохирургии и сердечным насосам. Недалеко от того места, где Дентон Кули имплантировал первое искусственное сердце более пяти десятилетий назад, я сидел в конференц-зале без окон с двумя хирургами, О. Х. (Бадом) Фрейзером и Билли Коном. Кону, напряженному человеку в черной рубашке на пуговицах и джинсах, было пятьдесят девять; Фрейзеру, немногословному мужчине в спортивной куртке, брюках и очках черепаховой расцветки, было семьдесят девять. Оба они были в ковбойских сапогах. Вместе они имплантировали более тысячи устройств механической поддержки кровообращения. Сегодня большинству пациентов устанавливают желудочковые вспомогательные устройства, которые помогают левой части сердца или заменяют её. Но Кон и Фрейзер, как и Тиммс, входят в небольшую группу исследователей, которые все еще работают над созданием полной и постоянной замены сердца. В 2011 году они имплантировали два HeartMate II (один для левой стороны, один для правой) пятидесятипятилетнему мужчине, сердце которого полностью вышло из строя и было удалено. Эти устройства действовали как искусственное сердце и позволили мужчине прожить 5 недель.

Карьера Фрейзера началась в золотой век работы над искусственным сердцем и продолжилась в ее темные годы. В 1963 году он поступил в Медицинский колледж Бейлора и учился у Майкла Дебейки. Они присоединился к команде Кули в Техасе в 70-е и работал там в 80-е, когда открытие циклоспорина и иммунодепрессантов повысило выживаемость после трансплантаций. Убедившись в важности сердечных насосов как промежуточных устройств, он начал работать в подвальной лаборатории, где содержали свиней, овец, коров и коз. На протяжении десятилетий он сотрудничал с инженерами, чтобы протестировать и усовершенствовать почти все существующие в настоящее время сердечные насосы, включая оригинальный HeartMate. (Ранее в Серритосе я смотрел видео, на котором теленок с насосом от Bivacor гуляет по беговой дорожке в лаборатории Фрейзера. Фрейзер и Кон консультанты компании.)

Вот этот парень, О. Х. Фрейзер, сказал Кон, указывая на фотографию Фрейзера в залитом кровью халате, сделанную давным-давно на своем ноутбуке. Настоящая рок-звезда. Фрейзер усмехнулся.

Кон, излучавший мессианскую энергию, рассказал, что в 1986 году Фрейзер был первым хирургом, успешно применившим HeartMate в рамках клинических испытаний, которые проводились до 1993 года. После того как это устройство было одобрено FDA, оно было установлено примерно 4 тысячам пациентов. HeartMate имел форму пончика, был оснащен механическим насосом и одним из его основных нововведений было использование специально текстурированного пластика и титана, на которых клетки крови могли образовывать гладкую биологическую поверхность. Ранние версии приводились в действие воздухом, доставляемым через шланг. Более поздние модели, такие как та, что получила Джесс, были с мотором. Срок службы устройства составлял не более полутора лет, но этого было достаточно для пациентов, которые попали в больницу с синими губами и были близки к смерти. Нужно было поместить HeartMate в дыхательный аппарат, сделать большой разрез, вставить насос в брюшную полость, подключить его, и в конце операции губы становились розовыми. Проблемой было и остается отсутствие трансплантируемых сердец: Через полтора года HeartMate сломается, и вам лучше найти донорское сердце за это время, иначе эти люди умрут.

Чтобы решить эту проблему, Фрейзер начал сотрудничать с Abiomed, компанией по производству сердечных насосов из Массачусетса, над созданием искусственного сердца следующего поколения AbioCor. Это искусственное сердце было создано в начале девяностых. В некоторых отношениях оно было традиционным (в нем две камеры, как в настоящем сердце), но в остальном это очень футуристическое устройство. Из тела не выходили воздушные шланги или электрические кабели. AbioCor абсолютно автономный имплант, который использует циркулирующую гидравлическую жидкость для сжатия желудочков. AbioCor питается от аккумулятора, который можно заряжать через кожу без проводов. Теоретически, с ним можно плавать.

Супер, супер амбициозно, сказал Кон, открывая диаграмму. На это потратили четверть миллиарда долларов. Несколько сотен животных, причем половину операций Бад и его команда провели здесь. В 2001 и 2002 годах сердца установили 14 пациентам. Именно тогда амбициозные планы начали рушиться. Через 9 месяцев все они, за исключением четырех, умерли от осложнений или из-за сбоя устройства, вспоминает Кон.

FDA дало Abiomed разрешение на имплантацию еще 60 устройств, но всем было ясно, что их нужно обновить, а затем опять получить разрешения это длительный процесс, взяться за который никому не хватало духа. Abiomed сдались, сказал Кон. Они сказали: Это слишком сложно!. Проблема заключалась в том, что сердце было настолько большим, что помещалось только в грудных клетках самых крупных пациентов мужского пола.

Знаешь, твое сердце бьется сто тысяч раз в день, протянул Фрейзер.

Тридцать пять миллионов раз в год, сказал Кон.

Учитывая этот факт, удивительно, что оно продержалось столько времени, сказал Фрейзер.

На протяжении восьмидесятых и девяностых годов, даже когда он работал над HeartMate и AbioCor, Фрейзер утверждал, что инженерам следует перейти от конструкций с пульсирующими насосами к конструкциям, основанным на более простом механическом принципе непрерывного потока именно на нем основано решение Bivacor. Некоторые исследователи утверждали, что сердечно-сосудистая система может выиграть от пульса: есть свидетельства того, что стенки кровеносных сосудов расширяются в ответ на учащенное сердцебиение. Но Фрейзер пришел к выводу, что, несмотря на все преимущества пульсации, они перевешиваются прочностью и простотой. Он начал работать над двумя проектами с непрерывным потоком параллельно: над одним с кардиологом Ричардом Уэмплером, и другим с Робертом Джарвиком. Они имплантировали искусственные сердца животным, а затем извлекали, разбирали и анализировали как они работают. К двухтысячным эти устройства перешли в эксплуатацию под названиями Джарвик 2000 и HeartMate II соответственно.

image

Кон открыл на своем ноутбуке схему HeartMate II. По сути, это узкая трубка со штопором. Когда винт вращается между двумя подшипниками, он работает как стационарный пропеллер, непрерывно выталкивая кровь из сердца в аорту над ним. (В сельском хозяйстве такая же конструкция называется винтом Архимеда и используется для перекачивания воды)

Кон указал на винт: Вот движущаяся часть, подвешенная на рубиновых подшипниках. Люди говорили: Нельзя использовать подшипники в крови. Оказалось, что можно! Через них проходит достаточно крови, чтобы они оставались чистыми. Сгустки все еще остаются проблемой, равно как и инфекции. Тем не менее в настоящее время, более тысячи человек каждый год время получают HeartMate II или аналогичные устройства, и живут с ними, продвигаясь вверх в списках очереди на трансплантацию. HeartMate II сохранял жизнь Дика Чейни с 2010 по 2012 год, пока ему не сделали пересадку.

Летом 2019 года я получил сообщение от Джесс. Я недавно отпраздновала 20-летие трансплантации сердца, написала она. Но пересаженное сердце работает не так долго, как родное. Я этого не знал. Я предполагал, что ее трансплантат был постоянным. По сути, её одолженное сердце выходило из строя. Она задыхалась и однажды ночью чуть не упала в обморок, когда шла домой в свою квартиру. Теперь она вернулась в больницу, ожидая второго сердца. Это могут быть недели, месяцы или (что менее вероятно) его пересадят завтра, написала она. Пожалуйста, присылайте что-то приятное.

Я посещал Джесс в отделении интенсивной терапии, где мы говорили о ресторанах, карьере и телешоу. Мы посмотрели несколько фотографий моего сына, которому было около года. Я собирался снова приехать, когда она умерла.

Она отлично справлялась, сказал Кон. Многие пациенты, перенесшие трансплантацию сердца, умирают через десять лет.

Недавно я был на дне рождения парня, которому сделал пересадку тридцать лет назад, сказал Фрейзер. Но такое бывает очень, очень, очень редко. Всего порядка 5% пациентов, перенесших пересадку сердца, проживают еще 30 лет. Искусственные помпы, представленные на рынке, считаются мост-терапией, а пересадка сердца это терапия целевого назначения. Впрочем, если вы проживете достаточно долго, трансплантаты тоже будут просто мостами.

Я спросил Фрейзера и Кона, что они думают обо всех людях, которые умерли во время или после использования их устройств задерживались ли они на этом свете и как они жили.

Мученики, сказал Кон. Они цеплялись за жизнь. Технологии, возможно, и не было, но она наверняка откладывала их последний вздох. Многие из них проводили годы со своими близкими, делая то, что им нравилось. Некоторые попадали в отделение интенсивной терапии, проводили там шесть недель и умирали. Оглядываясь назад, иногда кажется, что лучше было просто позволить им уйти. Но никогда не знаешь! Это игра со статистикой, и они были готовы на нее ради еще пары дней жизни. И каждый раз это помогало нам продвинуться.

Я много работал с детьми, больными лейкемией, когда был студентом, сказал Фрейзер. Все они погибли. Врачи детского отделения в Техасе хотели бросать работу

Все потому что вы пытали их этими ядами, отметил Кон.

Они выглядели ужасно, сказал Фрейзер. Их животы распухали, они теряли волосы, это пугало других детей. Но врачи продолжали все это делать. Думаю, это помогло мне в дальнейшем, потому что первые 22 человека из 70, кому мы устанавливали первые искусственные желудочки, умерли.

Было уже поздно. Фрейзер провел меня через безлюдный офис, по извилистым, тихим коридорам и, наконец, мы спустились на лифте в подвал. Мы вошли в его лабораторию огромное логово, где он провел большую часть своей трудовой жизни. Мы прошли через ветеринарную операционную и лабораторию патологий, где умерших животных и вышедшие из строя насосы можно было разобрать и проанализировать.

У нас здесь свиньи, сказал Фрейзер, открывая дверь. Пахло животными, и в поле зрения появилась большая розовая сопящая свинья.

У свиней сердце больше всего похоже на человеческое, сказал он, закрывая дверь. Он указал в коридор: Козы. Я не люблю работать с козами. Они слишком умные!. Он посмеялся. Они смотрят на тебя.

Мы прошли вглубь лаборатории. В застеленном ковром конференц-зале на витрине лежали несколько дюжин искусственных сердец и сердечных насосов почти музей всей этой области. То, что посередине, это AbioCor, сказал Фрейзер, указывая на скрученный кусок металла и пластика в форме сердца. Это старый Джарвик-7: два желто-бежевых желудочка с выходящими трубками. Это HeartMate II: серый металлический цилиндр с белыми трубками на обоих концах, похожий на что-то, что можно найти под раковиной. На обложке журнала Life за сентябрь 1981 года в рамке на стене говорилось: Создано искусственное сердце.

Фрейзер указал на большой металлический насос и на выступающую из него белую трубку длинный патрубок, сказал он. Пока его не заменили, устройство было обречено на неудачу. Небольшие изменения вносятся итеративно, а их эффекты раскрываются только после смерти. Это было изобретение в замедленной съемке.

image

Проект AbioCor был отменен. До конца работы над Bivacor еще много лет. Сегодня единственная компания, производящая и продающая искусственные сердца, которые имплантируются людям, это SynCardia Systems из Тусона, штат Аризона. Компания была создана в рамках спасательной миссии. Symbion, компания из Юты, которую помогал основать Роберт Джарвик, лишилась сертификации на Джарвик-7 в 1990 году из проблем с контролем качества. Технология была выкуплена другой фирмой, проводившей клинические испытания с улучшенной версией устройства, но у нее в 2001 году закончилось финансирование. Какое-то время казалось, что технология просто исчезнет. Но два кардиохирурга и биоинженер вместе сколотили венчурный капитал, чтобы выкупить права на систему. Они переименовали устройство в SynCardia Total Artificial Heart, или T.A.H. Компания, которая сейчас базируется в нескольких зданиях, окружающих песчаную автостоянку, продает около сотни сердец в год, все они произошли от старинного Джарвик-7, работавшего на воздухе. Несмотря на то, что SynCardia удалось создать команду хирургов, способных установить сердца компании, она работает очень слабо. Недавно компания прошла по 11 главе Кодекса о банкротстве и была выкуплена новыми инвесторами. Они справились с пандемией, приведшей к отмене операций по всей стране, посредством производства и продажи антисептика для рук.

Вместе с Карен Штамм, программным директором SynCardia, и инженером Мэттом Шустером, я наблюдал через окно, как техник в чистой комнате собирал одно из сердец. Ключ к созданию искусственного сердца это материал, который мы используем, сказал Шустер. Сегментированный полиуретановый раствор. Мы называем его спазз от S.P.U.S.. Штамм рассмеялась. Мы производим этот материал здесь, в кампусе, продолжил Шустер. Это наша собственная запатентованная смесь. Когда она выходит из производственного оборудования, она похожа на сок или густой мед. Используя зубочистку, техник осторожно нанес слои формованного меда. Полупрозрачное нечто оказалось поверх другого полупрозрачного чего-то. Процесс сборки занимает две с половиной недели.

Мы прошли через лабораторию, посвященную анализу эксплантатов. Если мы получаем сердце назад, мы разбираем и осматриваем его, сказал Шустер. Мы попали в другую комнату, заполненную несколькими десятками резервуаров с водой на полках. Внутри каждого резервуара билось сердце. Рядом с резервуарами находились воздушные насосы, или приводы. Звук в комнате был оглушительным, быстрым и громким: бах-бах-бах, а внутри него можно было расслышать механическое цоканье, как от пишущей машинки. Звуки повторялись дважды в секунду в ритме производства, как если бы мы были на фабрике. Здесь мы и проводим наши долгосрочные исследования, кричала Штамм через шум. С одной стороны находились сердца на 50 кубических сантиметров (их ставят небольшим пациентам), а с другой на 70 (их ставят пациентам покрупнее). Вот приводы, от которых идет механический звук, сказала Штамм, указывая на механический насос, похожий на коробку для завтрака. Он был соединен воздушной трубкой с сердцем внутри резервуара. Когда вы слышите щелчок это срабатывает клапан внутри сердца.

Основные инновации SynCardia были направлены именно на привод. Их сердце может приводиться в движение одним из двух устройств: первое размером с мини-холодильник, а второе размером с тостер. Оба эти устройства намного меньше, чем те, что использовали пациенты Де Вриза. Через несколько месяцев приводы необходимо обслужить. Когда загорается сигнальная лампа, лицо, осуществляющее обслуживание, отключает привод и как можно быстрее присоединяет его к другому устройству, чтобы сердце пользователя не замирало. Я наблюдал как вода в резервуарах ритмично колебалась. Чтобы каждую минуту проталкивать пять или шесть литров крови по телу, требуется много усилий.

Я спросил как это сердце звучит, когда оно установлено в человека.

Намного тише, сказала Штамм. Но его слышно. Я слышала истории, в которых пациенты говорят, что когда они открывают рот, другие люди слышат щелчки. Она сказала мне, что некоторые пациенты сначала не могли терпеть шум. Но потом, по ее словам, они не могли спать без щелкающих звуков.

Мы продолжили путь через склад, где на полках хранилось около дюжины сердец, готовых к отправке. Хирургические наборы, содержащие материалы, необходимые для их установки, были упакованы в отдельную стопку. Затем мы прошли через парковку к другому зданию, где группа инженеров ждала нас в защитных очках в лаборатории с высокими потолками. Один из них протянул мне небольшой кусок пластика в форме песочных часов: спазз. Прозрачный, немного похожий на молоко, гладкий, и липкий цепкий на кончиках моих пальцев. Спазз растягивался почти сюрреалистично я потянул за его концы, вытянув шейку песочных часов в несколько раз больше их первоначальной длины, и материал без особых усилий вернулся к своей первоначальной форме.

Через дверной проем я увидел гигантскую, изношенную машину, примерно в 3 метра высотой. Она была одновременно похожа на нефтяную вышку и KitchenAid. Спазз-реактор, сказал Трой Виллазон, менеджер по производству. Он из начала 60-х. SynCardia приобрела машину в начале XX века, чтобы обеспечить бесперебойную поставку материала. Это оборудование видело почти всю историю развитию спазза, сказал Виллазон. Некоторое время мы размышляли использовалась ли эта самая машина для создания сердец Джарвика? Вполне возможно, сказал Шустер.

Я остановился перед доской, на которой четыре фотографии пациентов SynCardia были расположены над обычными схемами, нарисованными от руки. На фотографиях были черный мужчина на больничной койке с сумкой для покупок; лысеющий белый мужчина на поле для гольфа с тонким воздушным шлангом, выходящим из-под рубашки; блондин, возможно, подросткового возраста, несущий рюкзак; и молодые брат и сестра, сидящие вместе. Нам нравится видеть мотивирующие фотографии на стене, сказал Виллазон. Девятилетний мальчик был самым юным пациентом, получившим сердце от SynCardia. SynCardia, проживший после установки больше всех, использовал сердце в течение почти семи лет достижение, которое в восьмидесятые годы могло стать обложкой журнала Life.

Одна из самых больших проблем, с которой сталкивается SynCardia, это устаревание. Джарвик-7, на котором основано сердце SynCardia, был разработан почти сорок лет назад. Первоначальным лицензиям компании уже несколько десятков лет. Сегодня для изменения любой отдельной части болта, клапана, резистора может потребоваться получение новых лицензий. Когда поставщики уходят из бизнеса или обновляют свои предложения, инженерам SynCardia приходится искать, тестировать и затем получать разрешения на замену компонентов. Компания живет в страхе перед фатальной неисправностью в спаз-реакторе: создание и утверждение нового реактора может занять год, в результате чего потенциальные новые пациенты останутся без сердец. Обслуживание устаревшего устройства стоит дорого. Даже если мы не улучшаем или не меняем его, нам просто нужно продолжать производить том же самый материал люди этого не осознают, сказал Шустер. Я работал в аэрокосмической отрасли и могу вам сказать, что зачастую легче внести серьезные изменения в аэрокосмические проекты, чем что-то изменить в искусственном сердце. Я представил, с какой внимательностью потенциальные пациенты отслеживают взлеты и падения SynCardia.

В Соединенных Штатах менее двадцати больниц, в которых хирургов обучили проводить установку сердец. Это узкий рынок, сказал мне Дон Уэббер, генеральный директор компании. Он достал телефон и открыл таблицу, в которой перечислялись все пациенты-кандидаты на сердца на тот момент. Мы получаем списки каждый день, пояснил он. Мы получаем телефонный звонок, текстовое или электронное письмо, в котором говорится: У нас может быть пациент. На экране телефона пробегают разноцветные строчки с данными пациентов.

SynCardia сталкивается с той же проблемой, с которой Кули столкнулся в шестидесятые годы: вы должны быть очень больны, чтобы задуматься о том, чтобы вырезать свое сердце из груди, но если вы будете ждать слишком долго и заболеете, вас уже не удастся спасти. Бывают такие случаи, сказал Уэббер с тревогой в голосе. Вы видите человека в списке этой недели, вы видите его в списке в конце недели, вы видите его в списке на следующей неделе. Он просто ждет, ждет и ждет. Чем дольше пациент ждет, тем меньше вероятность, что он выживет после имплантации искусственного сердца и любой последующей трансплантации. Это непростое решение, сказал Уэббер. В команде есть несколько человек хирурги, кардиологи, госпиталисты, и все они должны согласиться.

Ученые в области бизнеса используют множество различных метафор для описания изобретений и инноваций. Они говорят, что технологии могут развиваться непрерывно или дискретно, что новые продукты должны подняться по кривой принятия или перепрыгнуть через пропасть юзабилити. Никто не хотел пользоваться мобильными телефонами, но когда они уменьшились в размерах, они стали нужны всем. Электромобили казались непрактичными, но гибридные двигатели дали водителям возможность познакомиться с технологиями и ускорили их распространение.

Искусственные сердца сталкиваются с уникальными задачами. Только те, кто сталкивается с неминуемой смертью, готовы решиться на пересадку сегодняшних моделей. И все же почти шестьсот шестьдесят тысяч американцев умирают от болезней сердца ежегодно это число погибших на уровне пандемии, хотя мы не говорим о чрезвычайной ситуации. Все большее число людей живет с больным сердцем и страдает от последствий этих болезней. Чтобы полностью реализовать свой потенциал, искусственные сердца должны стать достаточно хорошими, чтобы люди действительно захотели их использовать. Они должны стать предпочтительнее не смерти, а сердечной недостаточности, как замена тазобедренного сустава предпочтительнее болезням тазобедренного сустава. Пока они не достигнут более широкого распространения, они останутся нишевым продуктом и поэтому будут недоступны для многих людей, которые в них нуждаются. Еще мгновение: Уэббер пролистал свой список. Я задавался вопросом, должна ли была Джесс участвовать в этом. Затем он убрал телефон.

Инженеры SynCardia обязаны поддерживать устаревшую технологию, но они также понимают, что ее необходимо развивать. Перед тем, как я уехал из Тусона, Виллазон рассказал мне о сердце следующего поколения, которое разрабатывала SynCardia. В этом сердце будет использоваться новый насосный двигатель с питанием от батареи, которую можно полностью разместить внутри пациента. Как и сердце от AbioCor, оно будет беспроводным, без внешнего привода. В то же время оно будет перекачивать кровь, используя уже существующие желудочки на основе спазза, которые уже были одобрены FDA. Подключив это новое устройство к старому (создав гибридную модель), SynCardia надеется быстро разработать и начать продажи этого сердца, чтобы привлечь своих существующих клиентов. По словам Виллазона, новое сердце может стать надежным и постоянным имплантом. Его могут использовать люди, находящиеся подальше от пропасти.

Я не Бад Фрейзер, но я видел много искусственных сердец, и устройство Виллазона поразило меня своей простотой и оригинальностью. И все же инженеры SynCardia были заняты производством, продажей и обновлением нынешнего сердца, спасая более сотни жизней в год. Они изо всех сил пытались найти время, чтобы запустить новое сердце. Они напечатали несколько 3D прототипов, разослали по магазинам спецификации и общались с инвесторами.

Команда Bivacor из Серритоса совершенно не связана с прошлым всех этих технологий. Когда я приехал, все собирались в Тай на еженедельный командный обед. Это была большая группа для ресторана, но маленькая для разработки конструкции искусственного сердца. Тиммс сел в конце стола рядом с инженером-электриком Николасом Грейтрексом

Вы приближаетесь к тому, чтобы вживить свое устройство в человека как вы себя чувствуете?, спросил я. Это захватывающе, или странно, каково это?

Чем ближе мы подходим к тому, чтобы пересадить сердце человеку, тем больше думаем обо всем, что может пойти не так, и о том, что мы можем сделать, сказал Маттиас Кляйнхейер, бородатый инженер. Даже если бы я не сомневался, что система работает должным образом, это все равно было бы очень страшно. Кляйнхейер отвечает за резервные системы. У сердца есть резервные копии к резервным копиям к резервным копиям.

Ник хочет жить с человеком, которому достанется первое сердце, сказал Тиммс.

Ага, сказал Грейтрекс.

Если что-то пойдет не так, мы можем исправить это сразу, сказал Тиммс.

Я представил Тиммса, который был на два десятилетия моложе и возился в гараже со своим отцом. Как только компания отправит свое сердце для пересадки человеку, клинических испытаний и, в конечном итоге, на рынок, его дизайн должен быть высечен в камне. Процесс утверждения расходился с процессом улучшения.

Если бы я мог, я бы просто продолжал работать над этим, этим и этим, сказал Грейтрекс. Я бы никогда его не имплантировал. Люди смеялись, но он точно не шутил.

Если пациенты, нуждающиеся в искусственном сердце, могут слишком долго ждать, прежде чем решиться, инженеры, которые их проектируют, сталкиваются с аналогичной проблемой. Если имплантировать его слишком рано, то устройство может оказаться несовершенным. Если гнаться за совершенством, устройство может не покинуть лабораторию. Когда мы вернулись в офис, я поговорил с Тиммсом о беспроводных сердцах. Инвесторы предложили дать компании больше денег, если она сразу же разработает беспроводное перезаряжаемое сердце. Стиснув зубы, Тиммс решил отказаться от финансирования, оставив беспроводную зарядку для версии 2.0. Мы бы предпочли оставить деньги, чтобы убедиться, что устройство будет правильно работать в организме, сказал он. Если мы проведем испытания и возьмемся за слишком многое сразу, мы потерпим крах. Он решил, что это было самое важное дизайнерское решение, которое приняла команда. Если удаление проводов воспрепятствует более широкому распространению сердца, это может положить конец всем усилиям. Я так ненавижу подключение привода, сказал Тиммс. Я имею в виду, что эту штуку нужно убрать. Но не сейчас.

В лаборатории Грейтрекс познакомил меня с техническим новшеством, которым команда особенно гордилась. Система кровообращения человека находилась внутри тела, постоянно менявшего свою конфигурацию в пространстве. В результате перемещения и применения усилий к телу изменялась скорость кровотока. Если лечь, то она понижалась, если встать то повышалась. Начнете бегать или прыгать мышцы наполнятся кислородом. Все эти движения представляют проблему для магнитного ротора у Bivacor. По мере того, как тело движется и останавливается, а кровоток ускоряется и замедляется, диск может оказаться прижатым к стенкам. В идеале ротор должен противостоять потокам плавать и вращаться, как в невесомости, удерживая свое положение независимо от обстоятельств.

image

На доске Грейтрекс обрисовал сложные системы управления магнитами, которые сердце использует, чтобы ощущать силы вокруг него и приспосабливаться к ним. Тиммс сам разработал математический аппарат, который сделал возможными корректировки при решении сложных задач гидродинамики. Процесс разработки зависел от цифровых технологий, которые были недоступны предыдущим поколениям дизайнеров.



Грейтрекс дал мне один из роторов: это был предмет в форме монеты, несколько сантиметров в диаметре, сделанный из полированного титана золотого цвета. По его словам, команда сожалеет о том, что в окончательной производственной версии титан будет более практичным серым. Я его взвесил. С одной стороны в центре сгруппировались восемь металлических зубцов, похожих на Стоунхендж. С другой стороны, восемь изогнутых, продуваемых всем ветром треугольников обрамляли края, они были похожи на паруса или акульи плавники, совершавшие кругосветное плавание. Замысловатый узор из завитков заполнял середину диска следы механической обработки, похожие на морские волны.

Я думаю, если показать его группе людей, никто бы не понял, что это часть искусственного сердца, сказал Грейтрекс.

Я включил свет и сделал фото. Этот объект возвращал к памяти какие-то воспоминания он был красив. Он не выглядел биологическим, но и не казался полностью механическим. В нем была своеобразная изысканная особенность чего-то, что прошлой большой путь развития. В каком-то смысле так оно и было.



image

Вакансии
НПП ИТЭЛМА всегда рада молодым специалистам, выпускникам автомобильных, технических вузов, а также физико-математических факультетов любых других высших учебных заведений.

У вас будет возможность разрабатывать софт разного уровня, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные изделия, к созданию которых вы приложили руку.

В компании организован специальный испытательный центр, дающий возможность проводить исследования в области управления ДВС, в том числе и в составе автомобиля. Испытательная лаборатория включает моторные боксы, барабанные стенды, температурную и климатическую установки, вибрационный стенд, камеру соляного тумана, рентгеновскую установку и другое специализированное оборудование.

Если вам интересно попробовать свои силы в решении тех задач, которые у нас есть, пишите в личку.



О компании ИТЭЛМА
Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Список полезных публикаций на Хабре

Подробнее..
Категории: Научно-популярное , Гаджеты , Блог компании нпп итэлма , Итэлма , Здоровье , Носимая электроника , Разработка электроники

Генератор трафика Cisco TRex запускаем нагрузочное тестирование сетевых устройств

13.07.2020 10:06:40 | Автор: admin


При разработке очередного роутера мы тестировали производительность сети с помощью полезной open-source-штуки генератора трафика Cisco TRex. Что это за инструмент? Как им пользоваться? И чем он может пригодится инженерам-разработчикам? Под катом ответы на эти вопросы.

1. Что такое Cisco TRex


Это программный генератор трафика с открытым исходным кодом, работает на стандартных процессорах Intel на базе DPDK, поддерживает режимы с контролем состояния потока и без (stateful / stateless modes). Сравнительно простой и полностью масштабируемый.

Англоязычная документация для этого инструмента доступна на сайте https://trex-tgn.cisco.com/trex/doc

Trex позволяет генерировать разные типы трафика и анализировать данные при их получении. Поддерживается работа на уровне MAC и IP. Можно задавать размер пакетов и их количество, контролировать скорость передачи данных.

Работа с генератором организована в среде Linux.

Одно из важных отличий генератора Trex использование технологии DPDK, которая позволяет обойти узкие места в производительности сетевого стека Linux. DPDK или Data Plane Development Kit это целый набор библиотек и драйверов для быстрой обработки пакетов, который позволяет исключить сетевой стек Linux из процесса обработки пакетов и взаимодействовать с сетевым устройством напрямую.

DPDK превращает процессор общего назначения в сервер пересылки пакетов. Благодаря этой трансформации отпадает необходимость в дорогостоящих коммутаторах и маршрутизаторах. Однако DPDK накладывает ограничения на использование конкретных сетевых адаптеров, список поддерживаемого железа указан на http://core.dpdk.org/supported тут самая популярная платформа от Intel, т.е. обеспечена поддердка железа, которое работает с linux-драйверами e1000, ixgbe, i40e, ice, fm10k, ipn3ke, ifc, igc.

Также важно понимать, что для работы TRex-сервера на скоростях 10 Гбит/с необходим многоядерный процессор от 4 ядер и выше, желательно CPU семейства Intel c поддержкой одновременной многопоточности (hyper-threading).

2. Как получить и попробовать TRex


1) Загружаем архив с сервера trex-tgn.cisco.com:
https://trex-tgn.cisco.com/trex/release/

Распаковываем архив в домашней директории пользователя /home/user, где user имя пользователя.
[bash]>wget --no-cache https://trex-tgn.cisco.com/trex/release/latest[bash]>tar -xzvf latest

2) Настраиваем интерфейсы отправки и приема данных

Выполним настройку с помощью утилиты dpdk_setup_ports.py, которая идет в архиве с TRex. Конфигурировать сетевые интерфейсы, которые использует TRex, можно на уровне MAC или IP. Для старта необходимо запустить данную утилиту с ключом интерактивной настройки sudo ./dpdk_setup_ports.py i.

Первым шагом откажемся от конфигурации на MAC-уровне (Do you want to use MAC based config? (y/N) n).

Вторым шагом необходимо выбрать пару сетевых интерфейсов, с которыми будем работать, в нашем случае сетевая карта Intel X710 работает с 4 сетевыми интерфейсами, будем использовать 1-е и 4-е гнездо сетевой карты.



Третьим шагом система предложит автоматически создать замкнутую конфигурацию когда данные уходят с порта 1 и приходят в порт 2 (и обратно), все на одном ПК. Нам пришлось отказаться от данной схемы и настроить схему маршрутизации на 2 ПК.

Четвертым и пятым шагом даем согласие на сохранение конфигурации в файл /etc/trex_cfg.yaml.

Для примера рассмотрим конфигурацию на IP-уровне для следующей схемы подключения:



Файл конфигурации находится тут: /etc/trex_cfg.yaml. Простой конфигурационный файл показан ниже для сетевой карты с 2 портами и CPU, поддерживающем 8 потоков:

### Config file generated by dpdk_setup_ports.py ###- version: 2  interfaces: ['01:00.0', '01:00.3']  port_info:      - ip: 192.168.253.106        default_gw: 192.168.253.107      - ip: 192.168.254.106        default_gw: 192.168.254.107   platform:      master_thread_id: 0      latency_thread_id: 1      dual_if:    - socket: 0      threads: [2,3,4,5,6,7]


В конфигурации:
  • '01:00.0', '01:00.3' наименование Eth-интерфейсов в используемой системе Linux.
  • ip: 192.168.253.106 адрес порта ПК Server TRex, с которого генерируется трафик.
  • default_gw: 192.168.253.107 адрес 1 порта ПК DUT (Device under test).
  • ip: 192.168.254.106 адрес порта ПК Server TRex, с которого возвращается трафик после прохождения через правила QOS.
  • default_gw: 192.168.253.107 адрес 2 порта ПК DUT.

Внимание! Система TRex запрещает использование той же подсети при генерации потоков, что используются системой, для этого при генерации пакетов используются подсети 16.0.0.0 и 48.0.0.0.

3) Настраиваем интерфейсы на удаленной машине

Необходимо настроить пересылку (forwarding) и маршруты, чтобы система (DUT), через которую будем пропускать трафик, знала, откуда принимать и куда отправлять пакеты.

Настраиваем на ПК DUT правила маршрутизации потоков:
sudo echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forwardsudo route add -net 16.0.0.0 netmask 255.0.0.0 gw 192.168.253.106sudo route add -net 48.0.0.0 netmask 255.0.0.0 gw 192.168.254.106

4) Запускаем TRex-сервер в режиме astf:
cd v2.XXsudo ./t-rex-64 -i --astf

При успешном запуске TRex-сервера, увидим информацию о Ethernet-портах, занятых под тестирование:

The ports are bound/configured.port : 0 ------------link         :  link : Link Up - speed 10000 Mbps - full-duplexpromiscuous  : 0 port : 1 ------------link         :  link : Link Up - speed 10000 Mbps - full-duplexpromiscuous  : 0 number of ports         : 2 max cores for 2 ports   : 1 tx queues per port      : 3

5) Запускаем консоль TRex

С помощью консоли в отдельном окне запускаем генерацию потока из готовых примеров (папка с примерами astf есть в архиве к TRex):

cd v2.XX./trex-consolestart -f astf/http_simple.py -m 1 start (options):-a (all ports)-port 1 2 3 (ports 1 2 3)-d duration (-d 100 -d 10m -d 1h)-m stream strength (-m 1 -m 1gb -m 40%)-f load from disk the streams file

При успешном запуске увидим статистику по прохождению трафика в консоли TRex-сервера:
Global stats enabledCpu Utilization : 0.3  %  0.6 Gb/core Platform_factor : 1.0  Total-Tx        :     759.81 Kbps  Total-Rx        :     759.81 Kbps  Total-PPS       :      82.81  pps  Total-CPS       :       2.69  cps   Expected-PPS    :       0.00  pps  Expected-CPS    :       0.00  cps  Expected-L7-BPS :       0.00  bps   Active-flows    :        2  Clients :        0   Socket-util : 0.0000 %    Open-flows      :      641


3. Автоматизация разработки и тестирования с помощью TRex


В процессе разработки сетевого роутера мы написали много тестов для TRex, соответственно встал вопрос по их прогону в автоматическом режиме с помощью python. Как мы это организовали:

Запустили TRex-сервер в режиме stl:
cd v2.XXsudo ./t-rex-64 -i --stl

Задали переменную окружения для python, так как TRex работает в связке с python.
export PYTHONPATH=/home/!!!user!!!/v2.XX/automation/trex_control_plane/interactive,
где, !!!user!!! имя пользователя и домашняя директория, v2.XX версия ПО TRex, загруженная и распакованная в данную папку.

Запустили генератор трафика с помощью python, листинг примера конфигурации приведен ниже.

python example_test_2bidirectstream.py

Ожидаемый результат:

Transmit: 10000.24576MByte/s Receive: 10000.272384MByte/sStream 1 TX: 4487179200 Bit/s RX: 4487179200 Bit/sStream 2 TX: 2492873600 Bit/s RX: 2492873600 Bit/sStream 3 TX: 1994294400 Bit/s RX: 1994294400 Bit/sStream 4 TX: 997147200 Bit/s RX: 997147200 Bit/s


Разберем данный пример:
c = STLClient(server = '127.0.0.1')

Создаем подключение к TRex-серверу, в данном случае подключение создается к той же машине, где и сервер.

  • base_pkt_dir_a, base_pkt_dir_b, base_pkt_dir_c, base_pkt_dir_d шаблоны пакетов, в которых указаны адреса источника и получателя, и порты источника и получателя. В данном примере создается 4 потока, 2 в одну сторону и 2 в обратную.
  • s1, s2, s3, s4 у класса STLStream запрашиваем параметры генерируемого потока, такие как ID потока и bitrate, в нашем случае ID1=4.5 Гбит/с, ID2=2.5 Гбит/с, ID3=2 Гбит/с, ID4=1 Гбит/с.


Листинг файла конфигурации потоков example_test_2bidirectstream.py
# get TRex APIsfrom trex_stl_lib.api import * c = STLClient(server = '127.0.0.1')c.connect() try:    # create a base packet with scapy    base_pkt_dir_a = Ether()/IP(src="16.0.0.1",dst="48.0.0.1")/UDP(dport=5001,sport=50001)    base_pkt_dir_b = Ether()/IP(src="48.0.0.1",dst="16.0.0.1")/UDP(dport=50001,sport=5001)     base_pkt_dir_c = Ether()/IP(src="16.0.0.2",dst="48.0.0.2")/UDP(dport=5002,sport=50002)    base_pkt_dir_d = Ether()/IP(src="48.0.0.2",dst="16.0.0.2")/UDP(dport=50002,sport=5002)     # pps : float    # Packets per second    #    # bps_L1 : float    # Bits per second L1 (with IPG)    #    # bps_L2 : float    # Bits per second L2 (Ethernet-FCS)    packet_size = 1400     def pad(base_pkt):        pad = (packet_size - len(base_pkt)) * 'x'        return pad     s1 = STLStream(packet=STLPktBuilder(base_pkt_dir_a/pad(base_pkt_dir_a)), mode=STLTXCont(bps_L2=4500000000), flow_stats=STLFlowStats(pg_id=1))    s2 = STLStream(packet=STLPktBuilder(base_pkt_dir_b/pad(base_pkt_dir_b)), mode=STLTXCont(bps_L2=2500000000), flow_stats=STLFlowStats(pg_id=2))    s3 = STLStream(packet=STLPktBuilder(base_pkt_dir_c/pad(base_pkt_dir_c)), mode=STLTXCont(bps_L2=2000000000), flow_stats=STLFlowStats(pg_id=3))    s4 = STLStream(packet=STLPktBuilder(base_pkt_dir_d/pad(base_pkt_dir_d)), mode=STLTXCont(bps_L2=1000000000), flow_stats=STLFlowStats(pg_id=4))     my_ports = [0, 1]     c.reset(ports = [my_ports[0], my_ports[1]])     # add the streams    c.add_streams(s1, ports = my_ports[0])    c.add_streams(s2, ports = my_ports[1])    c.add_streams(s3, ports = my_ports[0])    c.add_streams(s4, ports = my_ports[1])     # start traffic with limit of 10 seconds (otherwise it will continue forever)    # bi direction    testduration = 10    c.start(ports=[my_ports[0], my_ports[1]], duration=testduration)    # hold until traffic ends    c.wait_on_traffic()     # check out the stats    stats = c.get_stats()     # get global stats    totalstats = stats['global']    totaltx = round(totalstats.get('tx_bps'))    totalrx = round(totalstats.get('rx_bps'))    print('Transmit: {}MByte/s Receive: {}MByte/s'.format((totaltx / 1000000), (totalrx / 1000000)))    c.clear_stats(ports = [my_ports[0], my_ports[1]])     # get flow stats    totalstats = stats['flow_stats']    stream1 = totalstats[1]     stream2 = totalstats[2]    stream3 = totalstats[3]    stream4 = totalstats[4]    totaltx_1 = stream1.get('tx_pkts')    totalrx_1 = stream1.get('rx_pkts')    print('Stream 1 TX: {} Bit/s RX: {} Bit/s'.format((totaltx_1['total'] / testduration * packet_size * 8),                                                               (totalrx_1['total'] / testduration * packet_size * 8)))    totaltx_2 = stream2.get('tx_pkts')    totalrx_2 = stream2.get('rx_pkts')    print('Stream 2 TX: {} Bit/s RX: {} Bit/s'.format((totaltx_2['total'] / testduration * packet_size * 8),                                                               (totalrx_2['total'] / testduration * packet_size * 8)))    totaltx_3 = stream3.get('tx_pkts')    totalrx_3 = stream3.get('rx_pkts')    print('Stream 3 TX: {} Bit/s RX: {} Bit/s'.format((totaltx_3['total'] / testduration * packet_size * 8),                                                               (totalrx_3['total'] / testduration * packet_size * 8)))    totaltx_4 = stream4.get('tx_pkts')    totalrx_4 = stream4.get('rx_pkts')    print('Stream 4 TX: {} Bit/s RX: {} Bit/s'.format((totaltx_4['total'] / testduration * packet_size * 8),                                                               (totalrx_4['total'] / testduration * packet_size * 8)))except STLError as e:    print(e) finally:    c.disconnect()


Заключение


При подготовке этого руководства для Хабра мы запустили и проверили работу системы DUT с 4 потоками, собрали информацию по потокам и глобальную статистику.

Описанная выше операция запускается с помощью python, значит с помощью TRex можно автоматизировать тестирование и отладку сетевых устройств и программных продуктов в цикле или при последовательном запуске тестов на python.

Так чем же TRex компании Cisco лучше или хуже других аналогичных генераторов трафика? Например, популярной клиент-серверной программы iperf? В сценарии использования TRex мы видим описание настройки и работы с потоками. Оба средства тестирования и отладки хороши: iperf для быстрой проверки функциональности на ходу, а TRex отлично справляется с автоматизацией тестирования и разработки сложных сетевых устройств и систем, где важна возможность настройки многопоточных стримов, чтобы каждый поток конфигурировать под конкретную задачу и анализировать результаты на выходе.

TRex позволяет создавать шаблоны практически любого вида трафика и усиливать их для генерации крупномасштабных DDoS-атак, в том числе TCP-SYN, UDP и ICMP-потоков. Возможность генерации массивных потоков трафика позволяет моделировать атаки от различных клиентов на множество целевых серверов.

Так что если вы еще не пробовали этот инструмент можно взять на заметку. А если пробовали поделитесь своими примерами и отзывами в комментариях. Интересно узнать, что о TRex думают и как используют коллеги-инженеры.
Подробнее..
Категории: Linux , Высокая производительность , Тестирование it-систем , Производство и разработка электроники , Intel , Сетевые технологии , Сетевое оборудование , Разработка под linux , Нагрузочное тестирование , Cisco , Разработка сетевой инфраструктуры , Trex , Promwad , Разработка электроники , Iperf , Dpdk

Стоит ли инженерной команде с продуктовыми амбициями заниматься аутсорсингом?

25.02.2021 12:15:55 | Автор: admin
Делегируйте и доверяйте инженерам, не мешайте им творить!Делегируйте и доверяйте инженерам, не мешайте им творить!

Если бы я основатель дизайн-центра электроники Promwad начинал свой бизнес сейчас, то не выбрал бы аутсорсинговую бизнес-модель. Это не значит, что всем командам с продуктовыми амбициями нужно обходить ее стороной. Временная работа в таком формате может стать отличным инструментом для достижения своих целей. Важно только действовать осознанно и понимать, как это работает.

Когда я только начинал работать в отрасли электроники в начале 2000-х и мечтал создавать серийные устройства на острие технологий, то мог рассчитывать только на собственные ресурсы. Не было доступа к западным рынкам свободного капитала, менторов, хабов и акселераторов всего того, что сейчас формирует hardware-экосистему, да и доступ в интернет в те времена только недавно заработал без Dial-Up :-).

Самым логичным выходом из ситуации для меня было такое решение: разрабатывать и производить устройства на заказ, работая с клиентами, у которых был бюджет и конкретные требования к решению для целевого рынка. Так мои амбиции по созданию собственного продукта трансформировались в работу по сервисной модели вместе с инженерной командой Promwad. Хотя на самом старте мы создали аппаратную платформу на базе новейшего процессора по тем временам, но все равно это не было полноценным продуктом. Где-то в далеком видении я отмечал про себя, что когда мы научимся круто разрабатывать, а затем производить серийную электронику, можно будет использовать эти навыки для трансформации в продуктовую бизнес-модель. Но это оказалось не совсем так

Теперь, оглядываясь назад, я вижу весь наш маршрут и понимаю, на каком этапе можно было свернуть к своей исходной цели. Хочу поделиться этими выводами с теми, кто и сегодня сталкиваются с такими же препятствиями отсутствием стартовых инвестиций, команды, четкого понимания рынка и бизнес-навыков, но при этом горит желанием делать собственный продукт.

Конечно, есть бизнесмены, которые осознанно запускают аутсорсинговые компании: они с самого начала мыслят категориями роста и операционной эффективности, относительно быстро преодолевают планку в 200500 сотрудников и выходят на новые рынки. В этом состоит их цель и самореализация. Но есть и те, кого просто занесло в эту гавань в силу обстоятельств: обычно такие компании работают в составе 50200 сотрудников с несколькими миллионами оборота и годами остаются на этом плато.

На менторских сессиях я вижу, как молодые инженерные команды, которые искренне любят свое дело и хотят работать над собственным продуктом, вынуждены зарабатывать на работе по контракту. Они сомневаются, стоит ли им браться за заказные разработки, не станет ли это отказом от мечты. Но надо сделать свой выбор!

Этапы развития сервисной модели и точки для разворота

Если с самого начала рассматривать сервисную модель как стартовую точку своего бизнеса для получения первых денег, опыта в продажах, поиска идеи/рынка и возможности сработаться с командой, то можно смело становиться на эту ступеньку, удерживать в сознании первоначальную цель по созданию продукта и вовремя свернуть.

Так когда надо сворачивать?!

Первый этап, первые контракты на заказную разработку позволят получить базовые бизнес-навыки. В команде до 1020 человек можно обходиться ролями, не обязательно вводить должности и функции. Под ролью я подразумеваю общее направление работы, которое интересует человека и в котором он проявляет себя лучше других. Обычно складываются такие роли:

  • Предпринимательская: главный по продажам, главный конструктор/инженер/архитектор.

  • Административная роль: главный по проектам, главный по операционной работе.

  • Производственная (речь идет про производство сервисов в этом случае) роль: главный инженер и все инженеры-разработчики с конкретными специализациями, которые вносят в дело результат в виде готовой конструкторской документации и кода.

  • Интеграционная роль: главный менеджер проектов, который в растяжке бюджет/срок/требования добивается от команды результатов через интеграцию клиента и команды разработчиков.

То, что я имею в виду под ролями, очень похоже на то, о чем пишет в своих работах Ицхак Адизес. Вот его код PAEI: P производитель результатов, A администратор, E предприниматель, I интегратор.

Второй этап, по мере роста, условно с 20 до 50 сотрудников, в бизнес-модели аутсорсинга в команде появятся должности со своими четкими функциями генеральный директор, технический директор, менеджеры проектов, инженеры по специализациям и так далее. У ключевых людей в команде останутся роли, о которых я упомянул в описании первого этапа, но функции станут над ними превалировать. Если вы стали распределять функции значит вы дошли до той точки маршрута, после которой начинается системное строительство аутсорсинговой компании. Начнут формироваться бизнес-процессы.

На этом этапе гораздо сложнее повернуть к продуктовой модели, но все еще возможно.

На третьем этапе, когда команда растет выше условной планки 5060 сотрудников, роль жестких бизнес-процессов становится превалирующей, появляются функциональные отделы маркетинга и продаж, финансов, HR и др., они начинают обслуживать выстроенную вами именно аутсорсинговую бизнес-модель, а не какую-то иную.

На этом этапе свернуть обратно к продуктовой модели будет почти нереально без трансформации всего бизнеса.

Что делать?

В случае когда пройден третий этап, вместо разворота разумнее сохранить компанию в неизменном формате и сделать следующее:

  1. Передать управление и предпринимательскую роль кому-то из своих партнеров внутри и позволить им свободно принимать ключевые решения вместо вас.

  2. Очертить свою новую роль в компании. Например: я остаюсь в качестве владельца и обозначаю стратегический вектор развития компании.

  3. Переключиться на продуктовую модель в рамках новой компании, опираясь на весь свой накопленный опыт и хватать за хвост новые идеи. :-)

Но все равно вам придется начать этот бизнес с нуля, потому что придется собирать новую команду и преодолевать возникающие барьеры заново. Но дорогу осилит идущий!

Выводы: триггеры на пути к мечте и что дает аутсорсинг

Вернемся к тем, кто только стартовал, и для создания своего первого капитала и приобретения бизнес-опыта вступил на путь сервисной бизнес-модели. Итак, если вы только начинаете и готовы преодолевать препятствия на пути к своей продуктовой цели, то вполне можно посвятить 1-2-3 года работе по сервисной модели, но помнить о риске застрять в этой модели надолго и обращать внимание на важные триггеры, которые подскажут, что пора поворачивать к своей мечте:

  1. Собралась крепкая команда профессионалов из 1020 сотрудников с высоким уровнем доверия друг к другу. Соответственно, дальнейший рост в текущей бизнес-модели будет только усложнять разворот к продуктовой модели.

  2. Роли стали трансформироваться в функции и должности в компании это знак того, что нужно переключаться на продуктовую модель либо целенаправленно сохранять аутсорсинговую компанию.

  3. Третий триггер, наверное, самый главный удовольствие от своего дела. Если нет драйва и вы не видите смысла в росте и масштабировании, то есть риск остаться в нише середняков в аутсорсинговой модели в будущем.

А тем основателям и владельцам, у кого аутсорсинговая компания надолго застряла на плато в 50200 человек, пора задуматься: Своим ли делом вы занимаетесь?

Как видите, аутсорсинг это тоже по-своему отличная бизнес-модель. Кому-то она позволяет самореализоваться, построить глобальные компании с сотнями, тысячами и даже десятками тысяч сотрудников, достичь успехов в бизнесе. А для команд, которые мечтают о создании собственного продукта, на первом этапе она позволяет:

  • получить нужные компетенции, первый бизнес-опыт и знания об отрасли;

  • собрать и сработаться с командой;

  • развить свой нетворк сеть бизнес-контактов.

Выбор как всегда за нами! А вы в какой лиге сейчас? Давайте вместе решим, что делать дальше!

Подробнее..
Категории: Развитие стартапа , Производство и разработка электроники , Карьера в it-индустрии , Стартап , Венчурные инвестиции , Электроника , Бизнес-модели , Аутсорсинг , Promwad , Разработка электроники , Производство электроники , Заказная разработка , Трудности выбора , Создание продукта , Запуск бизнеса

Recovery mode Исследование рынка разработки электроники за 2019 год

19.08.2020 06:21:20 | Автор: admin

2019 Embedded Markets Study by EETimes and Embedded

image

Исследование 2019 Embedded Markets Study, проведённое ресурсами EETimes и Embedded, показывает текущее состояние и тенденции в области разработки и применения электроники. В нем отражены актуальные технологии, программное обеспечение и инструменты разработки; используемые решения, компоненты, ПЛИС и операционные системы; затронуты организационные моменты. В онлайн-опросе приняло участие порядка тысячи респондентов из разных стран мира.

Данный материал содержит 30 (из 99) слайдов и является сжатой версией.

Ссылка на полную версию приведена в конце статьи.

Предисловие:

Под электроникой в статье понимается embedded systems т.е. электронные приборы и устройства, которые включают в себя вычислительный модуль (микроконтроллер, микропроцессор и т.д.) и работают как отдельно (к примеру, фитнес трекер) так и в составе более сложных устройств.

Так же часто встречается разбивка по регионам:
The Americas Северная и Южная Америка.
APAC Азиатско-тихоокеанский регион.
EMEA Европа, средний Восток и Африка.

Далее я буду приводить оригинальный слайды из презентации, так как перевод в большинстве своём смысла не имеет и даже может исказить информацию, но с переводом заголовка и некоторыми комментариями.

I. Общая информация, IoT, тренды, безопасность



В какой области применения находятся ваши текущие разработки?

image

Топ-3: промышленная автоматизация, потребительская электроника, интернет вещей. Европа больше работает в сфере промышленности, Азия в сфере потребительской электроники, что не удивительно.

В какой области находятся ваши IoT разработки?

image

Примерно 40% респондентов занимаются разработкой IoT. Наиболее интересные и перспективные направления по мнению опрошенных:
автоматический контроль движения;
дополненная и виртуальная реальность;
умные/автоматизированные дома, автомобили;
определение положения для предоставления уникального контента;
распределённые системы диагностики и контроля, датчики состояния;
удалённая медицинская диагностика.

График интереса к новым технологиям за 2018 год

image

2018: Машинное обучение и интернет вещей все ещё на пике хайпа, дополненная реальность на пути в массовое применение, виртуальная реальность уже привычная технология. Отсутствует Wi-Fi 6, но можно предположить что через пару лет новый стандарт прочно войдёт в нашу жизнь, как и много интересных вещей на его основе. В pdf можно найти аналогичный график за 2015 год.

Какие из перечисленных современных технологий вы используете в своих разработках?

image

20% от опрошенных разработчиков/компаний используют одну или несколько передовых технологий в своих разработках и 15% собираются использовать машинное обучение в будущих проектах.
Расшифровка
Embedded vision если раньше для компьютерного зрения требовались дорогие и большие камеры и компьютеры, то сейчас все это умещается на небольшие платы низкой стоимости и небольшим потреблением энергии и при этом обладающие достаточной производительности. Что существенно увеличивает области их применения.
Embedded speech распознавание речи, аналогично зрению.
Machine learning model-based capabilities судя по недавней презентации подобной технологии от ST, работает это примерно так: собираются данные -> обрабатываются -> обучается модель -> модель конвертируется в код -> код заливается в микроконтроллер -> профит, Artificial Neural Network in your STM32F* project!
Virtual reality виртуальная реальность. Это когда очки надел и видишь только компьютерную графику.
Augmented Reality дополненная реальность. Это как маски в инстаграме на реальные объекты накладываются виртуальные образы, только с полезной информацией. Открыл капот, навёл камеру на мотор, а он тебе стрелочкой показал какую пробку открутить и залить масло или как поменять воздушный фильтр.


Какие меры безопасности реализованны в ваших разработках?

image

Хороший тренд на повышение защищенности устройств. Надеюсь скоро избавимся от стереотипа, что электронщики мало обращают внимание на безопасность. Так что не забывайте лочить прошивку и отключать интимные интерфейсы при релизе.

II. Текущие разработки


Какие возможности из перечисленных ниже включены в вашу текущую разработку?

image
Аналитика: две трети разработок питаются от сети и три четверти не имеют пользовательского интерфейса.

Если ваше устройство обладает беспроводным интерфейсом, то это:

image
40% проектов использую беспроводные интерфейсы (379 из 958 респондентов). Четверть всех разработок используют Wi-Fi и/или BlueTooth/BLE.

Какое количество инженерных позиций в вашей команде? Как распределяются ресурсы между разработкой софта и железа?


imageimage
Наверное так выглядит эталонная команда.

Использовали ли отладочную плату на начальном этапе разработки текущего проекта?

image

Хочется отметить присутствие Arduino на 6-ом месте. В вопросе про форм-фактор плат для прототипирования Arduino на 3ем месте.

Как долго вы разрабатывали свой последний проект?

image

Среднее время разработки 12,2 месяцев. Причём в Азии разработают на 2,5 месяца быстрее, чем в Америке.

Мой текущий проект написан преимущественно на


image

Новые языки программирования ещё не скоро займут хоть какую-то значительную часть в разработке железа. С/С++ уверенно занимают 80%. Про Rust упоминаний нет, может появится в 2021.

III. Процесс разработки


Какие задачи в процессе разработки доставляют вам наибольшее количество головной боли?

image

Никто не любит митинги и встречи.

Как распределяется время по этапам разработки?

image

План-график здорового человека. Если взять среднее время в 12 месяцев из прошлого слайда, то выходит:
Постановка задачи и разработка ТЗ 1,5 месяца.
Сборка прототипа (Proof-of-Concept) 1,3 месяца.
Непосредственно разработка устройства 4 месяца.
Тестирование и отладка 2 месяца.
Изготовление предсерийных образцов 1 месяц.
Передача на производство 1 месяц.

Какие навыки\инструменты\компоненты разработки вы бы хотели улучшить?

image

Судя по ответам с железом всё в порядке. А вот люди и инструменты отладки являются слабым звеном.

Какие из перечисленных инструментов самые необходимые для вас?

image
Без осциллографа и дебаггера никуда. И я бы добавил программатор, это тоже инструмент. И вот без него совсем никуда.

Каким способом вы повышаете свой профессиональный уровень?


image
Ученье свет. Ходите на семинары и выставки. Кто постоянно не обучается, тот движется назад.

IV. Операционные системы


Используете ли вы OS в своем текущем проекте?

image
2/3 разработок содержат операционную систему. Из них:
40% открытые ОС;
25% коммерческие ОС;
20% самописные ОС;
15% открытые ОС с платной поддержкой/распространением.

Какой самый важный фактор при выборе ОС ?

image
Топ-3 вопросы поддержки и совместимости операционных систем, что указывает на то, что процесс внедрения и использование операционной системы в embedded задача часто непростая.

Перечислите ОС которые вы используете в данный момент.

image
Можно дать совет: изучайте FreeRTOS и Linux.

V. Микроконтроллеры и Процессоры


Кто вносит наибольшее влияние в процесс выбора платформы?

image
Если в Америках решают инженеры, то в Европах и Азиях наибольшее влияние оказывают МЕНЕДЖЕР.

Мой основной процессор является:

image
8-ми и 16-ти битные мк давно заняли свои ниши и останутся там надого. 32-битная архитектура сдаёт свои позиции, в том числе, за счёт развития и снижения стоимости SoC (СкН систем на кристале) с 64-битными процессорами на борту. К примеру, в iPhone 5 устанавливался 32-х SoC Apple A6, а в iPhone 5s уже 64-х битный А7.

Частота работы:

image
Медленно но верно средняя частота растёт.

Наиболее важные факторы при выборе процессора:

image
Даже быстрые и дешёвые микроконтроллеры будут покупать неохотно, если отсутствуют комфортные и доступные инструменты разработки.

С какими производителями процессоров/контроллеров вы знакомы:

image
Надо бы зайти на сайт TI и узнать их поближе.

Какой 32-х битный чип вы будете использовать в следующем проекте?

image
BluePill отладочная плата с STM32 на борту за 100р., явно существенно увеличили применяемость данного семейства.

VI. ПЛИС


Ваш текущий проект содержит ПЛИС?

image

Чипы каких производителей вы используете в текущем проекте?

image
Причины, по которым не используют ПЛИС: не нужно, дорого, потребляет много энергии, сложно.

VII. Прочее


Какие системы контроля версий вы используете

image
Не удивительно.

Надеюсь, данная информация была как минимум любопытна и пролила свет на такую интересную и, безусловно, очень важную отрасль, как производство электроники.

Ссылка на статью об исследовании и сам pdf.
Подробнее..
Категории: Производство и разработка электроники , Fpga , Stm32 , Исследования и прогнозы в it , Электроника для начинающих , Разработка электроники , Исследование рынка

Гибрид компьютера и IP-телефона. Анатомия аппаратной платформы GM-Box. Часть 1 прототипирование

08.10.2020 18:22:32 | Автор: admin

Привет, сегодня я начну рассказывать историю разработки аппаратной платформы для создания умных рабочих мест Smart Workspace от зарождения идеи до запуска в серийное производство нашей командой Гетмобит.

Меня зовут Алексей Дударев, в проекте я отвечаю за железо (от разработки до производства). В нашей команде с самого начала я выступал в роли схемотехника, и даже сейчас иногда прыгаю в окоп и беру в одну руку паяльник, а в другую - щуп осциллографа.

Наш продукт это программно-аппаратный комплекс (ПАК), его центральная часть гибридная док-станция GM-Box G1. Это устройство нового поколения все в одном (all-in-one) объединяет в себе: тонкий клиент, IP-телефон, безопасную авторизацию с использованием смартфона, считыватель бесконтактных карт, набор основных модулей беспроводной связи и даже несколько видов зарядки для смартфона.

В серии статей вас ждет описание кейсов промышленного дизайна и прототипирования, разработки электроники и пластиковых корпусов, испытаний и запуска собственного производства в России. Будет много фоток рабочего процесса и откровений инженера, который принял в этом активное участие (т.е. меня). Поехали!

Продукт

Концепция GM-Box претерпела много трансформаций, прежде чем обрести свою физическую аппаратно-программную оболочку. Зачастую обычное офисное рабочее место со стационарным компьютером выглядит громоздко, неудобно и не мобильно: ящик системного блока, периферия, множество кабелей. А еще куча разного софта и лицензий, которые нужно устанавливать, настраивать, и без которых нельзя нормально работать. Вот это все мы собрали в единое устройство все в одном (all-in-one), и получилось не просто устройство, а целая программно-аппаратная платформа, позволяющая перекомпилировать офисное рабочее место в более удобное и отвечающее современным реалиям. Важной частью концепции продукта является смартфон. Его сервисы могут использоваться для совместной работы с Gm-Box. Например, для аутентификации пользователя при подключении к удаленному рабочему столу.

Итого, в серийное производство вышла универсальная док-станция GM-Box G1 - гибрид mini PC и IP телефона в форм-факторе настольного телефона для работы с удаленным рабочим столом (VDI, RDP). А еще устройство нашпиговано интерфейсами, популярными среди пользователей гаджетов и ПК: Wi-Fi, Bluetooth, LTE, Qi, RFID, NFC.

Живое фото GM-Box G1 (это не рендер) Живое фото GM-Box G1 (это не рендер)Суть GM-Box одной картинкойСуть GM-Box одной картинкой

Методология разработки

Многие в нашей команде раньше уже сталкивались с разработкой сложной электроники и софта, так что имели представление об организации и управлении процессом создания подобного продукта. Визуализация этапов работы над проектом в нашей компании выглядела так:

Этапы создания продуктаЭтапы создания продукта

Конечно, у нас была и доля естественной для стартапа энтропии, с которой мы боролись каждый день. Из особенностей нашего подхода к работе я бы выделил:

  • создание на каждом этапе разработки продукта задела для следующих шагов;

  • формализация требований (технического задания, спецификации);

  • много визуализации (скетчи, фото, 3D модели).

Нам это очень помогло, потому что цена изменений\исправлений в железе вот такая, как на схеме (только в жизни еще дороже, потому что расплачиваться приходится еще и временем с нервами):

Цена измененийЦена изменений

Наши ключевые инструменты для управления работой и ее артефактами:

  • Confluence в качестве базы знаний, механизма отчетов и хранилища истории;

  • JIRA трекер задач для Scrum команды;

  • GitLab храним все исходники;

  • MinIO специализированный репозиторий для бинарников (дистрибутивов);

  • И много-много личного и виртуального общения.

На этапе исследования проблемы и даже раннего прототипирования мы представляли собой команду энтузиастов, создающих продукт в свободное от работы время. Но мы были очень воодушевлены идеей нашего продукта, так что запала вполне хватало.

Проверка гипотезы, разработка прототипов

Путь от идеи к продукту начался с проверки гипотезы, что пользователю действительно необходимо устройство в концепции all-in-one (все в одном), что он готов перейти к работе с виртуальным рабочим столом и может (и хочет) использовать свой смартфон как часть офисного рабочего места. Попутно мы должны были оценить техническую возможность воплотить нашу идею в жизнь. Для этого позарез нужно было что-то для демонстрации продукта и технологий. И это что-то - прототипы. Всего на этапе проверки концепции мы разработали и изготовили 5 версий прототипов, которые мы называли Демонстрационными Образцами (ДО). Вот так выглядел один из скетчей:

Скетч прототипа в черновикеСкетч прототипа в черновике

В процессе подготовки к проверке гипотезы мы определились с обязательными компонентами нашего изделия. Некоторые компоненты отмечены на скетче:

  1. корпус док-станции;

  2. полка парковки с расположением интерфейса взаимодействия\подключения;

  3. зоны расположения клавиатуры;

  4. зоны расположения клавиатуры;

  5. парковка смартфона;

  6. и 6а - телефония;

  7. кабельное подключение смартфона к док-станции;

  8. интерфейсы для подключения периферийных устройств к док-станции.

Остальные компоненты:

  • вычислитель + ПО;

  • подключение к монитору;

  • дополнительные средства телефонии.

Прототип - ДО1

Когда мы, наконец-то, приступили к инженерной работе по созданию первого демонстрационного образца, бумажные скетчи мы трансформировали в 3D модель с учетом технологии литья пластика.

Прототип ДО1Прототип ДО13D blow up модель3D blow up модель

Электронику реализовали на одноплатном ПК на базе процессора ARM1176JZ-F. Взяли этот ПК, чтобы начать с чего-то легкодоступного в ближайшем магазине.

Raspberry Pi 1 Model ARaspberry Pi 1 Model A

Кнопки и прочую периферию подключили к гребенке портов расширения. Корпус распечатали на 3D принтере, немного доработали и покрасили. Именно такой функционал, да еще под технологию прототипирования, нам разрабатывать до этого случая не доводилось, поэтому местами приходилось изобретать велосипед, и результат не сразу получился таким, как надо. Вот к чему сводились основные замечания к прототипу:

  • недостаточная производительность вычислительной системы для работы в web-режиме;

  • неудобный интерфейс установки\подключения смартфона;

  • низкое качество акустики телефонии;

  • работа только в режиме гарнитуры для смартфона;

  • неудобная для сборки конструкция корпуса;

  • низкое качество корпуса и кнопок (3D принтер).

Прототип ДО2\3

Образец ДО2\3Образец ДО2\3

Опыт, полученный при разработке ДО1, мы усвоили и сделали достаточно подробное внутреннее ТЗ, переработали конструкцию и изготовили новые образы по технологии литья в силикон. Конечно, это дороже чем 3D печать, но и внешний вид совсем другой. Уже можно было выносить нас свет божий, чтобы показывать инвесторам и клиентам. После печати пластик покрасили, на прозрачные кнопки нанесли пиктограммы методом УФ-печати, чтобы не истирались. Электронику реализовали на базе одноплатного ПК Odroid-XU4, потому что это был оптимальный выбор из существующих на тот момент на рынке считалок.

Внутреннее устройство ДО2\3Внутреннее устройство ДО2\3

Модификация ДО3 по сравнению с ДО2 устроена была почти так же, за исключением установки некоторых периферий модулей: Qi, NFC, громкая связь. Основные замечания к этой версии:

  • невозможность реализовать в продукте поддержку VDI из-за отсутствия в публичном доступе клиента под ARM CPU;

  • отсутствие свободных драйверов не позволяло нам декодировать поток на GPU;

  • нестабильная работа USB Hub на плате расширения;

  • низкое качество акустики, реализованной на плате расширения;

  • низкое качество акустики телефонии;

  • плохая работа клавиатуры.

Прототип ДО4

Образец ДО4Образец ДО4

К этому этапу мы прокачались до разработчиков, что называется, 80-го уровня, и правильные решения нам уже снились. Архитектурно мы сделали резкий поворот в сторону x86 платформы и это было одним из важнейших решений в продукте. О претензиях к ARM я упомянул выше. Немного повторю и добавлю причины перехода на x86:

  • большое разнообразие VDI клиентов под платформу x86;

  • наличие свободных драйверов под GPU;

  • большое разнообразие качественной периферии + бинарные драйвера x86;

  • легкий доступ к телу вендора процессора (Intel);

  • большое разнообразие софта под x86.

Мы применили Wintel-CXW8-Pro на базе Intel Atom x5-Z8300 Cherry Trail, потому что:

  • производительность, как минимум, не хуже, чем у проверенного нами Odroid-XU4;

  • все необходимые интерфейсы для наших прототипов в наличии;

  • наличие на рынке готовых устройств mini PC в качестве доноров системной платы;

  • низкая стоимость.

Системная плата Wintel-CXW8-ProСистемная плата Wintel-CXW8-Pro

Для проверки релевантности такого решения, еще на этапе ДО2\3, мы собрали один опытный образец и протестировали совместно с одним из потенциальных заказчиков.

У нас возникла идея продемонстрировать реальным пользователям нашу технологию в деле. И тут появилась уникальная возможность реализовать пилотный проект на выборах в Ярославле. Счетчик времени запустился. Предстояла проверка нашей гипотезы о замене обычного ПК на GM-BOX в реальной жизни. Сборка 40 устройств представлялась нам непростой задачей, и вот почему:

  • конструкция корпуса требовала доработки;

  • некоторые электронные узлы еще не были разработаны;

  • несерийное устройство без конструкторской и технологической документации;

  • Firmware не разработано;

  • не обкатанный сборочный процесс, отсутствие нормировки времени сборки;

  • дата готовности, которую нельзя сдвинуть;

  • отсутствие собственного, хотя бы, опытного производства;

  • другие, параллельные задачи по разработке серийной версии GM-Box.

Сложность задачи только подстегнула наш интерес, так что мы начали готовиться к пилоту с использованием ДО4. Внутренняя начинка устройства была устроена так, как на схеме:

Power-Hub Board, схема структурнаяPower-Hub Board, схема структурная

Периферию рисовали в САПР AltiumDesigner и развели на 4-х слоях. На проект электроники в САПР ушло 10 дней. Все компоненты платы создавали в 3D, чтобы гарантированно состыковаться с корпусом. Платы сделали на Резоните, остальные компоненты закупили в РФ. Сложную плату Power-Hub Board собрали на срочном контрактном производстве. Ценник получился ~8000 руб. за плату с учетом количества 40 штук, срочности и монтажа на автоматической линии SMT\THT на партию.

Power-Hub Board 3D модель (Altium Designer)Power-Hub Board 3D модель (Altium Designer)Рабочие образцы Power-Hub Board и Button BoardРабочие образцы Power-Hub Board и Button Board

И вот началась сборка. На фронт призвали почти всех сотрудников от офис-менеджера до технического директора.

Полуфабрикаты ДО4Полуфабрикаты ДО4Опытная партия ДО4Опытная партия ДО4

Пилот на выборах в Ярославле прошел на ура. Развернули 30 рабочих мест, и бинго (!) - не было ни единого сбоя.

Рабочее место члена избирательной комиссии, оборудованное GM-BOXРабочее место члена избирательной комиссии, оборудованное GM-BOX

Прототип ДО5 по кличке горбатый

Образец ДО5 по кличке ГорбатыйОбразец ДО5 по кличке Горбатый

Целью создания ДО5 была проверка гипотезы, что GM-Box c двумя платами и встроенным KVM может заменить два отдельных компьютера на рабочем месте пользователей, работающих одновременно в открытом, публичном и закрытом сегментах локальной сети. Мы сделали несколько демонстраций и пилотов, подтвердили верность нашей гипотезы и добавили этот функционал в список требований к серийной версии.

На фотографии виден горб, в котором спрятана вторая плата Wintel и потроха обычного KVM, купленного в ближайшем компьютерном магазине. Горб распечатали на домашнем 3D принтере. Все остальное хэнд мэйд в количестве двух образцов.

Анатомия ДО5Анатомия ДО5

Заключение

Проверка продуктовых гипотез, сборка и тестирование прототипов, обкатка ключевых технических решений на реальных пользователях важный этап создания продукта, который действительно востребован рынком. Полученные на этом этапе знания, опыт примененных, новых для нас технологий стали фундаментом для разработки, сэкономили время и ресурсы компании на запуск уже серийного изделия.

Когда от проверки продуктовых гипотез на прототипах мы перешли к разработке серийной версии, то это был не менее тернистый путь, о котором я расскажу уже в следующей публикации. Будет также много технических деталей и фотографий.

Полезные ссылки

Рекомендую почитать серию постов команды BOLT Team, про разработку железных продуктов.

Подробнее..
Категории: Производство и разработка электроники , Сетевое оборудование , Разработка электроники , Блог компании гетмобит

К вопросу о преобразователях, транзисторах, микросхемах и проявлениях черной магии с последующим разоблачением

25.11.2020 18:12:55 | Автор: admin

Пусть он мне скажет:
Ты старый осел, ты жил не так, я буду жить по-другому.
Я пойму, но пусть он скажет! Но он же молчит.



Недавно один мой молодой коллега (ММК) попросил посмотреть происходящие в его разработке непонятки. Изделие представляло собой повышающий преобразователь 5В в 5В, основным назначением которого было скомпенсировать падение напряжения на кабеле подключения внешнего DVD привода к интерфейсу USB. Построен преобразователь на основе микросхемы MAX669 в режиме самоподдержки, схема соответствует рекомендованной и, тем не менее, устройство не работало напряжение на выходе составляло 4 В, то есть питание 5В минус падение на проводах, минус прямое падение на диоде.


Смотрим осциллограмму на затворе транзистора, видим там 90% заполнение с амплитудой сигнала 4В, но транзистор не открывается. Здесь следует уточнить, что ММК использовал отечественные транзисторы типа 2ПЕ208А. Сами по себе транзисторы не плохи, параметры вполне достойные, но напряжение открывания составляет, согласно ТУ, от 2.5В до 4В, так что транзистор вполне имеет право не открываться при 4В на затворе mea maxima culpa.

Первый плач Ярославны (пЯ): как я сказал выше, параметры транзистора вполне пристойные, но (естественно) есть один небольшой недостаток (по крайней мере, в документации) если статические параметры указаны в требуемом объеме, то динамические параметры (за исключением обобщенной емкости затвора) указаны чуть более, чем никак. Причем само по себе время задержки включения и выключения есть в документации и конкретный транзистор вел вполне прилично в плане быстродействия (когда мы увеличили входное напряжение так, что он начал открываться и схема стала работать), но эти параметры приведены в ТУ в разделе справочные данные, более того, именуются типовыми значениями, то есть опираться на них при проектировании устройства нельзя, от слова совсем, что резко ограничивает возможную область применения вышеуказанных компонентов. Причина подобного решения разработчиков транзисторов для меня осталась загадкой, если кто из них читает данный пост, объяснитесь в комментариях.

Ладно, меняем транзисторы на импортные (импортозамещение сорвалось) типа IRF7103 (они просто под рукой были) с напряжением открывания от 1.0В до 3.0В, схема начинает работать, но несколько странно на затворе по прежнему 90% заполнение, транзистор срабатывает, но выходное напряжение 3.5В, при этом от 5В потребляется почти 2А. Отключаем привод, картина не меняется, потребление сосредоточено в нашем изделии. Видим, что нагревается микросхема TUSB9261 которая отвечает за преобразование USB интерфейса в IDE, начинаем смотреть осциллограммы на ее ножках, начиная (естественно) с тактового генератора и внешнее потребление чудесным образом уменьшается до 0.2А. Повторяем включение, опять видим дефект, пропаиваем конденсаторы на обоих концах кварцевого резонатора и плата начинает включаться нормально mea culpa.

Второй пЯ: конечно, нельзя надеяться, что генератор заработает без конденсаторов, но схема сброса наличествует (RC цепочка) и функционирует, так почему же микросхема зависает в некоем промежуточном и явно неработоспособном состоянии не могу сказать что понимаю резоны разработчиков из фирмы Texas Instruments. Поскольку вероятность того, что они читают данный пост, не слишком велика, предлагать объяснить резоны подобного поведения микросхемы не стану.

Включаем плату заново выходное напряжение стабилизировано на уровне 5В, подключаем привод и снова включаемся выходное напряжение становится равным требуемым 5В, но через некоторое время падает до 3.5В, затем восстанавливается и цикл повторяется. Подключаем вместо USB питания выход лабораторного источника питания стабилизированного (ЛИПС) и наблюдаем резкий скачок тока потребления в момент запуска двигателя привода с 0.3А до 1.2А. Ага, понятно, гарантированный ток питания интерфейса не может быть выше 0.5А, нужен второй шнурок для удвоения тока, ну это общепринятая практика, mea maxima culpa. Вроде все понятно и работает, решаем провести ряд экспериментов для определения динамических параметров источника разрабатываемого устройства при помощи ЛИПС и гарантированной нагрузки в виде резистора 4 Ом.

Подаем на вход устройства напряжение с ЛИПС не путем втыкания бананов, а путем включения выходного напряжения источника с подсоединенным устройством. Вообще говоря, такой способ проверки не может быть рекомендован для произвольного ЛИПС, некоторые из них, например, Ереванские (уже не вспомню марку, сейчас, конечно, их уже не найти) в момент включения выдавали перерегулирование с набросом до 40В, но в данном ЛИПСе мы уверены, так что можем себе позволить.

Третий пЯ: совершенно не понимаю, чем руководствовались разработчики бананов с вращающейся контактной группой. Мне еще ни разу не встречались среди них нормально работающие то есть те, которые не приходится постоянно поправлять в точке контакта (не считая тех, которые добавлением нескольких капель олова в зону скольжения поворотной части превращены в нормальные бананы). Если кто из конструкторов данного чуда техники читает данный пост, объясните в комментариях смысл своего гениального изобретения, я не в силах его постичь самостоятельно.

И, совершенно неожиданно, обнаруживаем, что устройство не выходит на рабочий режим, а оказывается все в том же непонятном состоянии, причем ЛИПС стабилизирует отдаваемый ток на уровне 2.2А, сбрасывая напряжение до 3.2В. При этом на выходе наблюдаем 3.5В, несмотря на то, что скважность составляет все те же 90% и транзистор устойчиво переключается. Получается, что коэффициент повышения напряжения составляет 3.5/3.2=1.1, что явно меньше ожидаемых 1/(1-0.9)=10 и кпд источника составляет (3.5*3.5/4)/(3.2*2.2)=43% и это откровенно немного. Налицо явное проявление черной магии (энергия уходит в никуда) и нарушение законов электроники. Поскольку говорить mea culpa, а тем более mea maxima culpa, на первый взгляд, нет оснований, исследуем проблему детально и начнем с теории.

Схема силового каскада повышающего преобразователя приведена на следующем рисунке,
теория его работы рассмотрена в многочисленных материалах (лично мне очень нравится курс Роберта Эриксона, откуда картинка и взята), используем результаты без вывода (все желающие могут найти его в упомянутом источнике или получить самостоятельно настоятельно рекомендую второй способ). А основной результат заключается в том, что повышать напряжение до бесконечности (по формуле 1/(1-d)) преобразователь способен только в сферическом вакууме и лишь в том случае, когда его работе не мешают сгустки вакуума, а в реальной схеме с реальными компонентами имеется предельный коэффициент повышения напряжения
Kmax~1/2*sqrt(R/(Rl+Rds)) и достигается он при значении коэффициента заполнения
d=1-sgrt((Rl+Rds)/R).

Четвертый пЯ: не могу понять, почему два паразитных сопротивления вошли в итоговую формулу оптимальной скважности симметрично, если в исходном выражении сопротивление транзистора было умножено на d, в отличие от дросселя, но математика, как и гравитация, беспощадная ( ну, Вы поняли) и разночтений не допускает, приходится смириться с непониманием.
Пнп
получение аналитических выражений для повышающего преобразователя (да и для всех остальных топологий преобразования) существенно упрощается, если воспользоваться дидактическим приемом того же Эриксона и использовать виртуальный элемент трансформатор постоянного напряжения.

Для рассматриваемого нами случая Rl=0.17 Ом и R=4 Ом имеем Km=2.4 и соответствующий ему d=0.8. Вроде бы этого достаточно для повышения напряжения до 5В при входном напряжении, начиная с 4, а вот с 1.8В, когда начинает работать регулятор в микросхеме контролера MAX669, не все так хорошо, но нам такие низкие входные напряжения и не нужны. Но мы не учли еще один источник потерь (вернее, два, второй это сопротивление диода, однако он в данном случае мало значим) коэффициента передачи, а именно падение на открытом транзисторе.

Что за глупости, скажете Вы вслед на ММК, выбранный транзистор имеет Rds порядка десятых долей ома (конкретно 18мОм) и не может оказать существенного влияния на работу схемы, но будете не правы. К сожалению, многие производители транзисторов дают данный показатель при напряжении на затворе относительно истока (управляющее напряжение) существенно превышающим напряжение открывания. В конкретной технической документации (ТД) мы видим максимальное напряжение затвор/исток (напряжение открывания) 2.5В (в другом своем посте я показывал, почему мы должны брать максимальное значение этого параметра, а не минимальное и, тем более, не типовое изыди, сатана), а сопротивление 18 мОм дано при управляющем напряжении 10В.

Между тем широко известно (хотя, к сожалению, далеко не столь широко, как хотелось бы), что сопротивление открытого полевого транзистора (насколько о нем уместно говорить, поскольку данный показатель реального транзистора имеет явно нелинейный характер) обратно пропорционально именно разности управляющего напряжения и напряжения открывания. То есть при управляющем напряжении 3.5В мы будем иметь сопротивление ключа в (10-2.5)/(3.5-2.5)=7.5 раз больше, чем указано в ТД, 18*7.5~140 мОм, что вполне сравнимо с сопротивлением индуктивности.
А вот при 2.5В управляющего напряжения, а тем более при 2.5-0.4=2.1В (у нас схема само поддержки) транзистор вообще имеет полное право не включаться, запомним это на будущее.

Теперь мы можем уточнить достигаемые максимальные параметры и получаем
Kmax=1/2*sqrt(4/(0.17+0.14)=1/2*sqrt(12.9)=1.8 (достигаемый при d=0.72) и становятся очевидными два ужасных факта:
1 о повышении напряжения до требуемого номинала при входном 2.5В можно даже и не мечтать;
2 коэффициент заполнения более 0.72 неприемлем.
Если проблема, связанная с первым фактом, очевидна, то о влиянии второй следует поговорить подробнее и мы это сделает чуть позже. Но прежде, исправим допущенные ошибки заменим индуктивность на более подходящую с сопротивлением 60 мОм и транзистор на CSD16342Q5A, у которого сопротивление открытого ключа составляет 12 мОм при управляющем напряжении 2.5 В (максимальное напряжение открывания 1.1В). Тогда ожидаемый
Kmax=1/2*sqrt(4/0.06+0.012)=3.7 и достигается он при d=0.94, так что мы можем рассчитывать на вполне устойчивую работу преобразователя, начиная со входного напряжения (5+0.6)/3.7=1.5В.

Не совсем пЯ, поэтому без номера: найти на сайте TI транзистор с требуемым гарантированным сопротивлением при низком управляющем не так просто, как могло бы быть в идеальном мире с идеальными сайтами. Можно отсортировать нужные транзисторы по среднему открывающему, а дальше придется открывать один за другим транзистор и смотреть соответствующую техническую документацию. А на идеальном сайте я бы смог задать запрос дополнительного параметра Минимальный Rds при Ugs=2.5В и сразу получить ответ.

И действительно, после замены указанных элементов повышающий источник начинает нормально работать и обеспечивает 5В/1.2А при входном напряжении от 2.5В до 5В. Обратим внимание что рабочее входное напряжение реально оказалось выше расчетного в силу особенностей микрохемы управления, которая в диапазоне от 1.8 до 2.5В работает с фиксированной скважностью 0.5 и только потом начинает регулировать выходное напряжение. Заметим также, что мы никак не можем гарантировать работы преобразователя ниже расчетных показателей, невзирая на поведение конкретного экземпляра (экземпляров).
Вы спросите, а как это мы ухитряемся получать 5 из 5, ведь у нас повышающий преобразователь на самом деле мы получаем 5.4-5.8 (в зависимости от тока нагрузки) и после диода напряжение падает до требуемых 5В.

Теперь все хорошо и проблемы решены к сожалению, не до конца. Если бы все было именно так, я бы не стал писать пост с рассказом лишь о своих ошибках (пока, кроме них, мы ничего не исправили). Возвращаемся к исходным компонентам схемы, ведь они гарантировали нам работу при входном напряжении от 3В, а мы при входном 3.2В оказываемся в нашей любимом режиме скважность 90%, выходное напряжение 3.5В, входной ток 2.2А. Да, при более правильных компонентах данное явление не наблюдалось, но тогда каковы границы правильности компонентов. Будем отвечать последовательно на главные вопросы.

Кто виноват.

Еще раз внимательно посмотрим на график изменения выходного напряжения в зависимости от коэффициента заполнения (скважности) и обнаружим на нем два участка восходящий и нисходящий (наш случай 0.05). Если провести прямую, соответствующую требуемому выходному напряжению при фиксированном входном, то мы увидим две точки пересечения с данным графиком (возможно, одну или вообще ни одной, но это откровенно не рабочие режимы), при которых требуемый коэффициент преобразования достижим. Тем не менее рабочей является только точка, расположенная слева от максимума (с меньшей скважностью) по следующим основаниям:

1) закон регулирования, заложенный в микросхему, подразумевает прямую зависимость (чем больше, тем больше) регулируемого параметра (выходного напряжение) от регулирующего параметра (коэффициента заполнения), а в нисходящем участке кривой зависимость обратная, что было бы полбеды если бы не следующее обстоятельство;

2) если мы построим график кпд повышающего источника в зависимости от коэффициента заполнения, то увидим, что его значение падает по мере возрастания скважности на всем диапазоне определения, вначале плавно, так что в точке максимума преобразования кпд составляет 50%, а далее просто катастрофически вплоть до нуля. Совершенно очевидно, что если можно получить одинаковое выходное напряжение при кпд 80% или 20%, во второй вариант не должен иметь перспектив практической реализации.

Объясняется этот эффект возрастанием падения на паразитных сопротивлениях дросселя и транзистора, причем падение нарастает явно нелинейно, ведь ток через эти компоненты связан с выходным током, который растет при увеличении выходного напряжения через коэффициент пересчета скважность. Способы борьбы я уже указал выше снижение паразитных сопротивлений, но сейчас мы говорим не об этом.

Итак, мы убедились, что не следует повышать коэффициент заполнения выше конкретного значения, определяемого параметрами нагрузки и реальными параметрами компонентов схемы. Тем не менее, микросхема может выдавать управляющий сигнал с коэффициентом заполнения до 90%, если считает это необходимым. И именно в связи с этой особенностью, с учетом способности микросхемы работать, начиная с напряжения 2.5В, мы сталкиваемся с весьма неприятным процессом, называемым защелкивание.

Как это происходит.
Сценарий возникновения неисправности:
1. Включаем ЛИПС при подключенном преобразователе с нагрузкой, напряжение на его выходе начинает медленно нарастать, до напряжения 1.8 ничего не происходит.

2. При входном напряжении от 1.8 до 2.5 микросхема вырабатывает управляющий сигнал со скважностью 50%, транзистор может начать срабатывать (а может и не начать, как повезет), выходное напряжение растет, хотя значение его не известно.

3. После достижения напряжения 2.5 микросхема начинает управлять преобразователем, пытаясь достигнуть выходного напряжения 5+0.6В, для чего требуется иметь увеличение напряжения 5.6/2.5=2.24 раза, что очевидно превосходит установленный нами предел. Поэтому скважность достигает максимального значения 0.9, выходное напряжение становится равным 2.5*4*0.1/(4*0.1*0.1+0.17+0.14)=2.8В, при этом кпд составляет менее 20%.

4. Входное напряжение повышается дальше, вместе с ним растет выходное напряжение и выходной ток (а вместе с ним и входной ток), в какой-то момент входной ток (в девять раз больший выходного, между прочим) превосходит предел защиты и ЛИПС уходит в режим стабилизации тока. Вот мы и пришли в нашу рабочую точку, в которой будем находится бесконечно долго.
Пнп: И это лучший сценарий, поскольку если у нас на ЛИПС не выставлена защита по току, то после достижения входным напряжением значения 5.6/1.12=5В микросхема увидит, что напряжение стало больше требуемого, начнет уменьшать скважность и вернется в левую часть регулировочной кривой, предварительно пройдя через пик 5*1.8=9В с непредсказуемыми последствиями для питаемых компонентов.

Что делать.
Поскольку мы не уверены в правильной (точнее говоря, уверены в неправильной) работе нашей схемы при низких (менее 3В) напряжениях питания, нам следует принять меры, чтобы не пустить схему при низких входных напряжениях в правую часть кривой, обозначим возможные способы это сделать:

0) Улыбаемся и машем делаем вид, что ничего страшного не происходит и в изделиях питание будет всегда подаваться скачком и провалов не будет ну, в общем, Вы поняли, почему аквапарки рушатся, ракеты взрываются, самолеты неудержимо уходят в пике, а автомобили неконтролируемо ускоряются.

0*) Проблема не на нашем конце явным образом требуем в технической документации скачкообразной подачи питания и отсутствия провалов напряжения ниже рабочего. Способ явно лучше предыдущего, мы не спрятали проблему под ковер, а ясно ее обозначили. Другое дело, что никто не станет ставить специально для нас очиститель питания (я не уверен, что на это требования вообще обратят внимание) и нам будет нелегко доказать невыполнение требований к подключению нашего изделия. Тем не менее принципиальная возможность снять с себя ответственность за случившиеся инциденты имеется, хотя от этого пострадавшим легче не станет.

1) Если платить обязательно, джентльмен всегда платит с улыбкой выбираем компоненты схемы с большим запасом, обеспечивающими работу при низких напряжениях. Способ понятный и именно им мы пошли, заодно и кпд в рабочем режиме немного подняли, но за все на этом свете надо платить и нам придется увеличить массо-габаритные параметры и/или стоимость нашего изделия.
Пнп: При этом надо обязательно учесть, что ограничения все равно остались, просто их границы сдвинулись. Для рассмотренной замены с сопротивлением индуктивности 60 мОм, транзистора 12 мОм и необходимости нормальной работы при входном напряжении 2.5 получаем Kmax>=5.2/2.5=2.24, тогда предельное сопротивление нагрузки R>=4*Kmax*Kmax*(Rl+Rds)=1.44 кОм, или, другими словами, потребляемый от преобразователя ток не должен быть больше 3.5А во всех режимах, в том числе и в момент включения. Понятно, что лучше к опасному пределу не приближаться и сделать полуторакратную, а то и двукратную защиту по критичным параметрам, но это уже по вкусу.

2) Ты не можешь управлять ветром, но вполне можешь управлять парусом блокировать ошибку, то есть исключить возможность подачи на вход преобразователя низких входных напряжений. Мы не можем гарантировать поведение внешнего источника, но можем управлять своими входными цепями. Способ хороший, но требует коррекции схемы, так что не сейчас.

2*) запретить работу схемы при низких входных напряжениях направление выглядит перспективнее, чем предыдущее, поскольку не требуются силовые элементы и особенно учитывая наличие у микросхемы входа разрешения. Но не сейчас, как и предыдущий способ.
Пнп: реализовать блокировку работы можно разными способами: тут и резистивный делитель и использование стабилитрона/трех-выводного стабилитрона и биполярный транзистор с формированием открывающего напряжения выше перечисленными способами и настоящий компаратор и так далее тысячи их.

Единственное, что неприемлемо RC цепочка, поскольку данная схема решает не нашу основную задачу (напоминаю, это запрет работы схемы до достижения некоего значения входного напряжения), а некоторую другую (формирование заданного временного интервала после достижения некоего напряжения, не совпадающего с контролируемым) и отсылает нас к варианту 0*. В то же время, такая цепочка может быть полезной после схемы сравнения вышеперечисленного типа, чтобы исключить дребезг вблизи точки переключения.
Пнп: Если Вы решаете использовать RC цепочку, не забудьте обеспечить цепь разряда конденсатора, зашунтировав либо резистор, либо конденсатор диодом, иначе провалы питания приготовят нам множество открытий чудных с отрицательным эмоциональным фоном.

Ну вот и наступает (мои постоянные читатели уже нервничали, совершенно напрасно, свершилось) время пространного пятого пЯ: нельзя сказать, что разработчики микросхемы не догадывались о возможности подобного поведения источников на ее основе, о чем свидетельствует следующее предложение из технической документации
Other (undesirable) characteristics of bootstrapped operation are reduced ability to start up with high load current at low input voltages, которое я склонен перевести, как
Нежелательным аспектом работы в режиме самоподдержки является уменьшение способности стартовать с высоким током нагрузки при малых входных напряжениях..
На мой взгляд, такого предупреждения совершенно недостаточно и требуется ссылка на указание по применению, в котором содержимое данного поста должно быть малой частью.

К примеру, в разделе Выбор индуктивности требования к сопротивлению оной вообще никак не упоминаются. Понятно, что эти требования должны быть известны инженеру, но тогда и требования к минимальной индуктивности ему должны быть известны не в меньшей степени, а последние в данном документе аккуратно приводятся.

Ну и как вишенка на торте в документации есть раздел выбор транзистора, где говорится о необходимости учитывать необходимость работы при низких напряжениях, при этом в том же документе приводят типовую схему повышающего преобразователя на выходное 12В/0.5А (либо 5В/1А, как раз наш случай), указывают на схеме входное напряжения диапазона 1.8-5В и совершенно забывают, что:

1) до 2.5В микросхема работает с нерегулируемой скважностью в 0.5, так что выходное напряжение будет не более 5В, что несколько не равно 12В (и даже не равно 5В);
Пнп: меня вообще несколько удивляет позиционирование микросхемы (по всему тексту документа, начиная с заглавия), как готовой к работе, начиная 1.8В, что совершенно не соответствует действительности, минимальное рабочее напряжение 2.5В было бы правильнее.

2) примененный транзистор типа FDS6680 имеет полное право не открываться до получения управляющего напряжения 3В, а с учетом наличия диода в само поддерживаемой схеме это минимальное 3.5В входного напряжения, что явно больше указанного минимального входного 1.8В.
Пнп и одновременно шестой пЯ: сначала я думал, что это просто ошибка (да, такое бывает у всех, не только у меня и ММК), но одно маленькое обстоятельство заставило меня изменить свое мнение. Обстоятельство это заключается в пункте 5 раздела выбор транзистора, а именно:
5) Minimum threshold voltage (VTH(MIN)). То есть авторы документа, описывающего продукцию уважаемой фирмы, твердо уверены, что при выборе типа полевого транзистора важно знать только минимальное напряжение открывания. А я и не знал, что так можно было. На мой взгляд, это очень опасное заблуждение, из которого следуют весьма сомнительные выводы и рекомендации.

Кстати, второй рекомендованный для применения транзистор IRF7401 в своей технической документации дает именно минимальное пороговое напряжение (0.7В) и больше никакого, что несколько настораживает. Я на могу исключить вариант, когда максимальное пороговое (ну и типовое, я не против, чтобы его указывали в документации, я только против, чтобы его использовали при расчете схемы) совпадает с минимальным, но я хотел бы видеть эту информацию указанной в документации явным образом, поскольку иной подход загоняет нас на зыбкую почву догадок и предположений, а она никак не может быть надежным фундаментом честной инженерной работы.

Если авторам раскритикованной в посте документации (либо им сочувствующим) есть что сказать в свое оправдание для объяснения своей позиции и посрамления маловеров прояснения некоторых сомнительных моментов, прошу в комментарии. Сразу скажу: сначала добейся лично мною рассматриваться в качестве убедительного аргумента не будет.

Ну вот и состоялось разоблачение черной магии, как и всегда, мы нашли естественно-научное объяснение наблюдаемому поведению схемы (как говорил один замечательный персонаж: Я-материалист) и нам не пришлось переходить на темную сторону. Надеюсь, что мои заметки оказались кому-то полезны в практической деятельности, ну или, по крайней мере, развлекли в процессе чтения.
Подробнее..
Категории: Производство и разработка электроники , Электроника , Разработка электроники

Время-деньги. Сколько стоит час инженера

02.02.2021 14:17:42 | Автор: admin

Эта статья продолжение истории про внутреннюю кухню аутсорсинговой компании (мы занимаемся контрактной разработкой электроники). В прошлой статье Контрактная разработка электроники. Расчёт проекта я рассказывал, как и какие проекты мы рассчитываем. Там подробно описан процесс расчёта трудоёмкости в часах, но не совсем понятно, что это за часы. Поэтому сегодня предлагаю вам наш подход к расчёту стоимости нормо-часа.

Общий смысл ставки нормо-часа стоимость единицы рабочего времени. Формула расчета ставки ({Hr}) простая, как палка: затраты ({Expenses}) делим на время ({Time}):

{Hr} = \frac{Expenses}{Time} (1)

Но не следует воспринимать эту формулу буквально. Например, для расчёта стоимости часа инженера с зарплатой 100000 с учётом, что рабочих часов в месяце примерно 160, можно получить такой результат:

\frac{100000}{160ч} = {625/ч}

И наоборот, если взять ставку подрядчика 3500/час и умножить её на рабочее время инженера за месяц, получим:

3500*160ч = 560000/месяц

Однажды посетитель на выставке задал вопрос, ставший для нас внутренним мемом:

У вас что, инженер пятьсот тысяч зарабатывает?

Нет, не зарабатывает. Такая большая наценка? Тоже нет. В правую часть уравнения (1) просто нельзя подставлять те цифры, которыми обычно оперирует обыватель. Рассмотрим подробно затраты и время, из чего они состоят.

Затраты

Все расчёты здесь - просто пример, условия могут сильно отличаться по регионам и видам деятельности. Я привожу расчёты для микропредприятия, похожего на нас. Нас 15 человек, мы разрабатываем электронику, встраиваемое ПО и автоматизированные системы функционального тестирования. Упрощённая система налогообложения "доходы минус расходы", г.Санкт-Петербург. Все расчёты для сотрудника с окладом 100000.

Зарплата и налоги

В России налоги и взносы за сотрудников выплачивает работодатель. Из-за этого у сотрудников часто нет понимания, сколько денег уходит государству. Про НДФЛ 13% знают все. Этот налог как будто бы платит сотрудник, а работодатель выступает в роли налогового агента, удерживая эти деньги до выплаты зарплаты. Именно поэтому оклад в трудовом договоре отличается от получаемой на руки суммы. Остальные взносы (30,2%) платит работодатель. Совсем недавно произошло изменение в тарифах, они стали для "субъектов малого и среднего предпринимательства"(МСП) меньше почти вдвое. Но счастье не надолго - до конца 2021 года. Так что приведу оба варианта.

Подоходный налог 13 000 вычитается из суммы оклада, сотрудник на руки получает лишь 87 000. Взносы 30 200 начисляются сверх оклада.

Если посчитать со стороны получаемой на руки зарплаты (87 000), государство забирает у компаний около 50% (43 200) сверх того, что получают сотрудники. На ближайший год для МСП сборы уменьшатся до 35% (30 009).

Есть много нюансов, которые я для простоты опускаю. Например, после превышения предельной величины базы взносы становятся меньше.

Накладные расходы

Помимо прямых затрат на фонд оплаты труда, у компании много других расходов. Клиент за них напрямую не платит.

Вот некоторые из них:

  • ФОТ административного и вспомогательного персонала

    • Директор

    • Бухгалтер

    • Руководитель проектов

    • Коммерческий отдел

    • Тимлиды в той части, что не заняты непосредственно разработкой.

  • Офис

    • Арендная плата

    • Коммунальные расходы

    • Еда, питьё

    • Интернет

    • Телефония

  • Обучение сотрудников

    • Языки

    • Конференции

    • Книги

  • Лицензии на ПО

    • Управления проектами

    • Бухгалтерия

    • Справочные системы

    • CAD, CAE

  • Закупка и амортизация оборудования

    • Мебель

    • Компьютеры

    • Серверное оборудование

    • Источники, программаторы, осциллографы, генераторы

  • Маркетинговые расходы

    • Выставки

    • Командировки

    • Печатная продукция

    • Сайты

  • Другое

Всё это мы относим к накладным расходам, которые распределяются равномерно на стоимость работы сотрудников, непосредственно выполняющих работу, которую оплачивает клиент.

Для некоторых отраслей существуют нормативы накладных расходов, на которые организациям следует ориентироваться (например, стройка - 95125%). Для нас таких нормативов я не знаю. Общий подход определять норматив как процент от ФОТ. Для примера возьмём 130%.

{Expenses} = {Salary}*(1+{Ovh})*(1+{Tax})

Итак, затратыExpensesскладываются из заработной платы Salary , налогов {Tax} и на накладных расходов {Ovh} .

Сотрудник, получивший на руки 87 000, обойдётся компании в три раза дороже почти в 300 000.

Эффективное время

Согласно производственному календарю на 2020 год, россияне работают 248 дней из 366, на фоне других стран не особо выделяемся. Нерабочие дни 2020-го года учитывать не будем. Норма рабочего времени в 2020 году в целом составила 1 979 часов при 40-часовой рабочей неделе. Это в среднем 164,9 рабочих часов в месяц. Отпуск - 28 календарных дней (8%), больничные - в среднем 14 рабочих дней (4%). Помимо этого, есть непродуктивное время сотрудника на работе. У нас есть статистика затраченного времени по всем задачам за предыдущие годы, из которой мы знаем, что в среднем мы не списываем в задачи 25% времени, проведённого на работе.

В итоге, из оплаченного года работы и 1979 часов нам доступны в лучшем случае 1314 часов (66%).

Доступное время сотрудника - 110 часов в месяц.

Расчёт ставки

Теперь мы готовы посчитать, сколько стоит час работы инженера с окладом 100 000 для работодателя. Для этого вернёмся к самой первой формуле (1) и подставим результаты, полученные в предыдущих вычислениях:

{Hr} = \frac{Expenses}{Time}=\frac{{Salary}*(1+{Ovh})*(1+{Tax})}{Time*0.66}Hr=\frac{299460}{110ч}=2722/ч

Конечно, рассчитанный от затрат нормо-час не годится для продажи, ведь так компания ничего не заработает и разорится в случае простоя, внезапного ухода клиента, нерабочих дней или вынужденной изоляции. Такой нормо-час называют внутренний. Он пригодится для расчёта действительной стоимости работ при оценке рентабельности. У нас это происходит автоматически в системе управления проектами Redmine.

Для перехода от внутреннего нормо-часа к внешнему надо добавить маржу. Она должна покрывать возможные риски и может превращаться в прибыль компании. Тут, как и с накладными расходами, всё индивидуально. Для примера возьмём 30%. Внешняя ставка Hro равна внутренней Hr увеличенной на маржу M :

Hro=Hr*(1+M)Hro=2722/ч*1.3=3539/ч

Насколько отличается реалистичная внешняя ставка от ставки, вычисленной в самом начале простым делением зарплаты на 160?Почти в шесть раз.

K=3539/625 = 5.7

Коэффициент, на который можно ориентироваться для быстрого расчёта внешнего нормо-часа из зарплаты специалиста 6.

К нам в руки редко попадают КП конкурентов, да и про нормо-часы там обычно ничего нет, поэтому сравнение по отрасли мне сделать не удастся. Вот моя заметка с небольшим анализом оценки одного проекта разными компаниями. Сравним ставку с фрилансерами, по ним есть хоть что-то. Нашёл классный калькулятор ставки от clockify для фрилансеров, который учитывает отрасль, локацию и опыт сотрудника. Вот что он даёт по нашей теме, место работы - бывший СССР ($ = 73.15) :

Вполне себе похоже на полученные числа, закроем глаза на то, что фрилансер это ещё не команда, и в сложных проектах придётся потратиться ещё на кучу дополнительных вещей. Да и фрилансеры, работающие на местный рынок, сейчас пойдут меня уничтожать в комменты.

В нашей области деятельности манипуляции со стоимостью разработки происходят сплошь и рядом - кто-то списывает инженеров в накладные расходы, кто-то оценивает проекты "на глаз", кто-то готов взяться за проект за любые деньги, в надежде заработать где-то после. Мы делаем ставку на то, что любая деятельность должна быть понятной и экономически оправданной, а потому привыкли всё считать, чтобы не обманывать ни себя, ни клиентов.

P.s. Напишите, что вам было бы интересно узнать про жизнь контрактного разработчика электроники.

Подробнее..
Категории: Производство и разработка электроники , Финансы в it , Разработка электроники , Стоимость разработки , Нормо-час , Rate , Third pin

Разработан ИИ-чип, работающий от светового излучения

20.01.2021 22:15:38 | Автор: admin

Ученые разработали новый ИИ-чип, который работает от света. Память, машинное обучение и обработка изображений объединены в единую систему, которая и размещается в чипе.

Разработка находится на стадии прототипа. Но это уже серьезный шаг в сторону новой системы мозг на кристалле. Обучение в ней построено по такому же принципу, что и у людей.

Над прототипом чипа работала группа австралийских, американских и китайских ученых под руководством специалистов из Мельбурнского королевского технологического университета в Австралии (RMIT).

Как устроен чип


В основе нового чипа прототип ранней версии RMIT. Устройство с помощью света запоминало и хранило данные.

Основа чипа сверхтонкие пластины черного фосфора. Это вещество с металлическим блеском, внешне напоминающего графит. Черный фосфор проводит ток и обладает свойствами полупроводника. Также он может изменять электрическое сопротивление в зависимости от длины световой волны. За счет разноцветного освещения микросхемы удалось научить чип воспринимать и запоминать изображения.

С самого начала ученые предполагали, что удастся создать технологию, повторяющую принцип запоминания человеческого мозга, а именно его способность обучаться на основе увиденного.


Новый ИИ на основе светового чипа считывает, улучшает изображения, классифицирует данные и числа, он обучен распознаванию визуального контента с точностью более 90%.

Область применения чипа



Новая разработка, при условии ее выхода в свет, способна дать толчок развитию нейроробототехники.

Технологию можно будет применять в таких устройствах, как:

  • дроны и роботы;
  • носимые гаджеты;
  • умная техника;
  • бионические импланты.

Применение в бионике особенно важно: результаты могут быть использованы в медицине. И, например, привести к уменьшению размеров и увеличению точности бионических глаз.

Бионический глаз носимое устройство, способное частично заменить обычный орган зрения. В поврежденное глазное яблоко имплантируется искусственная сетчатка, потом запускаются сохранившиеся нейрорецепторы.

Также чип совместим с кремниевыми технологиями, его можно интегрировать в различные устройства.

Простой пример автомобильный видеорегистратор. Если девайс будет содержать такой чип, то без проблем распознает встречные огни, дорожные объекты, знаки, полосы, а потом начнет принимать определенные решения даже без подключения к интернету.

Не фосфором единым: чипы Илона Маска



Нейротехнологии и чипирование активно изучаются командой Neuralink, компании, основанной Илоном Маском. Технология уже прошла тест на обезьянах, мышах и свиньях.

Технология поможет людям с параличом конечностей. Чип сможет восстановить слух при глухоте, а при болезни Альцгеймера восстановить память. Главная цель чипа сопряжение мозга пациента с ИИ.


Чип Link размером с монету можно будет вживить в мозг почти без следов внешнего вмешательства. Маск сравнил Link со спортивным аксессуаром в черепе.
Предприниматель считает, что чип сможет не только обрабатывать данные из мозга, но и загружать их в мозг.

Сейчас эта технология очень дорогая. Но с течением времени Маск планирует снизить цену чипа до приемлемой. Он надеется, что с течением времени цена операции по вживлению такого чипа, с учетом его собственной стоимости составит несколько тысяч долларов.

Подробнее..
Категории: Искусственный интеллект , Блог компании selectel , Будущее здесь , Илон маск , Разработка робототехники , Робототехника , Ии , Разработка электроники , Чип , Чипирование , Чипирование людей

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru