Программирование микроконтроллеров

Гусь домашний тренировочно-игровой стрелковый стенд с лазерными мишенями и интеллектуальным сопровождением для отработки меткости и техники стрельбы, а также для развлечения всех любителей пострелять!

Тренажер представляет собой несколько умных устройств, которые должны работать в связке автономно, а при online включении становиться частью глобальной облачной инфраструктуры. Системы рейтингов, редакторы и магазины сценариев игр и программ тренировок то, над чем еще предстоит пофантазировать и во что должен эволюционировать Гусь.

Ниже вас ждет история, как идея воплощается в жизнь. Когда простые решения работают, а когда они вынужденно усложняются и требуют мучительного поиска подходящего варианта. Как появлялись схемы и корпуса, как мы шаг за шагом создаем лабораторную версию устройства.

Одной прекрасной ночью, накануне сдачи экзамена по безопасному владению оружием, мне приснился сон - я был в тире и стрелял по световым мишеням. Сначала показалось, что я очутился в Counter Strike и отрабатываю AIM (меткость), но вскоре дошло это тренировка! Я не просто стрелял по произвольным мишеням, холостил, отрабатывал чёткость и плавность движений. Тир как будто был наделён интеллектом, контролировал каждое моё движение и корректировал программу занятий. Оказалось, нас много, все стрелки тренируются и соревнуются, каждый у себя дома.

Это было чертовски увлекательно!

Экзамен был сдан с первого раза. Я рассказал об этой идее другу, и с этого момента у нас появилось неуёмное желание сделать умный тренажёр, чтобы каждый мог похолостить перед охотой и походом в тир или скоротать время, стреляя по лазерным мишеням.

Идея была объединить игру, тренировку и современные технологии.

Гусиные пёрышки

Гусь каждому придётся по вкусу, он прост и ненавязчив. Умён и хитёр. Его лазерные мишени не так просто подстрелить, когда с ним соревнуешься. А когда тренируешься он мягок и покладист, только держи на мушке. Благодаря своему зоркому глазу Гусь всё видит, а электронному уму ещё и точно знает, когда и куда стреляли.

У Гуся есть компаньон. На оружие или муляж устанавливается насадка-контроллер с универсальным оптическим датчиком спуска и лазерной имитацией дробового пятна. С напарником Гусь обретает чуткий слух и осязание. Гусь запомнит удачные и плавные выстрелы, обратит внимание на резкие движения и неудачный выход на цель, а стрелок получит статистику и рекомендации.

Гусиные навыки

У Гуся есть четыре амплуа или четыре характера, которые проявляются по-разному в игре и тренировках. Во время игры Гусь проявляет разнообразие и фантазию, заставляя стрелка попотеть, отстреливая все цели, но на тренировках Гусь собран и строго выполняет программу занятий, отслеживая качество выполнения заданий стрелком. Гуся легко обучить, записав новую программу занятий и сценарии игры.

В качестве мишени в первой версии Гуся выбран маломощный лазер, отражающийся на стенах в виде красной точки и установленный на вращающейся платформе. В перспективе на место лазера напрашивается лазерный проектор, проецирующий цели с анимацией и разной формы. Пока же разнообразие целей обеспечивается несколькими программами движений с разными настраиваемыми характеристиками, которые объединяются в сценарии. Предполагается, что сценарии могут быть созданы как разработчиками, так и пользователями и проигрываются с SD карты устройства.

Сценарии включают в себя траектории, характеристики движения, моменты появления и яркость цели, произвольные задержки и переходы. Для тренировки в режиме "Спортинг" устройство запускает цель по основным стандартным траекториям, например боковые или угонные мишени. Для тренировки скорости реакции и меткости мишени появляются в произвольных местах и исчезают. А в игровых режимах задания ограничиваются только фантазией создателя, который будет реализовывать задуманный геймплей в виде набора сценариев.

Программное окружение и облачная инфраструктура в перспективе позволит объединить все устройства в локальную или глобальную сеть с библиотекой сценариев и программами тренировок. Показания с датчиков устройств сохраняются в процессе тренировки и могут быть загружены в мобильное приложение или облако для анализа результативности тренировок и разработки новых упражнений, нацеленных на отработку конкретных навыков. Наша фантазия по применению таких данных не знает границ, так как много лет занимаемся разработкой инфраструктуры для крупных систем анализа информации, на Хабре были опубликованы статьи про Социальный монитор и Cubisio.

Собирая статистику промахов и попаданий, показания с гироскопа и акселерометра, путем нехитрых вычислений и машинного обучения, можно получить множество полезных показателей. Сравнивая эти данные с результатами разных программ тренировок становится возможным выявление наиболее эффективных. Это с одной стороны. С другой развитие в сторону коллаборации пользователей и объединение в своего рода социальную сеть с тренерами и стрелками, программами упражнений, игровыми уровнями, соревнованиями и рейтингами. Гусь в таком представлении выполняет роль терминального устройства для взаимодействия пользователей удалённо.

Arduino, STM32, ESP32 - о железяках...

Техническая глава для тех, кто любит возиться с устройствами или во всех подробностях разбирать по косточкам.

Изначально всё выглядело очень просто нужно всего лишь управлять сервоприводами и вовремя включать лазер, а сценарии движения проигрывать напрямую из файла. Отличная задача для ардуинки. Но не тут-то было.

Будучи опытными программистами, но новичками в электронике, мы двинулись в неизвестность как обычно, от простого к сложному, преодолевая трудности и неизбежно натыкаясь на непредвиденные неприятные сюрпризы.

Первая же попытка собрать прототип на отладочной плате и написать программу не увенчалась успехом. Скудный объем оперативной и Flash памяти контроллера Arduino не позволил даже запрограммировать движок проигрывания сценариев, не говоря уже о подключении сенсорного экрана, беспроводных датчиков и видео модуля с распознаванием.

Обсудив с коллегой, мы решили закончить войну с ардуинкой за ресурсы и попробовать микроконтроллер STM32. Взвесив все за и против, решено было для начала взять также отладочную плату, но сразу помощнее, так как наши амбиции росли, а планируемый функционал расширялся. Популярная BluePill на STM32F103 на фоне возросших амбиций уже тоже смотрелась слабовато. Поэтому пока мы остановились на плате WeAct на STM32f411 c 512Kb Flash и 128Kb оперативной памяти.

В будущих версиях напрашивается микроконтроллер с большим запасом памяти и дополнительной полезной периферией, а также некоторые технические решения будут пересмотрены и перенесены из модулей на основную плату. Но всему своё время.

Шина питания и автономность

По задумке устройство однозначно должно быть автономным с запасом питания минимум на час-два активной тренировки. При этом по схемотехнике шина питания должна включать как минимум две линии линия стабильного напряжения 3.3В и линия ~5-6В для питания сервоприводов.

Первая идея была простой взять за основу вариант с последовательным 2S подключением пары аккумуляторов 18650. Имея до 9В на выходе, ставим понижающий импульсный преобразователь, формирующий стабильные 5-6 В шины сервоприводов, и к ней же в свою очередь подключаем отладочные платы микроконтроллеров (у них на бору вариант стабилизатора AMS1117).

Вариант оказался абсолютно не из той оперы... Во-первых, сервоприводы при движении создают помехи, которые сгладить не просто, конденсаторы тут не помогали. Во вторых, сложности с зарядкой. Требовалось дополнительно ставить модуль балансировки заряда и подбирать подходящий блок питания. А хотелось-то сделать "как у всех" поддержать стандартную зарядку USB Type-C.

Взвесив за и против, мы выбрали путь повышения напряжений и схему параллельного подключения аккумуляторов 2P. Тем более, что под руками оказалась замечательная плата TP4056 в варианте с USB Type-C, с ней проблема контроля заряда и разряда аккумулятора оказалась закрыта.

В качестве повышающего преобразователя был выбран MT3608. К сожалению, подключение к нему сервоприводов напрямую оказалось неработоспособным сервоприводы выбрасывали в сеть огромные помехи, из-за которых контроллер, питающийся от своего стабилизатора, перезагружался и сбоил. Конденсаторы помогали очень слабо.

На выручку пришли старые добрые линейные стабилизаторы серии LM780x. Со стабилизатором LM7805 и парой конденсаторов линии питания наконец стали ровными, не зависимо от работы сервоприводов.

Но и это решение не обошлось без компромиссов. Оказалось, что иногда попадаются сервоприводы (мы выбрали MG995), которые не работают от 5В принципиально при нижнем пороге по даташиту в 4.8В. При этом попытка поднять напряжение и заменить линейный стабилизатор на LM7806 делало схему нестабильной (в некоторых случаях потребляемые токи превышали какой-то предел, после которого возникали скачки или падение напряжения в линии питания с уже известными последствиями).

Голова целеуказателя и видео-модуль

Видео-модуль, расположенный в голове Гуся, должен сопровождать цель и при получении сигнала о выстреле фиксировать кадры и запускать распознавание и вычисление расстояния от мишени до дробового пятна, а именно между красным и зелеными пятнами лазеров.

В качестве первого и пока устоявшегося варианта на эту роль отлично подошла плата ESP32-CAM. Одновременно на этот же модуль была возложена вся коммуникация, Bluetooth (BLE) для взаимодействия с насадкой-контроллером и датчиком спуска на оружии, а WiFi для интеграции с облаком и обновлений.

Взаимодействие основного микроконтроллера и видео-модуля внутри Гуся осуществляется по проводам через последовательный интерфейс SPI, а также для удобства из головы в основной корпус была выведена дополнительная шина для отладки и прошивки видео-модуля без разбора.

Насадка-контроллер и датчик спуска

В качестве начинки для насадки-контроллера сразу решено было использовать знакомый ESP32, но на этот раз ESP32-WROOM-32 без отладочной платы. Bluetooth (BLE) для связи насадки с базой, а сам микроконтроллер для обработки показаний с датчиков гироскопа/акселерометра и распознавания голосовых команд с микрофона.

Датчик спуска (курка) решено было реализовать в виде внешнего модуля на трех проводах с подключением через разъем наушников MiniJack. В идеале датчик спуска должен крепиться на спусковую скобу, не мешая производить выстрелы, и фиксировать пересечение спусковым крючком луча оптопары.

На практике же по странной причине вначале была сделана версия с компаратором на плате устройства и цифровым сигналом на входном пине микроконтроллера, но быстро было решено упростить в пользу прямого подключения выводного пина для сигнала питания датчика и аналогового входного пина для получения выходного сигнала с оптопары. При считывании сигнала с АЦП гораздо проще программно подстраивать пороговые значения срабатывания для разных курков и вариантов крепления, а также в будущем открывается простор для поддержки других реализаций датчика, например, резистивных или электромагнитных.

Питание в навесном устройстве также оказалось задачей не с самым очевидным решением.

Время автономной работы должно быть сравнимо с базой, при этом достаточно иметь одну шину питания со стабильными 3.3В. С учетом наличия мощного зеленого лазера и прожорливого при беспроводной работе ESP32, стабилизатор должен выдавать ток хотя бы до 750мА.

Здесь напрашивается несколько вариантов. Первый и самый простой использовать стабилизатор на 3.3В (тот же AMS1117) и работать с аккумулятором в верхней половине заряда. Другими словами, заведомо использовать более мощный аккумулятор, но разряжать его не ниже допустимого для стабилизатора минимального напряжения. Второй вариант использовать buck&boost преобразователь, способный выдавать стабильные 3.3В как при большем, так и меньшем входном напряжении классно и удобно. Но на практике этот вариант оказался дорогим в реализации, такие чипы сложно найти в наличии и они бьют по цене устройства. И третье решение в лоб использовать дешевый повышающий преобразователь на 5В и после него понижающий стабилизатор на 3.3В.

Пока мы решили остановиться на первом варианте, хотим провести ряд экспериментов и замеров, чтобы сравнить разницу эффективности первого варианта с неиспользованием части емкости аккумулятора и третьего варианта с потерями в лишнем стабилизаторе.

Включение и выключение устройств

Следующим моментом, непосредственно влияющим на автономность устройства, оказалось управление питанием, а именно, как будет реализовано включение, выключение и спящий режим.

Наличие в схеме устройств нескольких шин питания и преобразователей напряжения ставит под вопрос использование спящего режима, так как такой подход требует отключения простаивающей нагрузки при сохранении основного питания микроконтроллера. При этом устройства в выключенном или спящем режиме не должны терять возможность зарядки аккумулятора.

В базе Гуся выключение было решено реализовать максимально просто добавлением тумблера в разрыв проводника между самодостаточным модулем зарядки TP4056 и повышающим преобразователем на материнской плате устройства. В результате тумблер отключает от батареи всю внешнюю нагрузку вместе с основным питанием микроконтроллера, который имеет RTC модуль с подключенной часовой батарейкой на плате.

В насадке-контроллере Гуся подобный тумблер применять было бы не эстетично. Здесь напрашивается всего одна тактовая кнопка и для управления питанием, и для управления устройством во время работы. Было решено спроектировать схему на транзисторе, которая будет одновременно выполнять несколько функций:

• удерживание кнопки при выключенном устройстве включает;

• включенный микроконтроллер состоянием пина управляет ключевым режимом транзистора на линии питания;

• кнопка при включенном устройстве работает как тактовая, подключенная к входному пину микроконтроллера;

• длительное удерживание кнопки при включении устройства вводит прошивку в режим обновления;

• нажатие на дополнительную копку принудительно отключает питание, переводя транзистор в закрытый режим.

Данная схема реализована пока только в теории, хотя и проверена на симуляторе, но планируется ее применить в следующей версии платы насадки-контроллера. Возможно, сообщество Хабра подкинет хорошие идеи или поможет обнаружить незамеченные косяки.

Пока же, реализованная в текущей версии схема не предусматривает отключение питания, а только управляет глубоким спящим режимом контроллера по тактовой кнопке, оставляя стабилизатор и нагрузку подключенными.

Калибровка лазера

Отдельной интересной задачей было сделать механику калибровки лазера у насадки-контроллера по прицельным приспособлениям оружия. Настройку изначально было решено сделать механической при помощи винтов, как это сделано у подавляющего большинства лазерных целеуказателей. Оставался вопрос как бы всё это разместить, не раздувая корпус.

В результате пары дискуссий и нескольких визуальных умозаключений был найден, как в таких случаях чаще всего бывает, самый простой и одновременно самый подходящий вариант. Механизм включает всего одну петлю из тонкой пружинной проволоки для давления по двум осям и пару регулирующих винтов со втулками, скрыто вмонтированными в корпус. Устойчивость и стабильность конструкции достигается мягкой опорой, полученной литьём силикона в форму.

Лабораторная птица

Гусь амбициозен, но молод и скромен. Многому ещё Гусю нужно научиться и набраться опыта, сменить оперение и вырасти на потеху всем охотникам и стрелкам. На волю Гусю хочется, но пока в лаборатории ему теплее и комфортнее.

Таких Гусей будет мало, самые первые самые ценные, уникальные. Понаблюдаем за ними, потренируем, и в тираж полетит птица вольная. А пока ограничимся главным.

Являясь новичками в схемотехнике и занимаясь проектом на пару, как говорится, в свободное от основной работы время и с финансированием из кармана, мы, тем не менее, непременно движемся по запланированному пути к заявленной цели создать лабораторную версию устройства и вывести ее на рынок для апробации.

Мы не называем Гуся прототипом. На текущем этапе разработки мы запланировали создать полностью рабочее решение, но с ограниченной функциональностью и ограниченным тиражом, которое как прототип реализует все технические задумки, а как готовое устройство позволит пользователям играть и тренироваться, на практике испробовать новый подход к тренировкам, обрисовать улучшения для будущих версий.

На текущем этапе мы реализовали все основные технические решения, некоторые из которых еще стоит доработать. Полностью разработали дизайн корпусов, подготовили модели для 3D печати и литья. Мы подобрали комплектующие и воспроизвели почти весь цикл производства устройства своими силами в условиях "гаража", собрали первый рабочий экземпляр, вместе с которым вскоре шагнём на следующий этап выход на рынок. Но в этом нам потребуется помощь, заинтересованность потенциальных пользователей и вовлечённость специалистов.

Гусь в Facebook, VK, Intagram, Telegram.

Итак - желтый прямоугольник, ограниченный штрихпунктирной линией и есть сам контроллер резервного питания.

Контроллер работает совместно с тремя внешними модулями:

• сетевым источником питания 220 VAC в 24 VDC

• инвертором 24 VDC в 220 VAC

• аккумуляторной батареей 24 В

В момент отключения сетевого напряжения или понижения ниже предельного значения контроллер переключает потребителей на питание от аккумулятора и инвертора.
Переключение 24 В происходит без провалов напряжения, переключение 220 происходит с задержкой равной времени переключения реле.

Преимущества

Такая архитектура обеспечивает гибкость, масштабируемость и оптимальную стоимость.
- Гибкость выражается в цифровом управлении и возможности выбирать источник питания, инвертер и аккумулятор из широкого ассортимента представленного на рынке без привязки к конкретным производителям и продавцам. Это довольно актуально с современной турбулентностью поставок и при мелкосерийном производстве.
- Масштабируемость определяет возможность варьировать в широких пределах мощность источника питания, инвертера и емкость аккумулятора.
- Оптимальная стоимость. На рынке можно найти предложения по созданию аналогичной архитектуры на более раздробленных дискретных модулях или вовсе на нескольких автономных UPS-ах. Но чтобы добиться встраиваемости в системы потребителей по габаритам и с полным контролем со стороны систем управления потребителей понадобится еще много дополнительных средств. Обратная связь от потребителей в данной схеме позволяет не устанавливать избыточные резервные мощности, и сэкономить на емкости аккумулятора и мощности инвертора.

Применение

Применить такой контроллер можно в промышленных и бытовых устройствах и агрегатах, подъемниках, лифтах, автоматических воротах, кранах, автоматических дверях, системах домашней автоматизации и т.д.
Контроллер способен работать и как простой зарядник аккумуляторов емкостью до 30 А*ч, как измеритель параметров электросети, измеритель КПД инвертеров, как источник питания с регулируемым напряжением, током до 10 А и защитой от перегрузок и т.д.

Принцип работы

Особенностью архитектуры данного контроллера является его тесная связь с потребителями.
Для того чтобы не превысить предельно допустимую мощность источника питания и инвертера и не спровоцировать проседания выходных напряжений контроллер получает от потребителей информацию о планируемом подключении нагрузок и сообщает потребителям о текущем состоянии сетевого напряжения. Таким образом потребители не будут пытаться получить недоступную мощность или предпринимать действия способные быстро и непрогнозируемо привести к исчерпанию аккумулятора. Связь потребителей с контроллером осуществляется через один из цифровых интерфейсов : CAN, RS485, USB.

При наличии сетевого напряжения контроллер пропускает напряжение 24 В от внешнего источника питания к потребителям через управляемый ключ 1 (см. структурную схему) и напряжение 220 В через реле Р1. Ключ 1 работает одновременно также как ограничитель входного напряжения, ограничитель тока, защита от переполюсовки и идеальный диод. Ключ 1 не дает проникать обратному току на источник питания в случае отключения сетевого напряжения. Может показаться, что это излишняя мера, но некоторые промышленные источники питания MEAN WELL не включаются, когда на их входе уже присутствует напряжение. Одновременно с подачей тока потребителям контроллер заряжает аккумулятор (если аккумулятор этого требует). При этом ток заряда аккумулятора балансируется с током уходящим потребителям так чтобы не превысить допустимый ток источника питания.
Цифровое управление и повышающее/понижающий (Buck-Boost) преобразователь зарядника позволяют точно учитывать степень заряда и разряда аккумулятора и выбирать правильные профили заряда в зависимости от состояния аккумулятора.

При отсутствии сетевого напряжения контроллер пропускает через ключ 2 напряжение 24 В потребителям от аккумулятора. Напряжение при этом может варьироваться от 27 В (полностью заряженный) до 20 В (полностью разряженный). Потребители должны быть готовы работать в таком диапазоне, что обычно не представляет проблемы. Напряжение 220 В подается через реле Р2 от внешнего инвертера. Сам инвертер питается от аккумулятора через ключ 3. Инвертер может поддерживаться как в горячем резерве так и быть отключенным (что более экономично). Однако из выключенного состояния инвертеры обычно выходят несколько секунд и это затягивает переключение.

Основные характеристики

• максимальный коммутируемый переменный ток напряжения 200 В - 35A

• максимальный коммутируемый постоянный ток напряжения 24 В - 15 А

• максимальный ток на входе инвертера - 50 А

• максимальный ток заряда аккумулятора при наличии радиатора - 10 А

• максимальный ток заряда аккумулятора без радиатора - 4 А

• тип аккумулятора - cвинцово-кислотная батарея 24 B

• тип микроконтроллера - MKE18F512VLL16 (ARM Cortex-M4F, 32-Bit, 168MHz, 512KB (512K x 8) FLASH, 64 KB SRAM, -40C ~ 105C)

• Цифровые интерфейсы: CAN гальвано-изолированный, RS485 гальвано-изолированный, USB 2.0 Full Speed VCOM

• Два гальвано-изолированных цифровых выхода

• Дисплей с энкодерным управлением

• Встроенные измерители токов, напряжений, мощностей и прочего по входным и выходным линиям 220 и 24 В.

• Утечка тока аккумулятора в отключённом состоянии не более 200 мкА

• Все основания рассчитывать что на половине заявленных максимальных токов плата способна будет длительно работать без радиаторов при условии свободной конвекции.

Схема

Структурная схема

Особенности схемы

Зарядник аккумулятора выполнен на регулируемом DCDC преобразователе U23 серии LTC3789.
Выходное напряжение преобразователя задается микросхемой U24 DAC80501 управляемой по интерфейсу I2C. DAC80501 преобразует 16-и битный код в выходное напряжение в диапазоне от 0 до 1.25 В. Резистивный делитель на R94, R96, R100 смешивает напряжение от U24 и выходное напряжение DCDC преобразователя чтобы получить опорное напряжение VFB, для микросхемы LTC3789 оно должно равняться 0.8 В. DCDC преобразователь работает так чтобы напряжение VFB всегда оставалось равным 0.8 В, когда микросхема U24 меняет свое выходное напряжение.
Таким образом DCDC преобразователь способен регулировать свое напряжение от 1.65 В до 31.9 В.
Для расчета схем на базе LTC3789 и подобных существует специальная программа - LTpowerCAD
Вид окна программы для рассматриваемого преобразователя показан ниже:

В целом программа показывает более оптимистичные результаты чем есть в реальности, особенно на малых мощностях. В частности недооценивается влияние паразитных элементов трассировки.
Даже упрощенная модель в программе LTpowerCAD не дает однозначного ответа по оптимальному выбору компонентов, поскольку при разных режимах и комбинациях входных и выходных напряжений и токов значительно меняется вклад разных элементов в нагрев схемы. Т.е. программа не выполняет глобальной оптимизации по всему диапазону рабочих режимов. И приведенная схема была в основном оптимизирована для случая выходного напряжения в 32 В и выходного тока 10А, т.е. самого тяжелого режима при зарядке 24В аккумулятора.
На КПД преобразователя также влияет состояние сигнала DCDC_MODE. Как показала практика в состоянии лог. 0 (forced continuous mode ) катушка индуктивности L5 меньше нагревается чем когда на DCDC_MODE присутствует лог. 1 (pulse-skipping mode)
Сигнал EN_CHARGER в состоянии лог. 0 запрещает работу преобразователя. В выключенном состоянии преобразователь не пропускает напряжение с выхода на вход.

Ключ источника питания SW1. Выполнен на микросхеме U20 LTC4364. Через этот ключ проходит ток от источника питания к потребителям. Когда происходит переключение от питания от аккумулятора этот ключ выключается микроконтроллером.

Ключ кроме непосредственно коммутации выполняет еще несколько защитных функций:
- работает как идеальный диод от входа к выходу,
- выполняет защиту от перегрузок по току,
- защищает выходную цепь от перенапряжений на входе (отключается при перенапряжении) ,
- не пропускает в систему слишком низкое напряжение от источника питания,
- ограничивает броски тока при включении,
- обеспечивает плавное нарастание выходного напряжения,
- предохраняет схему от переполюсовки на входе.
При этом о своих аварийных состояниях ключ сообщает сигналом PIDS_FAULT.
Сигналом PIDS_SHDN в высоком состоянии ключ выключается. Если схема обесточена, то при включении источника питания будет находиться в открытом состоянии.

В промышленных системах столько защит не является лишним. Особенно когда работать приходится в окружении электроники сомнительного качества и надежности.

Ключ аккумулятора SW2. Выполнен на микросхеме U21 LTC4364.

Назначение этого ключа в том чтобы пропустить ток от аккумулятора к потребителям в режиме работы резервного питания. Транзистором Q9 задается два разных уровня выходного напряжения.
При уровне 0 сигнала AIDS_FBC ключ начинает пропускать ток от аккумулятора в систему (т.е. потребителям) только если напряжение в системе упадет ниже 22.9 В (т.е. внешний источник питания не будет способен удержать свое номинальное напряжение)
При уровне 1 сигнала AIDS_FBC ключ пропустит ток если в системе напряжение будет ниже 26.3 В.
Это необходимо когда в систему включается полностью заряженный аккумулятор с напряжением до 32 В чтобы транзисторы ключа не перегрелись из-за слишком большого падения напряжения на них.
Поскольку ключ еще и выполняет функции идеального диода, то ток из системы в аккумулятор через него не проходит.
В обесточенном состоянии и подключении только аккумулятора ключ останется закрытым. Таким образом систему нельзя включить от аккумулятора не подав предварительно напряжение от внешнего источника питания.

Ключ питания инвертора SW3. Выполнен на микросхеме U14 LTC4368.

Этот ключ включает питание на инвертор. Для быстрого переключения на резервное питание инвертор желательно держать включенным. Однако инверторы потребляют значительный ток. Например инвертор MEAN WELL TS-1500-224 мощностью 1.5 КВт

на холостом ходу потребляет более 1 А. После аварийной перегрузки такой инвертер не включится вновь пока на с него не снимут напряжение ( если не пользоваться его интерфейсом управления). В таком случае ключ помогает избавиться от лишнего потребления тока и упростить восстановление после перегрузок, хотя и ценой некоторой инерционности.
Ключ защищает аккумулятор от слишком больших токов. В данной схеме защита должна срабатывать при токе превышающем 50 А, на самом деле будет меньше, тут критически важна трассировка.

Высоковольтная часть. В высоковольтной части коммутация производится с помощью реле K1 и K2 типа AHES4292. Не самый быстрый и надежный способ коммутации, но дело в том что схема предназначена для коммутации самых разнообразных нагрузок и напряжений, в частности для коммутации межфазных напряжений в 3-х фазных сетях (тогда ставятся еще вспомогательные внешние 3-х фазные контакторы). Реле относятся к типу реле безопасности и на схеме они взаимно блокированные. Принято считать что по такой схеме реле такого типа ни при каких обстоятельствах не смогут включиться одновременно, даже когда одно из них залипнет. Значит сетевое напряжение никогда не сможет проникнуть на выход инвертора и погубить его.
Залипание реле контролируется измерителями напряжения на резистивных делителях R51, R52 и R53, R54

Мониторы мощности. Реализованы на микросхемах U15 и U17 типа ACS37800KMACTR-030B3-SPI.
Микросхемы способны измерять переменный ток, напряжение, мощность, действующие их значения, средние от действующих значений за заданное время, способны измерять действующее как по переходу через ноль так и действующее значение постоянных токов. Каждая из микросхем отдельно гальвано-изолирована и может выполнять точные измерения не беспокоясь о способе реализации заземления и зануления источников напряжения и даже измерять при межфазном подключении. Микросхемы измеряют ток амплитудой до 30А.
Считывание данных производится по интерфейсу SPI. На каждую микросхему идет отдельный интерфейс SPI поскольку они не могут совместно работать на одном общем интерфейсе.

Измерители токов и напряжений. Как пример приведен фрагмент схемы ниже -

U22 и U13 здесь измеряют ток. Микросхемы INA240A1 хорошо подходят для условий измерений с большими синфазными помехами. Они двунаправленные. Средняя точка для них формируется общей для всех прецизионной мало-шумящей схемой на операционном усилителе U26 THS4281DBVR. Кроме того INA240A1 достаточно хорошо согласуются в входами АЦП микроконтроллеров.
Микросхема U27 на схеме выполняет роль дифференциального усилителя напряжения для измерения напряжения аккумулятора. Дифференциальный усилитель применен здесь для того чтобы минимизировать ток потребляемый от аккумулятора, когда система обесточена, также дифференциальный усилитель как ни странно упрощает трассировку платы в отношении топологии аналоговых и цифровых земель.

Элементы управления. Для управления платой в первую очередь предназначены коммуникационные интерфейсы, но предусмотрено также и непосредственное ручное управление и настройка. Для этого введен в схему ручной механический энкодер SW1 с двухцветной подсветкой и нажатием PEL12D-4225S-S2024.

Для отображения информации есть OLED дисплей ER-OLED015-2W. Монохромный, 128x64 точки, управляется по интерфейсу SPI. Немного усложненная схема

объясняется тем что дисплею для работы нужно повышенное напряжение 12 В. Ключ питания U34 здесь добавлен скорее для страховки ввиду неопределенности поведения в даташите на дисплей в случае пониженного уровня VCC.

Микроконтроллер MKE18F512VLL16 будет работать на частоте 120 МГц. Его внутренней RAM размером в 64 кБ должно хватить для операционной системы реального времени чтобы управлять несколькими автономными задачами: GUI, измерений, контроля, связи.

Что стоит помнить.
Как и программное обеспечение такие схемы подвергаются постоянному рефакторингу - меняются названия сигналов, заменяются микросхемы на другие, меняются дискретные компоненты, исправляются грубые ошибки и т.д. Изменения происходят постоянно и даже на этапе эксплуатации изделия. Эта схема прошла уже 3-и итерации с очень существенными изменениями.
Самый страшный враг схемотехника промышленных изделий - желание экономить на компонентах, пытаться снизить себестоимость отказываясь от тех или иных защитных средств: супрессоров, гальвано-изоляции, разделения земель, лимитеров и т.д.
Пример: можно не ставить супрессор на входе к которому подключается внешний источник питания. Казалось бы логично, ведь источник питания и так имеет многочисленную защиту на своем выходе. Но на производстве нередко включенный источник подключают к не запитанной плате. При достаточно длинных проводах и мощном источнике на входе платы в момент непосредственно коммутации и сопровождающего ее дребезга возникают резонансные явления приводящие к перенапряжениям и выходу из строя полупроводниковых ключей на плате.
Отловить такой баг уже отдав устройство в эксплуатацию можно лишь по факту массового обращения недовольных потребителей.

Далее предстоит плату страссировать, спаять, написать программу.
Трассировкой предполагается заняться в следующей статье.

Добрый день друзья. Сегодня я хотел-бы рассказать вам про датчик филамента PAT9125, а так-же про мой опыт общения с ним.

PAT9125 это оптический датчик который применяется на 3d принтерах Prusa. Этот датчик может отслеживать не только момент окончания филамента но и момент его застревания. Например если у вас возникла тепловая пробка.

Главная проблема датчика, его нельзя подключить напрямую к плате с Marlin. Поскольку Marlin поддерживает только подключение энкодера, а этот датчик должен быть подключен по интерфейсу I2C. Чтобы разрешить эту проблему я использовал attiny85 digispark. Датчик подключается к Attiny а уже Attiny в свою очередь эмулирует работу энкодера.

Настройка Marlin

В файле Configuration.h нужно раскомментировать параметр #define FILAMENT_RUNOUT_SENSOR . А вот параметр #define FIL_RUNOUT_PULLUP лучше закомментировать поскольку у нас ненастоящий енкодер то подтяжка attiny к линии питания будет только мешать работе.

Кроме того нужно раскомментировать параметр #define FILAMENT_RUNOUT_DISTANCE_MM это скажет Marlin что у нас не концевой выключатель, а энкодер. Значение параметра надо уменьшить по умолчанию там стоит 25мм. Чтоб вы понимали сколько это, принтер успеет уложить два слоя калибровочного куба воздухом прежде чем заметит что что-то не так. Я поставил там 5мм можно и меньше но тогда можно столкнутся с ложными срабатываниями.

В файле Configuration_adv.h нужно раскомментировать #define ADVANCED_PAUSE_FEATURE

В файле Pinout вашей платы надо задать пин к которому будет подключен датчик в параметре #define FIL_RUNOUT_PIN.

Особенности работы датчика

Во первых я очень надеялся что поскольку я использую прозрачную трубку для филамента то датчик можно будет одеть прямо на неё и он будет видеть только филамент. Но оказалось, что датчик прекрасно видит эту прозрачную трубку и мне пришлось делать в ней окно.

Следующая особенность касалась уже Attiny. Сначала я подключил принтер к пину P3 и Attiny просто не стала запускаться. То есть без подключения к принтеру все прекрасно работает, а стоит подключить Attiny не стартует. После этого я подключил принтер к пину P5, Attiny загрузилась но порт просто не работал на нем всегда был высокий потенциал, возможно у меня оказалась бракованная Attiny. Все заработало только когда я подключил принтер к пину P1, пин на котором располагается диод.

Также я хочу отметить что датчик отслеживает отдельно движение по оси X и по оси Y. В моем случае используется ось X, но если вы захотите расположить датчик по другому. Например расположить его перпендикулярно движению филамента, то надо в прошивке Attiny заменить ось X на Y.

Ну и датчик сильно подорожал за последние время. Я его покупал на распродаже 11.11 он стоил 500р, а сейчас он стоит 900р почти двукратное подорожание, видимо дефицит полупроводников сказался.

Вот так выглядит мой принтер с датчиком

Прошивка для Attiny https://github.com/Deema35/prusa_sensor_marlin2.0

Ссылка на корпус для датчика https://www.thingiverse.com/thing:4878669

В предыдущей статье, посвящённой моим попыткам погрузится в увлекательный мир программирования микроконтроллеров, я грозился сделать обзор на "обновку". К сожалению, мне сейчас не хватает навыков и времени чтобы сделать, что-то достойное полноценного обзора. Однако, я всё-таки решил подготовить забавы ради, короткую статью на тему игрушечного соревнования CANNY 3 TINY PRO и неоригинальной Arduino Nano. Соревноваться контроллеры будут в своеобразном аналоге перетягивания каната, на роль которого был выбран двухцветный светодиод марки BL-L2519EGW.

Итак в сегодняшнем материале мы подключим оба контроллера к светодиоду и будем подавать случайный сигнал на его выводы. Правила простые кто большее напряжение подаст у того и кристалл в светодиоде загорится ярче. Попутно мы воспользуемся ЦАП на контроллере CANNY и доработаем стандартный ГСЧ с помощью составного функционального блока.

В статье не будет сложной электроники или мудрёного программирования, так что она вполне подойдет новичкам.

Оглавление:

1. Введение

2. Схема

3. Программа

4. Заключение

Введение

Я намерено не буду разбирать технические характеристики нового (для меня) контроллера CANNY. Скажу только одну вещь. Несмотря на то, что они оба контроллера внешне чем-то похожи сравнивать их совершенно не уместно и мы этого делать не будем.

Для того, чтобы повторить "дуэль века" вам потребуется:

1. Двухцветный светодиод - я использовал BL-L2519EGW, но марка не особо критична.

2. Контроллер CANNY 3 TINY PRO именно у этого контроллера есть ЦАП, к тому же он самый доступный по цене в линейке контроллеров CANNY.

3. Совместимый с Arduino контроллер - я использовал неоригинальную Nano, но можно было и UNO.

4. Пара резисторов 100 Ом, - я не силен в электронике, но решил подстраховаться и использовать их как ограничители тока (может это и неверное решение). В любом случае думаю, что у контроллеров есть свои встроенные ограничители тока и схема может работать и без резисторов.

5. Соединительные провода и макетная плата.

Напомню цель. Мы хотим чтобы оба контроллера подавали на светодиод в течение короткого периода времени, случайное напряжение. В зависимости от уровня напряжения на выходах контроллера кристаллы внутри светодиода будут светится с разной интенсивностью, или не будут вовсе, в случае ничьей.

Предвосхищая некоторую критику, сразу скажу, что само собой раз контролеры Кэнни стоят в "Дакаровских" Камазах, наверное и CANNY 3 TINY PRO явно предназначен для чего-то большего, чем просто моргать светодиодом. Собственно Arduino Nano тоже может намного больше. Просто я ничего сложнее в этот раз собрать не смог, а поделится впечатлением хотелось.

Ну и на всякий случай остальные статьи цикла размещу под спойлером.

Схема

Питать контроллеры мы будем через USB-порты, поскольку оба контроллера имеют USB-VCP мы при необходимости сможем еще и передавать данные. Но в принципе контроллеры можно питать и от двух USB зарядных устройств, схема всё равно будет работать.

Первым делом объединим "Землю" у двух контроллеров соединив выводы "GND".

Затем, от каждого из контроллеров "подведем" к светодиоду выводы от канала ЦАП.
У Arduino - "D5", у CANNY - "C2" (это единственный выход с ЦАП).
В нашем случае светодиод имеет два вывода и работает он примерно так: если на левой ноге напряжение больше, чем на правой то загорается красный кристалл. Чем больше разница потенциалов, тем ярче он загорится. И наоборот, если на правой ноге напряжение больше, чем на левой, то загорится зеленый. При примерном равенстве потенциалов светодиод вообще не будет светится.

Мы будем "перетягивать канат" 2.5 секунды, нам важно, чтобы контроллеры подали сигнал более-менее синхронно. Для этого (а также для нашей тренировки) контроллеры подадут друг другу сигналы. Выход "D7" Arduino подаст логическую единицу на вход "C6" CANNY. В свою очередь, CANNY с выхода "C4" подаст логическую единицу на вход "D3" Arduino. В программе каждого из контроллеров предусмотрим проверку наличия сигнала, при успешном прохождении которой подается напряжение на светодиод.

Для того, чтобы узнать какое напряжение подали оба контроллера, мы с помощью АЦП CANNY померим напряжение поданное Arduino. Для этого подсоединим выход "C10" CANNY к резистору.

Кстати лично я очень рад что у Canny 3 TINY PRO для того, чтобы включить режим АЦП канала не нужно паять перемычку, как в случае с обычным CANNY 3 TINY.

В итоге должно получится примерно вот-так:

Я правда использовал специальные резисторы из набора, но в остальном схема как на картинке.

Ещё важно напомнить, что у кристаллов внутри светодиода немного разные электрические параметры, поэтому возможно, что будут светится одновременно оба кристалла, также возможны другие непредвиденные мелочи, которыми мы можем пренебречь.

Перейдем к программной части.

Программа

Обе программы можно скачать с GitHub.

Программа для Arduino очень простая, думаю нет смысле её комментировать:

/*Synhronized Randomize DAC.See more http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/561148/*/int ADC_pin = 5;int input_pin = 3;int output_pin = 7;int synch_signa = 0;int v_min = 10;int v_max = 2550;int synch_signal = 0;float rand_voltage = 0;// the setup function runs once when you press reset or power the boardvoid setup() {  pinMode(ADC_pin, OUTPUT);  pinMode(output_pin, OUTPUT);  digitalWrite(output_pin,HIGH);  pinMode(input_pin, INPUT);  Serial.begin(9600);}// the loop function runs over and over again forevervoid loop() {synch_signal = digitalRead(input_pin);      // read signal from another deviceif (synch_signal) { rand_voltage=random(v_min, v_max) / 10; analogWrite(ADC_pin, rand_voltage); Serial.println(rand_voltage);  delay(2500);   // wait for seconds}else{ delay(500);   // wait for seconds}                }

Программа для контроллера CANNY:

• При включении контроллер устанавливает на выходе "С4" логическую "1" для синхронизации с Arduino.

• Канал "C10" в режиме АЦП измеряет напряжение от Arduinio и с помощью функции MAP переводит его в удобный для чтения вид.

• ШИМ-генератор в сочетании с детектором переднего фронта раз в 2.5 секунды дают сигнал для записи случайного значения в канал "C2".

  • Значение при этом запишется, только если на входе "С6" есть логическая "1" от Arduino.

  • Значение напряжения для подачи на светодиод генерируется случайным образом. Поскольку у CANNY нет встроенного блока для сброса ГСЦ, "случайность" сигнала обеспечивается, сложением "истории" сигналов, поступивших от Arduino.

  • Для уменьшения количества элементов на основной диаграмме, реализация функции "Random" перенесена в одноименный составной блок (об этом чуть позже).

• Значения напряжений на выводах светодиода от обоих контроллеров передается в виртуальный COM-порт ПК. Данный порт мы можем мониторить в любой программе, например в Hterm, но я для простоты решил использовать Arduino IDE.

  • Чтобы не "заморачиваться" с лишними символами, напряжение контроллеров выводится без точки, например, "c=45" значит, что напряжение на выводе ЦАП CANNY = 4.5В, соответственно "a=27" значит, что на ЦАП выводе Arduino = 2.7В.

Рассмотрим составной блок "Random (min...max)":

В данном блоге мы используем встроенный ГСЧ и функцию MAP для того чтобы выводить не просто числа от 0 до 65000, а в нужном нам диапазоне. Данный блок можно использовать, как библиотечный элемент и повторно использовать в других схемах. Более подробно о том, как работать с составными функциональными блоками, я писал в этой статье.

Примечание: когда вы загружаете программу в один из контроллеров, второй лучше отсоединять от ПК.

Заключение

Если вы все собрали верно, то получится примерно такой результат:

Слева направо:

1. У контроллеров ничья, напряжение примерно равно.

2. CANNY немножко выигрывает.

3. CANNY ощутимо выигрывает.

4. Arduino ощутимо выигрывает.

Пример вывода данных из монитора COM-порта (несвязанный с картинкой выше):

Если честно изначально, я хотел сделать крестики-нолики на светодиодах, но потом понял, что для меня это тяжело, но, если кто-то вдруг сделает поделитесь пожалуйста ссылкой в комментариях.

Ну и еще под конец хочу сказать, что чертовски любопытно иногда погрузится в другую парадигму программирования. Я получил удовольствие, когда своими руками из функциональных блоков собрал простенький аналог функции "Random". Сейчас подумываю сделать еще несколько "библиотечных" элементов реализующих распространенные функции, которых порой не хватает среди готовых блоков CANNY и набросать об этом статью.

На этом всё. Надеюсь, что статья была для вас если уж не особо полезна, то хотя бы просто любопытна.

Вообще-то в блогах я обычно выступаю в роли фриковатого научного сотрудника, занудным голосом вещающего про какое-нибудь измерение параметров Стандартной Модели. Но сейчас я попробую совсем другой жанр. Короче говоря, в один прекрасный день я понял, что мне не хватает железного научного калькулятора. Пришлось делать самому.

Но зачем?

По работе (а я занимаюсь физикой элементарных частиц), кроме серьёзных вычислений, часто нужно делать какие-то прикидки на коленке, и калькулятор так или иначе приходится использовать. Долгое время я пользовался чем придётся чаще всего приложением на телефоне или питоновским интерпретатором. Но всё же удобно, когда на столе есть железяка, которая выполняет свою функцию, и выполняет её хорошо.Ну и на Facebook меньше поводов отвлекаться.

Калькуляторов у меня не было с окончания универа (последний был Citizen SRP-75). Как оказалось, дизайн их интерфейса с тех пор изменился неузнаваемо и топовые модели теперь скорее напоминают какую-нибудь Wolfram Mathematica. Ничего не имею против, но если мне надо посчитать действительно что-то сложное, гораздо удобнее это сделать на компьютере. В калькуляторе же мне хотелось бы иметь минимальный набор функций, которые мне нужны, без необходимости путешествовать по многоуровневым меню. И не иметь тех, которые точно не нужны, т. к. место на клавиатуре не резиновое.

Как оказалось, есть небольшая фирма SwissMicros, которая выпускает неплохие копии старых программируемых калькуляторов Hewlett Packard (HP) на основе современных ARM-процессоров и симулятора Free42 с открытым кодом. Но опять же, это не идеал есть некоторые функции (об этом ниже), которые мне пришлось бы программировать, а запускать программы это совсем не то же самое, что нажать на кнопку.

Вот примерно такая мотивация привела меня к решению сделать свой калькулятор (с трудом удерживаюсь от цитирования персонажа Футурамы). Хотя, честно, полностью рациональным такое решение назвать нельзя, и по большей части оно объясняется диагнозом руки чесались.

Для разнообразия я решил в кои-то веки сделать проект, который не выглядит слишком колхозно, которым реально можно пользоваться, и может быть даже не слишком прячась от коллег по работе. Хотя это и не первый раз, когда я делаю какую-то электронику, до сих пор я в основном возился с DIP-корпусами, макетками и синей изолентой, а тут сам бог велел сделать что-то посовременнее. Соответственно, я получил море новых впечатлений, разбираясь с многими вещами с нуля (программирование для ARM, пайка SMD, разработка в KiCAD и OpenSCAD, 3D-печать). Готовьтесь, сейчас я ими здесь поделюсь. Вдруг кому-то поможет, или кто из более опытных посоветует что-нибудь дельное.

Код, как и вся, с позволения сказать, документация выложены на GitHub. Да, код ужасен. Да, постараюсь исправиться :)

Концепция

Итак, будем делать научный, непрограммируемый, калькулятор, в который при желании можно добавлять новые функции. Как бывший член экипажа лунолёта Кон-Тики, я, конечно, обязан был сделать калькулятор с обратной бесскобочной (она же польская, она же RPN) логикой. Благо, её и программировать легче.Ещё одним преимуществом RPN поделился со мной пользователь с сайта Hackaday: такой калькулятор у вас вряд ли кто попросит попользоваться на время.

Итак, что хотелось мне иметь в идеале в своей машинке:

• Стандартный набор научных функций (тригонометрия, корни, степени, логарифмы, преобразование углов, систем координат и т.д.). Не уверен, чтобы я когда-то на трезвую голову пользовался гиперболическими функциями, поэтому шинусы и кошинусы идут лесом. Туда же отправляем и углы в градах градусов и радиан будет достаточно.

• Из того, что редко попадается в коммерческих калькуляторах некоторые функции для работы со случайными распределениями: erf(x) (бывает частенько, но обычно с доступом через меню) и обратная к ней erf^-1(x) (никогда не встречал), интеграл от распределения хи-квадрат для данного числа степеней свободы, распределение Пуассона. При этом мне не нужен статистический режим как таковой с вводом больших массивов данных для тяжёлой обработки данных у меня всё равно есть компьютер.

• Режим вычислений с ошибками (точнее, неопределённостями), хотя бы без учета корреляций. Такой режим есть в нескольких калькуляторах на Android, но в железных, насколько я знаю, такого нигде нет, а жаль.

• Некоторые очень специфические функции, в основном связанные с релятивистской кинематикой.

• Стандартные режимы отображения SCI (с мантиссой и порядком) и ENG (с порядком, кратным трём) и изменяемым количеством значащих цифр мантиссы (3-10). В режиме ENG, к тому же, можно для удобства сделать показ префиксов единиц СИ (m, k, M и т. д.).Диапазона double будет более чем достаточно. SwissMicros делает калькуляторы c quarduple precision (что ещё ждать от швейцарской-то фирмы?), но в нашей немудрёной науке, если в вычислении используется больше шести-семи значащих цифр с вычислением что-то не так.

• Обратная бесскобочная логика со стеком из 4 элементов (X,Y,Z,T) плюс регистр предыдущего результата (LASTx или X1) как у HP или Б3-34. Есть ещё вариант сделать бесконечный стек, как у старших моделей HP, но пока я ограничился более простым вариантом.

• Что бы самодельщик ни делал, получаются либо часы, либо погодная станция, поэтому я решил отказаться от любых функций, которые не относятся непосредственно к калькулятору. Часы у меня и на руке есть, а погодную станцию я уже собрал на Raspberry Pi. Единственный датчик, который есть в проекте напряжение питания батареи.

Электроника

В нашей машинке всё должно быть прекрасно, и экран, и клавиатура, и процессор. Вспомнив про SwissMicros, можно посмотреть, какие детали используют они, и попытаться сделать как минимум не хуже (благо любители их калькуляторы уже расковыряли).

С экраном вопросов нет это будет монохромный ЖКИ дисплей Sharp Memory LCD, как у SwissMicros DM42. Судя по многим отзывам, это практически идеальный дисплей с хорошей контрастностью, очень малой потребляемой мощностью, и управляется по последовательной шине SPI. В нашем случае это будет модуль LS027B7DH01размером 2.7 (размер изображения 60x40 мм) и разрешением 400x240 точек. С таким разрешением можно показывать все 4 регистра стека одновременно, да и для режима вычислений с ошибками это будет полезно.Модуль потребляет всего около 20 мкА от 5В в режиме показываю, но ничего не делаю.

Процессор, недолго думая, я тоже взял из DM42: STM32L476, правда, в корпусе LQFP64 (модификация STM32L476RG). В DM42 стоит тот же процессор в корпусе LQFP100 (100 пинов), но нам не нужны ни внешний Flash, ни SD-карта, так что 64 пина хватит за глаза. Процессор может работать на частоте до 80 МГц, есть 128 кБ оперативки и 1 МБ программного флеша ought to be enough for anybody. Ну и ещё много всяческого добра, которым мы по большей части не будем пользоваться.

С клавиатурой вопросов больше. Многие обозреватели жалуются, что у SwissMicros слишком жёсткая клавиатура, быстро кнопки нажимать неудобно, и вообще ничто не может сравниться с классикой HP. Попробуем найти что-то получше, чем купольные кнопки на DM42. Первые попавшиеся тактовые кнопки с AliExpress мне показались слишком тугими. Порывшись по каталогам, я нашёл самые мягкие и достаточно плоские из тех, которые можно заказать, не особо напрягаясь Panasonic EVQQ2B01W с усилием нажатия 50 г (при том, что обычные кнопки, которые продаются на каждом углу, обычно требуют усилие в 150-200 г).

Схема всего девайса элементарная и показана на рисунке выше. Собственно, кроме STM32 в стандартном подключении, клавиатурной матрицы и пары разъемов (один для ЖКИ, другой для программатора) там есть только преобразователь напряжения 3В в 5В для питания ЖКИ на очень экономном чипе TPS61222. STM запитан непосредственно от литиевой батарейки. Не знаю, хорошая ли это идея, или лучше было поставить стабилизированный преобразователь. Кварц для тактирования процессора решил не ставить (можно и встроенным RC генератором обойтись), но на всякий случай поставил часовой кварц.

Кстати, по поводу питания ЖКИ. То, что нарисовано сейчас на схеме, хоть и работает, но не совсем правильно. Как оказалось уже после того, как я развел и заказал плату, преобразователь TPS61222 не полностью отключает выходную цепь от питания при низком уровне сигнала 5V_EN, а только выключает сам преобразователь, оставляя на выходе 3В вместо пяти. Надо внимательнее читать даташиты! Попутно оказалось, что и от трех вольт ЖКИ прекрасно работает, и даже контрастность не страдает. Может быть, в следующей версии платы преобразователь можно просто выкинуть?

Рисовал схему и разводил плату в KiCAD. Почти все элементы там нашлись в стандартной библиотеке, кроме 10-пинового разъёма Molex с шагом 0.5 мм для ЖКИ, его пришлось нарисовать самому по образцу какого-то другого с другим шагом.

С лазерным утюгом я не дружу, поэтому плату заказал на одном из специализированных сайтов (в плате нет никаких тонкостей, так что любой дешёвый PCB-сервис должен с ней справиться). Дисплей Sharp и разная мелочь продаётся на AliExpress, а вот с покупкой процессора STM я, похоже, пал жертвой дефицита чипов. Три китайских продавца меня кинули (причём один сделал вид, что всё выслал, тянул две недели, после чего уверял, что посылку задержала таможня, а сам поднял цену на тот же чип раза в три). К счастью, в один прекрасный момент несколько сотен нужных чипов выбросили на сайте Mouser, из которых я и отхватил несколько штук. На том же Маузере я заказал и кнопки Panasonic, т.к. на Али практически все кнопки noname с непонятно какими характеристиками.

Несмотря на мой изначальный страх, пайка SMD пошла на удивление легко, даже разъём LCD и сам STM32 с ножками с шагом в 0.5 мм паяются без проблем. Оказалось, пора уже было забыть про натуральную сосновую канифоль и перейти на современную бездушную паяльную пасту. Немного больше тренировки потребовала пайка разной мелочи типоразмера 0603 (резисторы, конденсаторы).

Прошивка STM32

Как оказалось, найти информацию для того, чтобы начать программирование на STM32 с нуля, не так-то просто, похоже, из-за того, что альтернативных инструментов очень много, они быстро появляются и устаревают. Наверное, в конце концов лучше учиться писать на голом gcc, но для начала я хотел взять какой-нибудь IDE в стиле для чайников с визуальным конфигурированием процессора. В результате я использовал STM32Cube IDE. Я так и не смог добиться, чтобы он работал в Ubuntu, поэтому пришлось ставить ради него целую виртуальную машину с Windows 10.

Несколько слов о том, как работает прошивка. STM большую часть своего времени проводит в режиме STOP, в котором сохраняется вся память контроллера, разрешены внешние прерывания и прерывания по таймеру, но тактовый генератор остановлен. При этом все колонки клавиатурной матрицы установлены в ноль, а строки подтянуты к плюсу питания и сконфигурированы на внешнее прерывание по спаду сигнала. Когда одна из кнопок нажата, контроллер просыпается и начинает сканировать клавиатуру.

Функции для работы с дисплеем Sharp я писал сам по даташиту, и там всё оказалось очень просто. Система команд дисплея состоит, практически, из 2-х команд. Первая это очистка экрана. Вторая передача массива информации, который состоит из номера строки и 50 байт данных строки.Одна тонкость работы с дисплеем когда он включен, ему нужен постоянный внешний сигнал около 1 Гц для периодического изменения полярности электрического поля на ЖК-матрице. Этот сигнал генерируется по прерыванию от внутреннего таймера STM. При выключенном ЖКИ этот сигнал надо также выключать.

Собственно саму реализацию алгоритма работы калькулятора я сперва отладил на большом компьютере, написав заглушки для функций работы с клавиатурой и дисплеем. STM32L476 поддерживает полную математическую библиотеку gcc, более того, вычисления с плавающей точкой там реализованы в железе, так что всё работает очень быстро. Я понизил частоту работы процессора до 8 МГц, чтобы ограничить максимальный потребляемый ток (который тогда получается около 4 мА при полной нагрузке), при этом никаких видимых задержек при вычислениях не появляется. При меньшей частоте начинает заметно тормозить вывод на экран.

Для прошивки я купил один из китайских клонов программатора/отладчика ST-Link v2, которые продают где угодно за копейки. С ним вышла небольшая проблема: судя по всему, мой экземпляр не умеет делать connect under reset, из-за чего STM в состоянии спячки я программировать не могу. Пришлось предусмотреть в прошивке волшебное сочетание кнопок (Shift+RESET), при котором контроллер не уходит в STOP, а ждёт соединения с программатором. Неприятно, но не смертельно.

Вся прошивка занимает примерно 120 кБ программной памяти. При этом большую часть объёма составляют растровые экранные шрифты (размером от 6x8 до 24x40).

Корпус и клавиатура

Первоначальная наивная задумка была сделать корпус, фрезерованный из алюминия, так, чтоб на века. Но фрезерного станка у меня нет, а после изучения расценок на штучные детали на сайтах типа 3DHubs и Xometry планы пришлось подкорректировать и смотреть в сторону 3D-печати из пластика.Поскольку до этого я ничего, кроме кошечек по готовым чертежам, на своём 3D-принтере не печатал, заодно пришлось разобраться с софтом для 3D-дизайна.

Промаявшись несколько вечеров с глючным FreeCADом (не покупать же программы Autodesk за бешеные деньги), я понял, что гораздо легче написать программу, которая описывает геометрию детали, чем ползать мышкой по меню, поэтому перешёл на OpenSCAD. Хотя у него есть свои ограничения: например, в отличие от FreeCAD, в нём сложно делать фаски и скругления граней.На OpenSCAD дело пошло гораздо веселее.

Корпус состоит из двух частей, скрепляющихся простыми защёлками, без единого болта. Клавиатура представляет собой единую деталь в виде тонкой решётки, к которой за нижнее ребро прикреплены клавиши. После первой попытки изготовления клавиатуры оказалось, что клавиши с такой конструкцией срабатывают очень ненадёжно, в зависимости от того, на какую их часть нажать пальцем. Пришлось делать дополнительную деталь с толкателями, которые передают усилие с клавиши на шток кнопки. Возможно, если бы я заказал кнопки с более длинными штоками (в моих он выступает над поверхностью всего на 0.2 мм), такой проблемы бы не возникло.

Корпус получился не очень тонким (полная толщина 12.5 мм), хотя внутри он по большей части пустой. Всё из-за того, что гнездо для батарейки CR2032 довольно высокое (5.5 мм) и с этим сложно что-либо поделать. Для следующей версии надо будет изучить вопрос, существуют ли более тонкие держатели для CR2032, которые к тому же можно установить в вырез на печатной плате. Таким образом можно было бы сэкономить как минимум пару-тройку миллиметров толщины.

Не буду здесь долго описывать сагу про печать корпуса скажу только, что он получился лишь с четвёртой или пятой попытки, при этом пришлось тонко настраивать геометрию моего Ender 3 (перпендикулярность осей X и Y), иначе корпус вело винтом после соединения двух половин. Печатал пластиком PETG.

Надписи на кнопках и на корпусе я напечатал на тонкой матовой клеящейся плёнке для лазерных принтеров (чего только не существует в мире канцелярских товаров!). Кажется, эту идею я нашёл на каком-то форуме любителей самостоятельно делать наклейки для русификации клавиатур (да, такое тоже бывает). Сам PDF-файл с надписями и линиями отреза генерируется питоновским скриптом с использованием библиотеки matplotlib. А что ещё можно использовать для графики с обилием математических символов?Напечатанный текст держится на стикерах намертво, их можно даже мыть. Тот стикер, который на корпусе, за счёт большой площади прилип надёжно. К сожалению, стикеры на кнопках не очень прочно прилипают и неосторожным движением их можно отодрать. Впоследствии, возможно, их лучше будет покрыть сверху лаком, но пока надписи на клавиатуре не устаканились, и так сойдет. Минус такой технологии наклейки будут хорошо видны только на белом корпусе.

Результат

Калькулятор в его сегодняшнем состоянии показан на картинке. Большая часть кнопок пояснений не требует. Вот список тех, которые могут быть неочевидными:

• F, G клавиши shift. Пока в основном задействована только F. G нужна только для обратного направления преобразований (), (), а дальше будет использоваться для новых функций, если таковые появятся.

• Mode изменение режима отображения чисел (FIX, SCI, ENG).

• Uncr включение/выключение режима вычислений с неопределённостями (UNCERT).

• Prec переключение количества значащих цифр мантиссы (от 10 до 3 циклически, с F в обратную сторону).

• Drop, X<>Y, Rot работа со стеком. LASTx вызов результата предыдущей операции.

• DR переключение измерения углов между градусами и радианами, D<>R то же с преобразованием значения угла в регистре X.

• RP, PR перевод между декартовыми и полярными координатами.

• N(x), N(x-y) работают только в режиме неопределённостей, и выполняют, соответственно, вычисление стат. значимости значения в регистре X (значение, деленное на неопредёленность) и значимости разности значений в регистрах X и Y.

• (), (), p(zxy) те самые специфические функции, которые мало кому нужны: вычисление псевдобыстроты (pseudorapidity), релятивистского гамма-фактора, вычисление импульса в центре масс двухчастичного распада.

• /-/ обычное изменение знака числа в регистре X, а переключение между вводом значения и ошибки в режиме UNCERT.

Планы на будущее

В принципе, машинка уже сейчас вполне функциональная, но всегда можно что-то улучшить:

• Есть ещё резервы в плане уменьшения энергопотребления. Сейчас калькулятор расходует около 50 мкА в режиме со включенным дисплеем, и 40 мкА с выключенным. Как я уже говорил, полностью питание с дисплея сейчас не снимается, хотя надо бы это пофиксить. Кроме того, можно улучшить алгоритм опроса клавиатуры: сейчас, когда калькулятор включен и работает дисплей, процессор не засыпает, пока нажатая кнопка не отпущена, и потребляет при этом около 4 мА. Надо бы здесь тоже задействовать внешние прерывания и режим STOP.

• Функция сканирования клавиатуры понимает только одну нажатую кнопку за раз. Хотелось бы сделать режим two-key rollover, когда регистрируется кнопка, нажатая до того, как отпущена предыдущая, чтобы кнопки надёжнее срабатывали при быстром наборе.

• Как я уже писал выше, можно было бы сделать более тонкий корпус за счёт другого держателя батареи.

• Клавиатуре всё ещё далеко до HP и даже до Citizen. Кнопки нажимаются легко, но глубина нажатия всего 0.2 мм это не очень комфортно. Не знаю, можно ли сделать что-то сильно лучше в домашних условиях, не заказывая кастомную мембранную клавиатуру.

• Что хотелось бы из нового функционала. Более удобное отображение значений с неопределённостью, когда есть ненулевой порядок, в виде (10.1)e-10 вместо теперешнего 1e-10 1e-11. Больше регистров памяти (пока только один). Целочисленный режим с булевыми функциями и переводом между двоичной, десятичной и шестнадцатеричной системами. Новые функции по мере надобности (вычисление распределений Пуассона и хи-квадрат пока не сделал, но это дело техники).

По мере работы над проектом, я выкладываю новости в блог Hackaday.io.

P.S. Спасибо @Boomburumза приглашение и советы.

История инди-разработчика без бэкграунда, о том как упорно идти к мечте с 1 сентября 2016г. Я делаю фитнес-трекер для ударных видов спорта "Кикбрик". Гаджет превращает боксерский мешок в умный, добавляя возможности для тренировки. Тренировка скорости реакции, комбинаций ударов, темпа ударов на время, интервальные тренировки.

Деритесь в Подольске, заказывайте производство в Шеньжене!

Сколько проходит времени между твоим желанием ударить и самим ударом? Сколько ударов ты максимум можешь совершить за 1 минуту? Как долго ты сможешь держать темп один маваши в секунду? То, что нельзя измерить, нельзя улучшить!

При этом вопрос сколько ударов ты можешь сделать в 1 или в 5 минут может привести в ступор не только любителя. Так же как и время реакции, это показатели за которыми следят только в элитном спорте, хотя их прокачивание дает очень хорошие результаты за короткий срок.

Представляю Вам фитнес-трекер для ударных видов спорта. Гаджет подходит для измерения и тренировки скорости реакции, темпа ударов. Совершаем удар после получения сигнала, видим время нашей реакции, тренируемся для улучшения. Измеряем и увеличиваем количество ударов за определенное время. Режим Метронома для удержания темпа ударов. Режим тренировки комбинации ударов. "Кикбрик" показывает общее время Вашей тренировки, общее количество ударов.

Условно можно сказать, что начал разработку 1 сентября 2016г. Так выглядел первый прототип, собранный за 20 минут.

Затем с помощью ребят с GeekTimes мы сделали что-то более осмысленное и цельное, с красивым корпусом. Вся история достаточно растянута по времени, потому что я в процессе диалога с кем-то из спортсменов-ударников вспоминал рассказывал, видел их реакцию и замотивированный снова возвращался к Кикбрику.

Вторая версия была на дикретных платах, их было много, много контактов. Заказал в Резонит материнскую плату, собрал все элементы в один корпус. Капитан очевидность скажет: устройство, которое постоянно тресется и измеряет ускорение с большим количеством контантов живет непродолжительно и неустойчиво.

Следующая степень миниатюризации

Мы сделали проект в EasyEda и заказали прозводство и smd монтаж в jlcpcb. Идея была в том, что в центре всего приложение. Приложение это некая экосистема, где тренеры могут размещать свои видеоуроки по отработке определенных ударов и к ним программу тренировок с кикбрик. Гаджет в данном случае использовался для передачи сырых данных об ускорении и углах в приложение. Сама плата на TI CC2640 c BTLE.

Мы общими усилиями собрали приложение и устройство. Корпус напечатали.

Видео демонстрация для Хабиба. Мои первые слова на аварском.

В каком-то виде все работало, но было стоимость пресс-форм удручало, а до требуемой компактности было очень далеко. И тут мы нашли устройство, которой было очень похоже на то, что нам нужно, содержало на борту дисплей, динамик, кнопку, аккумулятор и ESP32, все в отличном корпусе за 3000 руб.

Были два элемента, которые нас не устраивали в самой плате, мы договорились с производителем о смене гироскопа на MPU6050 и смене ножек подключения. За изменение крепления с меня попросили еще $1200, это решил делать сам.

Прошивку и дизайн я разрабатывал сам. Использовал для графики LVGL.

В процессе тестирования оказалось, что автономное устройство без телефона в зале использовать удобнее, поэтому весь функцинал поместил внутрь, отказавшись от приложения.

Заказ опытной партии в 100шт в Шеньжень

Весь процесс производства разбивается на техпроцессы, документируется и ведется фотоотчет.

После изготовления PCB и автоматизированного SMD можнтажа идет этап монтажа навесных элементов.

В процессе изготовления несколько раз предусмотрены процессы тестирования устройств, чтобы не пришлось разбирать.

Загрузка тестового скрипта для проверки всей периферии.

Готовая плата с элементами размещается в корпус.

Готовые устройства складываются в боксы для дальнейшего тестирования и упаковки.

Процесс зарядки и финального тестирования.

В конце процесса упаковка в индивидуальные боксы и упаковка боксов в общую коробку.

Первая партия в 100шт.

Уже в России я дорабатываю крепление к груше. Возможно это паранойя, но я решил в первый раз не сообщать китайским коллегам зачем это устройство. Загружаю боевой скрипт, тестирую лично каждое устройство.

Устройство опробовали в секциях каратэ, бокса, кикбоксинга, муай тай, рукопашного боя, мма и тхэквондо. Гаджет отлично подходит для самостоятельной работы с мешком, мотивирует работать дольше и эффективнее. Профессионалы оценили тренировку скорости реакции и темпа. Начинающие и любители получают мотивацию работать с мешком дольше. Особенно в восторге от гаджета дети и подростки. Зарядки хватает на 3-4 тренировки. Есть аналоги датчики под бинты, которые стоят от 300$. Они не тренируют реакцию и темп. Не все используют бинты. Существуют умные груши, которые обладают меньшим функционалом, но стоят более 1200 долларов. Их неудобно заряжать, брать с собой в зал или домой.

Проблема сохранения результатов

Сейчас результаты отображаются пока Вы тренируетесь. В следующий раз посмотреть Ваш прогресс или прошлый результат нельзя. Так как на борту esp32 - то есть возможность отправлять данные по bluetooth или wifi для дальнейшего хранения и обработки либо на телефоне в приложении, либо сразу на сервер с общим рейтингом и личными кабинетами.

Если есть желающие помочь с разработкой на Flutter прошу написать мне сообщение. Отдельный вариант это синхронизация с уже существующими приложениями. Писал несколько раз в поддержку OctaZone, приложение Хабиба Нурмагомедова. Мне кажется это была бы идеальная коллаборация, но пока человека из Подольска никто не слышит. Если у Вас есть какая-то идея по синхронизации с уже существующими приложениями для тренировки - прошу сообщить.

С кикбрик можно сделать любой боксерский мешок умным. Для залов можно организовать общее табло с отображением онлайн рейтинга и показаний всех занимающихся в зале. Сейчас тестирую данное решение, оно основано на сервере на orangepi для сбора данных и отображении на экране.

Экономика

В итоге затраты на весь процесс разработки я вообще не учитываю, мне это было интересно и познавательно.

100 устройств с кастомизацией - 320.000 руб.

Доставка и таможенное оформление - 45.000 руб.

Печать и литье в силикон креплений - 5.000 руб.

Карабин, стрейч-лента - 2.000 руб.

Печать этикеток - 2.000 руб.

Затраты 3740 руб./устройство.

Если добавить к себестоимости планируемую прибыль в 1160 руб. - получаем стоимость устройства в 4.900 руб. Почему 1160? Чтобы получилась красивая цифра и именно столько стоят 2 похода в зал мне. Т.е., покупая, гаджет каждый еще и меня мотивировать будет.

Если Вы хотите принять участие в проекте, есть идея или хотите для себя приобрести гаджет, пишите мне в WhatsApp или Telegram+79267031561.

Продвижение

Продемонстрировал гаджет на мероприятии "Инновации в спортивной индустрии" на Красном Октября .

Я вступил в Московский инновационный кластер. Сейчас подал заявку на пилотирование с сетью клубов "Ударник".

Подал заявку на участие в ежегодном конкурсе инновационных проектов премии Мэра Новатор Москвы. Результаты ожидаем 25.05.2021

Вариантов продвижения я вижу несколько:

• продажа через свой сайт, реклама у тематических блогеров

• партнерство с известным спортсменом

• участие в защите кандидатской в институте физкультуры и спорта, чтобы была научная база

• выход на кикстартер

• продажа производителю спортивного оборудования

Есть ли у Вас идеи? Какие тренировки можно было бы ещё делать? Как продавать? Как позиционировать? Может есть знакомые, которые имеют опыт краудфандинга?

Введение

Привет Хабр. Наконец-то у меня появилось свободное время и я могу еще немного поделиться своим опытом, возможно кому-то это будет полезно, и поможет в его работе, и я этому буду безусловно рад. Ну что же,....

Смотря на то, как студенты делают свои курсовые, я стараюсь замечать моменты, которые вызывают у них затруднения. Одним из таких моментов является работа с внешним EEPROM. Это то место, где хранятся пользовательские настройки и другая полезная информация, которая не должна быть уничтожена после выключения питания. Самый простой пример - изменение единиц измерения. Пользователь жмет на кнопку и меняет единицы измерения. Ну или записывает коэффициенты калибровки через какой-нибудь внешний протокол, типа Модбаса.

Всякий раз, когда студент решает что-то сохранить в EEPROM, это выливается во множество багов, связанных как с неверно выбранной архитектурой, так и просто человеческим фактором. Собственно обычно студент лезет в интернет и находит что-то типа этого:

int address = 0;float val1 = 123.456f;byte val2 = 64;char name[10] = "Arduino";EEPROM.put(address, val1);address += sizeof(val1); //+4EEPROM.put(address, val2);address += sizeof(val2); //+1EEPROM.put(address, name);address += sizeof(name); //+10

Этот замечательный код лапшой разрастается по всему проекту, применяясь к месту и не совсем в каждом из 100 EEPROM параметров, имеющих разный тип, длину и адрес. Немудрено, что где-то да и допустит торопливый студент ошибку.

Кроме того, обычно студенты используют РТОС, а потому нужно понимать, что обращение к EEPROM из разных потоков может привести либо к фейлам, либо ко всяким там дедлокам. Поэтому если студент использует EEPROM, я вначале прошу нарисовать дизайн, чтобы показать как он собирается работать этой подсистемой.

Обычно все сводится к двум вариантам:

• Доступ к EEPROM только из одного места. Типа такой EepromManager , который запускается в отдельной задаче и проходится по списку кешеруемых EEPROM параметров и смотрит, было ли в них изменение, и если да, то пишет его в EEPROM.

  Тут очень большой и толстый плюс: Не нужно блокировать работу с EEPROM, все делается в одном месте.

  Но есть и минусы: обычно запись таких параметров происходит, когда пользователь что-то послал через внешний интерфейс, скажем Modbus протокол, ну типа он говорит, что я тут записал новые единицы измерения - Ок отвечает ему программа, я их закешировала, но на самом деле запись еще не прошла. Она пройдет позже, а ответить пользователю нужно прямо сейчас. И вот пользователь получает ответ, что все хорошо, новые единицы установлены, но вдруг во время отложенной записи происходит сбой и реальные единицы на самом деле не записались. В итоге устройство как бы обмануло пользователя. Понятно, что оно должно выставить ошибку и как-то об этом сообщить в своем статусе, но все же, пользователь уже немного с недоверием начинает смотреть на ваше устройство.

• Второй способ - пишем всегда сразу по месту.

  Плюс в том, что пользователь всегда получает достоверный ответ. Мы не задумываясь пишем параметр в EEPROM там где надо, и это выглядит просто.

  Но проблем от этого не меньше: так как мы можем писать хоть что, хоть откуда, хоть куда - скажем журнал ошибок из разных подсистем из разных задач, то придется задуматься о блокировке ресурса EEPROM.

  Кроме того возможно проблема с быстрыми протоколами, когда ответить нам нужно в течении ограниченного времени, скажем 5 мс, а те кто работал с EEPROM знают, что записывается там все постранично. Ну точнее, чтобы записать однобайтовый параметр, EEPROM, копирует целую страницу во свой буфер, меняет в этом буфере этот один несчастный байт, стирает страницу, и затем записывает буфер (ну т.е. всю страницу) и того на запись одной страницы сразу тратится от 5 до 10 мс, в зависимости от размера страницы.

Но в обоих этих способах, мы хотим, чтобы доступ к параметрам не был похож, на тот код с Ардуино, что я привел, а был простым и понятным, в идеале, чтобы было вообще так:

//Записываем 10.0F в EEPROM по адресу, где лежит myEEPROMData параметр myEEPROMData = 10.0F;

Но так мы делать не будем, потому что иногда нам понадобится по месту вернуть статус операции записи, вдруг EEPROM битая или проводки отпаялись. И посему мы будем делать, что-то похожее на это:

//Записываем в EEPROM строку из 5 символов по адресу параметра myStrDataauto returnStatus = myStrData.Set(tStr6{"Hello"}); if (!returnStatus){std::cout << "Ok"}//Записываем в EEPROM float параметр по адресу параметра myFloatDatareturnStatus = myFloatData.Set(37.2F); 

Ну что же приступим

Анализ требований и дизайн

Пока что не будем заморачиваться проблемой блокировок, постараемся сделать только удобный доступ к самим параметрам, а затем на основе этого уже можно будет модифицировать решение для любого использования.

Давайте поймем, что мы вообще хотим. Сформируем требования более детально:

• Каждая наша переменная(параметр) должна иметь уникальный адрес в EEPROM

  • Мы не хотим руками задавать этот адрес, он должен высчитываться сам, на этапе компиляции, потому что мы не хотим, чтобы студент нечаянно задал неверный адрес и сбил все настройки

• Мы не хотим постоянно лазить в EEPROM, когда пользователь хочет прочитать параметр

  • Обычно EEPROM подключается через I2C или SPI. Передача данных по этим интерфейсам тоже отнимает время, поэтому лучше кэшировать параметры в ОЗУ, и возвращать сразу копию из кеша.

• При инициализации параметра, если не удалось прочитать данные с EEPROM, мы должны вернуть какое-то значение по умолчанию.

• На плате могут быть несколько EEPROM, а может вообще и не EEPROM, а скажем второй процессор, где хранятся разные данные, поэтому мы должны предусмотреть, возможность того, чтобы параметр мог использовать заданный драйвер для записи и чтения в нужное место.

• Все должно быть дружелюбным простым и понятным :)

Давайте прикинем дизайн класса, который будет описывать такой параметр и удовлетворять нашим требованиям: Назовем класс CaсhedNvData

CachedNvData

Вообще все должно быть понятно из картинки, но на всякий случай:

При вызове метода Init() мы должны полезть в EEPROM и считать оттуда нужный параметр с нужного адреса.

Адрес будет высчитываться на этапе компиляции, пока эту магию пропустим. Прочитанное значение хранится в data, и как только кому-то понадобится, оно возвращается немедленно из копии в ОЗУ с помощью метода Get().

А при записи, мы уже будем работать с EEPROM через nvDriver. Можно подсунуть любой nvDriver, главное, чтобы у него были методы Set() и Get(). Вот например, такой драйвер подойдет.

NvDriver

Остался еще один штрих, придумать, как автоматически формировать адрес каждого параметра. Для того, чтобы адрес высчитывался автоматически, необходимо, чтобы все параметры для EEPROM были зарегистрированы в каком-нибудь списке. Тогда список может сам посчитать адрес параметра по его положению в списке и собственно вернуть его когда надо.

Например, если у нас есть 3 параметра:

//Длина параметра 6 байтconstexpr CachedNvData<NvVarList, tString6, myStrDefaultValue,  nvDriver> myStrData;//Длина параметра 4 байтаconstexpr CachedNvData<NvVarList, float, myFloatDataDefaultValue, nvDriver> myFloatData;//Длина параметра 4 байтconstexpr CachedNvData<NvVarList, std::uint32_t, myUint32DefaultValue,  nvDriver> myUint32Data; 

То когда мы сделаем какой-то такой список:

NvVarList<100U, myStrData, myFloatData, myUint32Data>

У нас бы у myStrData был бы адрес 100, у myFloatData - 106, а у myUint32Data - 110. Ну и соответственно список мог бы его вернуть для каждого из параметра.

Собственно нужно чтобы этому списку передавался начальный адрес, и список параметров в EEPROM. Также нужно чтобы у списка был метод GetAdress(), который возвращал бы адрес нужного параметра.

Идея этого метода в том, чтобы найти в списке тип равный типу самого параметра, и по номеру этого элемента автоматически рассчитать адрес. Важно, чтобы типы всех параметров были разные, это добивается тем, что ссылка на значение по умолчанию должна быть уникальная для каждого параметра.

Сделаем такой базовый класс, назовем его NvVarListBase:

NvVarListBase

В прицнипе то и все.

Код

А теперь самая простая часть - пишем код. Комментировать не буду, вроде бы и так понятно

CaсhedNvData

template<typename NvList, typename T, const T& defaultValue, const auto& nvDriver>class CaсhedNvData{  public:    ReturnCode Set(T value) const    {      //Ищем адрес EEPROM параметра в списке       constexpr auto address =                 NvList::template GetAddress<NvList,T,defaultValue,nvDriver>();      //Записываем новое значение в EEPROM      ReturnCode returnCode = nvDriver.Set(                                address,                                reinterpret_cast<const tNvData*>(&value), sizeof(T));      //Если значение записалось успешно, обновляем копию в ОЗУ      if (!returnCode)      {        memcpy((void*)&data, (void*)&value, sizeof(T));      }      return returnCode;    }    ReturnCode Init() const    {      constexpr auto address =                 NvList::template GetAddress<NvList,T,defaultValue,nvDriver>();      //Читаем значение из EEPROM      ReturnCode returnCode = nvDriver.Get(                                address,                                 reinterpret_cast<tNvData*>(&data), sizeof(T));      //Tесли значение не прочиталось из EEPROM, устанавливаем значение по умолчанию      if (returnCode)      {        data = defaultValue;      }      return returnCode;    }    T Get() const    {      return data;    }        using Type = T;  private:    inline static T data = defaultValue;};

template<const tNvAddress startAddress, const auto& ...nvVars>struct NvVarListBase{        template<typename NvList, typename T, const T& defaultValue, const auto& nvDriver>    constexpr static size_t GetAddress()    {       //Ищем EEPROM адрес параметра с типом       //CaсhedNvData<NvList, T, defaultValue, nvDriver>      using tQueriedType = CaсhedNvData<NvList, T, defaultValue, nvDriver>;                  return startAddress +             GetAddressOffset<tQueriedType>(NvVarListBase<startAddress,nvVars...>());    }      private:       template <typename QueriedType, const auto& arg, const auto&... args>       constexpr static size_t GetAddressOffset(NvVarListBase<startAddress, arg, args...>)   {    //Чтобы узнать тип первого аргумента в списке,     //создаем объект такого же типа как и первый аргумент    auto test = arg;    //если тип созданного объекта такой же как и искомый, то заканчиваем итерации    if constexpr (std::is_same<decltype(test), QueriedType>::value)    {        return  0U;    } else    {      //Иначе увеличиваем адрес на размер типа параметра и переходим к       //следующему параметру в списке.        return sizeof(typename decltype(test)::Type) +                 GetAddressOffset<QueriedType>(NvVarListBase<startAddress, args...>());    }  }    };

Использование

А теперь встанем не место студента и попробуем это все дело использовать.

Задаем начальные значения параметров:

using tString6 = std::array<char, 6U>;inline constexpr float myFloatDataDefaultValue = 10.0f;inline constexpr tString6 myStrDefaultValue = {"Habr "};inline constexpr std::uint32_t myUint32DefaultValue = 0x30313233;

Зададем сами параметры:

//поскольку список ссылается на параметры, а параметры на список. //Используем forward declarationstruct NvVarList;   constexpr NvDriver nvDriver;//Теперь можем использовать NvVarList в шаблоне EEPROM параметровconstexpr CaсhedNvData<NvVarList, float, myFloatDataDefaultValue, nvDriver> myFloatData;constexpr CaсhedNvData<NvVarList, tString6, myStrDefaultValue,  nvDriver> myStrData;constexpr CaсhedNvData<NvVarList, uint32_t, myUint32DefaultValue,  nvDriver> myUint32Data;

Теперь осталось определить сам список параметров. Важно, чтобы все EEPROM параметры были разных типов. Можно в принципе вставить статическую проверку на это в NvVarListBase, но не будем.

struct NvVarList : public NvVarListBase<0, myStrData, myFloatData, myUint32Data>{};

А теперь можем использовать наши параметры хоть где, очень просто и элементарно:

struct NvVarList;constexpr NvDriver nvDriver;using tString6 = std::array<char, 6U>;inline constexpr float myFloatDataDefaultValue = 10.0f;inline constexpr tString6 myStrDefaultValue = {"Habr "};inline constexpr uint32_t myUint32DefaultValue = 0x30313233;constexpr CaсhedNvData<NvVarList, float, myFloatDataDefaultValue, nvDriver> myFloatData;constexpr CaсhedNvData<NvVarList, tString6, myStrDefaultValue,  nvDriver> myStrData;constexpr CaсhedNvData<NvVarList, uint32_t, myUint32DefaultValue,  nvDriver> myUint32Data;struct NvVarList : public NvVarListBase<0, myStrData, myFloatData, myUint32Data>{};int main(){        myStrData.Init();    myFloatData.Init();    myUint32Data.Init()        myStrData.Get();    returnCode = myStrData.Set(tString6{"Hello"});    if (!returnCode)    {        std::cout << "Hello has been written" << std::endl;    }    myStrData.Get();    myFloatData.Set(37.2F);        myUint32Data.Set(0x30313233);        return 1;}

Можно передавать ссылку на них в любой класс, через конструктор или шаблон.

template<const auto& param>struct SuperSubsystem{  void SomeMethod()  {    std::cout << "SuperSubsystem read param" << param.Get() << std::endl;   }};int main(){    SuperSubsystem<myFloatData> superSystem;  superSystem.SomeMethod();}

Собственно и все. Теперь студенты могут работать с EEPROM более юзерфрендли и допускать меньше ошибок, ведь часть проверок за них сделает компилятор.

Ссылка на пример кода тут: https://godbolt.org/z/W5fPjh6ae

P.S Хотел еще рассказать про то, как можно реализовать драйвер работы с EEPROM через QSPI (студенты слишком долго понимали как он работает), но слишком разношерстный получался контекст, поэтому думаю описать это в другой статье, если конечно будет интересно.

• Часть 1 Основы передачи данных по линиям электропередач

• Часть 2 Основные блоки устройства (начало)

Во второй части статьи мы начали знакомиться с основными блоками устройства для передачи данных по PLC. Это будет заключительная часть статьи, которая касается описания железа.

Осталось разобраться, что такое ZC детектор, на примере одной из его возможных реализаций. Посмотрим, как можно реализовать входную и выходную сигнальные цепи, и как их подключить к сети 220 В.

В статье не рассматриваются какие-либо серьёзные темы в области PLC. Как и в первых двух частях, кратко описываются блоки устройства и их взаимодействие. Темы выстроены так, чтобы у новичка примерно выстроилась общая картина простейшего PLC устройства. Также повествование касается множества сложных тем, которые не раскрываются. Поэтому в конце постарался оставить побольше ссылок.

Zero cross детектор

Как говорилось ранее, передающие и принимающие устройства синхронизируются между собой с помощью отдельного блока zero cross детектора.

Передающее устройство, отправляет подготовленный кадр данных по одному биту за один синхросигнал из ZC детектора. Физически это значит, что за один синхросигнал из ZC детектора генерируется один полезный сигнал определённой частоты, которым кодируется один бит.

В электросетях с частотой 50 Гц, синусоида напряжения пересекает ноль 100 раз в секунду.

Есть несколько вариантов исполнения ZC детектора. Ниже я покажу пример реализации на оптопаре.

Начнём с конца схемы сначала представим, как сигнал с ZC детектора попадает на контроллер.

На картинке схема с подтягивающим pull-up резистором и ключом. При замыкании ключа, на вход МК будет подаваться логический 0, а при размыкании ключа, pull-up резистор будет подтягивать напряжение на входе МК до логической единицы.

На место ключа ставим оптрон. Оптрон (оптопара) это простой элемент, в котором с одной стороны светодиод, а с другой фототранзистор.

При подаче напряжения на светодиод, фототранзистор будет пропускать ток. Оптрон также служит гальванической развязкой между сетью 220 В и цифровой частью схемы.

Остается только подавать на светодиод переменное напряжение из сети 220 В, но перед этим его необходимо выпрямить и уменьшить до приемлемого уровня, который выдержит светодиод оптопары.

Для выпрямления можно использовать smd мостовой выпрямитель.

После выпрямления на фотодиод пойдёт пульсирующее с удвоенной частотой напряжение от 0 до 310 В. Разумеется диод не выдержит такого размаха напряжения, поэтому после мостового выпрямителя поставим сопротивление.

В datasheet на оптопару пишут максимальный ток, на который рассчитан фотодиод, исходя из этого нужно выбрать сопротивление с расчётом на 310 В. Чтобы резистор не перегрелся, можно вместо одного последовательно поставить несколько резисторов для эффективного отвода тепла (это особенно полезно если у вас SMD резисторы).

Из datasheet на PLC817

На примере PC817 видно, что максимальный ток, который выдержит светодиод - 50 мА. Максимальный коэффициент передачи при 20 мА. И "замыкать ключ" он будет уже и при >1 мА.

SMD резисторы типоразмера 1210 выдерживают рассеивание до 0.5 Вт мощности. Максимальный постоянный ток, который мы может пропускать при 310 вольт равен 0.5/310 = 0.00161 А. С учетом, того что у нас пульсирующее напряжение, округлим до 0.002 А (2 мА). Этого тока достаточно, чтобы "ключ замыкался". Номинал сопротивления при этом равен 310/0.002 = 155000 Ом. Итог: ставим последовательно три SMD резистора, типоразмером 1210, номиналом 51 кОм каждый.

В итоге, схема ZC детектора выглядит примерно так.

Теперь микроконтроллеры PLC устройств, подключенных к одной фазе могут синхронизироваться между собой с помощью сигнала на ножке "ZC input" из такого ZC детектора.

Схема согласования сигнальных цепей с линией 220 В

Схема согласования закрывает собой компоненты входной и выходной цепей. Входная и выходная сигнальные цепи обычно выполнены на микросхемах усилителях, которые питаются небольшим постоянным напряжением (3-12 В). Подключить их напрямую к 220 В не получится.

Из электросети должны проходить только высокочастотные сигналы. Основная гармоника 50 Гц, на которой передаётся электроэнергия, не должна попасть в сигнальные цепи устройства. Также в этой схеме обычно располагается защита от скачков напряжения и перегрузок.

Эта часть схемы принимает различный вид в разных datasheet на готовые PLC микросхемы. Опишем минимально работоспособный вариант.

Можно взять ферритовое кольцо типа 17,5x8,2x5 М2000Н, есть в любом магазине электроники. Провод МГТФ наматываем сразу 3 обмотки в 20 витков.

Конденсатор плёночный из серии MKP или любой аналогичный, который выдерживает от 220 В переменки (с запасом).

Для отсечения ненужных низкочастотных гармоник ставится конденсатор, который выдержит 220 В. После него, для гальванической развязки и также фильтрации, высокочастотный трансформатор. Трансформатор можно сделать с отдельными обмотками для входной и выходной цепей (как на изображениях) или использовать одну обмотку на "вход"/"выход".

Для защиты усилителей от импульсных перенапряжений можно поставить защитные диоды (супрессоры) и/или варисторы с предохранителем. Тема защиты устройства от электрических неприятностей довольно обширная, в этой статье не рассматривается. Но забывать про это не стоит.

Варианты схемы согласования можно подглядеть в готовых решениях различных фирм, выпускающих PLC микросхемы. Каждая схема согласования разрабатывается под входные/выходные усилители, используемые в этих решениях.

Входная цепь измерение полезного сигнала

Входная цепь должна выполнить как минимум две задачи:

• отфильтровать грубый входящий сигнал, срезав все лишнее;

• после этого усилить сигнал до приемлемого уровня, подходящего для измерения и оцифровки с помощью ЦАП микроконтроллера.

Фильтрация

Существует большое разнообразие вариантов исполнений фильтров. В нашем случае подойдёт простой пассивный полосовой фильтр. При узкополосной передаче можно грубо отсечь ненужные частоты сверху и снизу. Фильтр нужно рассчитываем так, чтобы наши рабочие частоты попадали по центру полосы пропускания и меньше всего срезались.

В самом простом случае можно особо не заморачиваться с фильтром, так как в линиях электропередач запросто могут быть шумы с частотами близкими к полезным. Нам просто нужно примерно совместить полосу пропускания фильтра с полезной полосой частот, срезав все сверху и снизу. Остальное можно решить программным путём.

Важно помнить, что элементы пассивного фильтра изготавливаются с большими погрешностями и характеристики сильно завязаны на температуру. Поэтому при расчетах нужно оставлять небольшой запас с учётом этих погрешностей и влияния температуры.

Усиление

У АЦП есть такая характеристика как разрешение. Оцифровка сигнала происходит с некоторой дискретностью. А после пассивной фильтрации входной сигнал заметно похудеет в амплитуде. И если подать на АЦП очень слабый сигнал, то его форма сильно исказится и потеряется большая часть информации о сигнале.

Амплитуду сигнала нужно поднять до приемлемой для измерений и оцифровки. В этом помогут операционные усилители (ОУ), которых на рынке огромное количество, и про которые написано тонны статей.

Самое сложное это выбрать подходящий ОУ по полосе пропускания и коэффициенту усиления. Выходная мощность ОУ в этом случае не важна, так как нам нужно лишь оцифровать форму сигнала.

Бывает, что одного ОУ не хватает для усиления сигнала до приемлемого уровня. В этом случае можно сразу после первого ОУ поставить второй по аналогичной схеме. В продаже есть микросхемы сразу с двумя ОУ в одном корпусе.

Ссылки на статьи про операционные усилители и их про каскадное подключение оставил в конце статьи.

Выходная цепь генерация полезного сигнала

Задача выходной цепи фильтровать и усиливать сигнал из ЦАП микроконтроллера.

Микроконтроллер по специальному алгоритму генерирует полезный сигнал, нужной длительности и частоты, соответствующей передаваемому символу. На выходе из ЦАП у нас получается просто болванка полезного сигнала, угловатая, примерно похожая на синусоиду, но (самое главное!) нужной нам частоты.

Далее сигнал сглаживается фильтром и отправляется в аналоговую часть схемы (усилитель и схема согласования с 220 В).

Можно подумать, что форма сигнала не особо важна при кодировании, так как преобразование Фурье всё равно может вычленить основную гармонику полезного сигнала, отбросив всё лишнее. Но чем сигнал ближе по форме к синусоиде, тем меньше энергии мы будем тратить в пустоту, просто добавляя высокочастотный шум в сеть. И выходной усилитель будет работать стабильнее. Как уже говорилось на входе важна лишь основная гармоника сигнала. Остальные гармоники это шум.

Так как мощности сигнала на выходе ЦАП микроконтроллера недостаточно для отправки его напрямую в линию электропередач, после ЦАП нам обязательно нужен внешний усилитель.

При выборе усилителя разбегаются глаза. Не буду рассказывать про всё многообразие, но подскажу вариант для ленивых, как я. Можно использовать одну из готовых микросхем для усиления аудио сигналов в аудиоплеерах. Мощность у них обычно не большая около 1W.

Гуглить их можно по фразе audio amplifier btl 1w. Но тут нужно учесть, что они обычно рассчитаны на аудио сигналы до 20 кГц, и производитель не рассчитывал, что их будут использовать в PLC модеме. Есть модели, которые хорошо усиливают частоты до 100-150 кГц, и обычно в datasheet об этом не пишут.

Плюсы:

• они очень удобны тем что там встроенная стабилизация сигнала;

• есть режим mute - мизерное потребление в режиме простоя;

• хватает однополярного питания не надо париться с блоком питания.

Минусы:

• во включенном состоянии из-за обратной связи съедают входящий сигнал, поэтому усилитель надо выключать, когда устройство в режиме прослушивания (приёма);

• большой минус это их незащищённость от импульсных помех в электросети. Сгорают мгновенно. Но от этого можно спастись, поставив на выходе усилителя супрессоры, что-то наподобие P4SMAJ5.0A или аналогичный.

Примерно так выглядит усиление с однополярным питанием.

Также нужно не забыть на выходе усилителя ставить конденсатор, чтобы отсечь постоянную составляющую сигнала.

Итого

Во второй и третей частях мы коротко пробежались по основным блокам простейшего PLC устройства, создали общую картину их взаимодействия. Так как затрагиваемых тем очень много и они дольно глубокие, подробнее осветить их в статье не получилось (да и я в них не специалист). Для более серьезного изучения есть специализированная литература. Но новичку иногда сложно понять в какую сторону копать. Поэтому конце оставил много ссылок на различные обзорные статьи по связанным темам.

В следующей части статьи планировал на примерах показать, как можно программно генерировать синус нужной частоты для ЦАП в STM32. И заодно как обработать приходящий на АЦП сигнал и выяснить наличие в нём нужных гармоник (частот) полезного сигнала.

Полезные ссылки

Общее:

• https://nag.ru/articles/article/24485/strasti-po-plc.html Интересная статья по истории PLC;

• https://cmi.to/разрешение-и-разрядность-ацп/ Про разрешение АЦП;

• https://ru.wikipedia.org/wiki/Частотная_манипуляция FSK модуляция;

• http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/312810/ - интересно, подробно про ЦАП в stm32;

• https://narodstream.ru/stm-urok-30-hal-dac-sinus-dma/ STM32, синус через DMA;

• http://www.electrosad.ru/Electronics/zaschita.htm Защита электронных схем.

Фильтры:

• https://www.ruselectronic.com/passive-filters/ Пассивные фильтры;

• https://www.ruselectronic.com/achh-and-fchh/ Про АЧХ и ФЧХ.

Операционные усилители:

• https://cxem.net/beginner/beginner96.php ОУ для начинающих;

• http://hardelectronics.ru/lm358.html Примеры одного дешевого ОУ;

• http://easyelectronics.ru/operacionnyj-usilitel.html ещё про ОУ

• http://zpostbox.ru/kaskadnoye_vklyucheniye_operatsionnykh_usiliteley.html Каскадное подключение ОУ.

ZC детекторы:

• https://cxemka.com/62-detektor-perehoda-cherez-nol-s-galvanicheskoi-razvjazkoi-i-bez-neyo.html - пример 1;

• https://radio-samodel.ru/detektor%20nulya.html - пример 2;

• http://radiopolyus.ru/radiolicbez/39-radiokonstruktoru/257-detektor-perexoda-cherez-nol - ещё пример;

Схемы согласования с 220 В в доках на PLC микросхемы:

• https://data.electronshik.ru/z/Datasheet/S/ST7540.pdf ST7540;

• http://old.angstrem.ru/netcat_files/229/254/kr1446xk1.pdf КР1446ХК1;

• https://www.electronshik.ru/catalog/interfeys-modemy-plc PLC микросхемы с datasheet, там много схем и характеристик.

Продолжим анализировать какие иностранные микросхемы используются в России на основании таможенной статистики. Как мы это делаем ? Из данных ФТС выбираем записи в которых указан номинал ввезенной микросхемы, и используя внутреннюю базу данных дополняем эту запись основными параметрами микросхемы, начиная от производителя, разрядностями, диапазонами питания и заканчивая типом корпуса, упаковки и так далее. В данной части посмотрим АЦП/ЦАП и микроконтроллеры.

АЦП/ЦАП

Все типы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей согласно нашей базе разбит на группы:
- АЦП - преобразователи аналогового сигнала в цифру;
- ЦАП - преобразователи цифры в аналоговый сигнал;
- совмещенные АЦП/ЦАП (обычно это разные аудио АЦП/ЦАП, но без кодеков, которые идут другой группой);
- Analog Front End (AFE) - схемы цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования (обычно используются для радиосвязи);
- цифровые потенциометры - схемы совмещающие датчик и АЦП/ЦАП используемые как датчики температуры.

Больше всего ввозится микросхем AFE - радиоприемопередатчики, но не имеющие в своем составе процесорных ядер - более 182К штук. Самым популярным АЦП является ADS1000A0IDBV. Самым популярным ЦАП - DAC6311IDCK. Самым популярным аудио АЦП/ЦАП - PCM5102APWR. Самый популярный RF приемопередатчик - CC1020RSSR. А самый популярный цифровой датчик - DS18B20+. Практически все от Texas Instruments.

Самыми маржинальными оказались Аудио АЦП/ЦАП - наверное любители звука готовы переплачивать не только за безкислородный медный кабель. Какие же фирмы лидируют на данном рынке?

Texas Instruments выпускает самые популярные микросхемы и поставляет больше всего аналого-цифровых микросхем.

АЦП

Самая популярная разрядность чистых АЦП - 12 бит

16 и более - это в основной сигма-дельта АЦП, которые точные, но обычно не очень быстрые. Какая же самая популярная частота выборки? По частоте преобразования для АЦП распределение выглядит следующим образом

Самый крутой АЦП, который официально ввезли в Россию - AD9208BBPZ-3000 (14 бит @ 3GSPS).

ЦАП

Распределение ЦАП по разрядности

Распределение скорости преобразования ЦАП

Микроконтроллеры

Из проанализированных примерно 1 млн микроконтроллеров - самые популярные в России микроконтроллеры от Микрочип (479К), STM(305К) и NXP (126К).

Самым популярным при этом является микроконтроллер STM8S003F3P6TR. Как это ни странно, но до сих пор 8-ми битные МК самые популярные. Но это скорее всего опять таки из за того, что таможня не видит все ввозимые микроконтроллеры.

Сколько памяти нужно для решения микроконтроллерных задач ?

По тактовым частотам работы микроконтроллеров следующее распределение

По числу выводов корпуса распределение следующее (к сожалению не для всех номиналов у нас были данные)

Итого

В результате среднестатистические АЦП и ЦАП на нашем рынке имеют разрядность 12 бит. Скорость преобразования АЦП на уровне 1 MSPS, а время преобразования ЦАП на уровне от 1KSPS до 100KSPS. Обе микросхемы будут от Texas Insruments. Среднестатистический микроконтроллер будет 8-ми битным, с 16 выводами и 8 Кбайтами Flash, работать с тактовой частотой до 16-20 МГц и выпущенный Микрочипом.

В третьей части статьи будут рассмотрены микросхемы памяти.

Сравнение векторного расширения RISC-V (RVV) и масштабируемого векторного расширения ARM (SVE/SVE2).

Микропроцессоры с векторными командами ожидает большое будущее. Почему? Беспилотные автомобили, распознавание речи, распознавание образов, всё это основано на машинном обучении, а машинное обучение на матрицах и векторах.

Но это не единственная причина. Мы годами бьёмся головой о стену, чтобы выжать больше производительности с тех пор, как полуофициальный закон Мура перестал работать. В старое золотое время мы могли просто удваивать тактовую частоту процессора каждый год, и все были счастливы. Но это больше так не работает.

Сейчас мы придумали тысячи умных способов получить большую производительность, будь то создание многоядерных процессоров, внеочередное (out-of-order) исполнение, более совершенное предсказание переходов и SIMD-команды.

Все эти способы основаны на одной центральной идее: пытаться различными способами распараллеливать работу. Когда вы выполняете какие-то вычисления в цикле над массивом элементов, у вас появляется возможность параллелизма данных. Этот цикл при достаточно умном компиляторе может быть превращён в последовательность SIMD или векторных команд.

SIMD-команды, такие, как Neon, MMX, SSE2 и AVX замечательно сработали в мультимедийных приложениях, в таких вещах, как кодирование видео и т.п. Но нам нужно получить большую производительность во многих областях. Векторные команды предлагают большую гибкость в превращении почти любого цикла в векторные команды. Однако есть много различных способов это сделать.

Я описал векторные команды RISC-V здесь:RISC-V Vector Instructions vs ARM and x86 SIMD.

Позже я описал векторные команды ARM:ARMv9: What is the Big Deal?.

Когда я писал последнюю статью, я впал в замешательство. Кажется, ничто не работает таким образом, как меня учили. Я считал, что я знаю, как работают векторные команды, изучая их для моей первой статьи. После окончания последней статьи, я начал писать статью об их сравнении.

Это заставило меня обнаружить, что ARM и RISC-V следуют принципиально разным стратегиям. Стоит написать об этом, потому что это одна из моих любимых тем. Я люблю простые, элегантные и эффективные технологии:The Value of Simplicity.

Векторное расширение RISC-V по сравнению с ARM SVE это элемент элегантности и простоты.

Проблема с масштабируемыми векторными командами ARM (Scalable Vector Instructions, SVE)

В процессе изучения SVE, было неочевидно, почему это так трудно для понимания, но когда я взял книгу по RISC-V и перечитал главу по векторному расширению, это стало ясно.

Честно говоря, ARM является большим шагом вперёд по сравнению с большим сложным и беспорядочным ассемблером Intel x86. Давайте не будем про это забывать. Также мы не можем пройти мимо того факта, что ARM не молодая платформа, и содержит много легаси. Когда мы имеем дело с ARM, у нас есть три различных набора команд: ARM Thumb2, ARM32 и ARM64. Когда вы гуглите руководства и пытаетесь их читать, возникает ряд проблем. Люди не всегда понимают, какой набор команд изучать.

Инструкции Neon SIMD имеют две разновидности: 32- и 64-битные. Проблема, конечно, не в ширине слова, а в том, что для 64-битной архитектуры ARM перепроектировал весь набор команд и изменил многие вещи, даже соглашение об именовании регистров.

Вторая проблема в том, что ARM большой. Система команд содержит свыше 1000 команд. Сравните с базовым набором RISC-V, в котором всего лишь 48 команд. Это означает, что читать ассемблер ARM не так просто. Посмотрим на команду SVE:

LD1D z1.D, p0/Z, [x1, x3, LSL #3]

Здесь делается много. Если у вас есть опыт в ассемблере, вы можете догадаться, что префиксLDозначаетLoaD. Но что означает1D? Вы должны это выяснять. Дальше вы должны выяснить, что означают странные суффиксы имён регистров, такие как .Dand/Z. Дальше вы видите скобки[]. Вы можете догадаться, что они составляют адрес, зачем там странная запись LSL #3, что означает логический сдвиг влево (Logic Shift Left)три раза. Что сдвигается? Все данные? Или только содержимое регистраx3? Это снова нужно смотреть в справочнике.

Команды ARM SVE содержат множество концепций, не являющихся очевидными, от которых голова идёт кругом. Мы сделаем глубокое сравнение, но сначала скажем несколько слов о RISC-V.

Красота векторного набора команд RISC-V

Обзор всех команд векторных расширений RISC-V (RVV) помещается на одной странице. Команд немного, и, в отличие от ARM SVE, они имеют очень простой синтаксис. Вот команда загрузки вектора в RISC-V:

VLD v0, x10

Команда загружает векторный регистрvданными, находящимися по адресу, который хранится в обычном целочисленном регистреx10. Но сколько данных загружается? В наборе команд SIMD, таком, как ARM Neon это определяется именем векторного регистра.

LD1 v0.16b, [x10]  # Load 16 byte values at address in x10

Есть другой способ сделать это. Такой же результат достигается таким образом:

LDR d0, [x10]    # Load 64-bit value from address in x10

Эта команда загружает младшую 64-битную часть 128-битного регистраv0. Для SVE2 у нас есть другой вариант:

LD1D z0.b, p0/z, [x10] # Load ? number of byte elementsLD1D z0.d, p0/z, [x10] # Load double word (64-bit) elements

В этом случае регистр предикатаp0определяет в точности, сколько элементов мы загружаем. Еслиp0 = 1110000, мы загружаем три элемента.v0 это 128-битная младшая частьz0.

Регистры имеют одинаковые имена?

Причина этому в том, что регистры d,vиz находятся в одной ячейке. Давайте поясним. У вас есть блок памяти, называемый регистровый файл в каждом CPU. Или, если быть более точным, в CPU расположено много регистровых файлов. Регистровый файл, это память, в которой расположены регистры. Вы не можете получить доступ к ячейкам памяти в регистровом файле, так же как в обычной памяти, вместо этого вы обращаетесь к области памяти, используя имя регистра.

Различные регистры могут отображаться на одну и ту же область регистрового файла. Когда мы используем скалярную операцию с плавающей точкой, мы используем часть векторных регистров. Рассмотрим 4-й векторный регистр, и рассмотрим, как ещё он используется:

• z3 регистр SVE2 переменной длины.

• v3 младшие 128 бит z3. Регистр Neon.

• d3 младшие 64 битаv3.

• s3 младшие 32 битd3

RISC-V, однако, устроен не так. Векторные регистры RISC-V находятся в отдельном регистровом файле, не разделяемом с регистрами скалярной плавающей точки.

• x0-x31 скалярные целочисленные регистры.

• f0-f31 скалярные регистры с плавающей точкой.

• v0-v31 векторные регистры. Длина не зависит от ISA.

Сложность векторных команд ARM

Я только поцарапал поверхность векторных команд ARM, потому что их очень много. Просто найти, что делает команда загрузки Neon и SVE2, занимает много времени. Я просмотрел много документации ARM и записей в блогах. Сделать то же самое для RISC-V очень просто. Практически все команды RISC-V можно разместить на двойном листе бумаги. У него есть только три команды загрузки вектораVLD,VLDSиVLDX.

Я не могу сказать, сколько этих команд у ARM. Их очень много, и я не собираюсь становиться профессионалом по программированию ARM. на ассемблере.

Как ARM и RISC-V обрабатывают вектора переменной длины

Это довольно интересный вопрос, так как ARM и RISC-V используют существенно различные подходы и я считаю, что простота и гибкость решения RISC-V просто блестящая.

Вектора переменной длины в RISC-V

Чтобы начать обработку векторов, вы делаете две вещи:

• VSETDCFG Vector SET Data ConFiGuration. Устанавливает битовый размер каждого элемента, тип, который может быть вещественным, знаковым целым или беззнаковым целым. Также конфигурация определяет, сколько векторных регистров используется.

• SETVL SET Vector Length. Устанавливает, сколько элементов содержит вектор. Максимальное количество элементов, которое вы не можете превысить MVL(max vector length).

И здесь всё становится интереснее. В отличие от ARM SVE, я могу разделить файл векторных регистров именно так, как я хочу. Пусть регистровый файл имеет размер 512 байт. Я могу теперь объявить, что я хочу иметь два векторных регистра, по 256 байт каждый. Далее я могу сказать, что я хочу использовать 32-битные элементы, другими словами, элементы по 4 байта. Получаем следующее:

Два регистра: 512 байт / 2 = 256 байт на регистр256 байт / 4 байта на элемент = 128 элементов

Это означает, что я могу складывать или умножать 128 элементов просто одной командой. В ARM SVE вы этого сделать не можете. Количество регистров фиксировано, и память аллоцирована для каждого регистра. И RISC-V, и ARM позволяют вам использовать максимум 32 векторных регистра, но RISC-V позволяет вам отключать регистры и отдавать используемую ими память оставшимся регистрам, увеличивая их размер.

Вычисление максимальной длины вектора (Max Vector Length, MVL)

Давайте посмотрим, как это работает на практике. Процессор, конечно, знает размер регистрового файла. Программист этого не знает, и не предполагается, что знает.

Когда программист использует VSETDCFG, чтобы установить типы элементов и количество используемых регистров, процессор использует эту информацию, чтобы вычислить максимальную длину вектора Max Vector Length (MVL).

LI        x5, 2<<25  # Load register x5 with 2<<25VSETDCFG  x5         # Set data configuration to x5

В примере выше происходят две вещи:

• Включаем два регистра:v0иv1.

• Устанавливаем тип элементов в 64-битные вещественные числа. Давайте сравним это с ARM Neon, в котором каждый регистр имеет длину 128 бит. Это означает, что Neon может обрабатывать два таких числа параллельно. Но в RISC-V 16 таких регистров можно объединить в один. Это позволяет обрабатывать 32 значения параллельно.

На самом деле это не буквально так. За сценой у нас есть конечное число вещественных умножителей, блоков АЛУ и т.п., что ограничивает число параллельных операций. Однако всё это уже детали реализации.

Итак, мы получили значениеMVL, равное 32. Разработчик не должен напрямую знать это число. Команда SETVLработает так:

SETVL rd, sr  ; rd  min(MVL, sr), VL  rd

Если вы попытаетесь установить Vector Length (VL)в значение 5, это сработает. Однако, если вы попытаетесь установить значение 60, вы получите вместо этого значение 32. Итак, величина Max Vector Length (MVL) важна, она не фиксирована конкретным значением при изготовлении процессора. Она может быть вычислена исходя из конфигурации (типа элементов и количества включенных регистров).

Вектора переменной длины в ARM

В ARM вы не устанавливаете длину вектора явным образом. Вместо этого вы устанавливаете длину вектора косвенно, используя предикатные регистры. Они являются битовыми масками, которыми вы включаете и выключаете элементы в векторном регистре. Регистры предикатов также существуют в RISC-V, но не имеют центральной роли, как в ARM.

Чтобы получить эквивалентSETVLна ARM , используйте командуWHILELT, что является сокращением отWhile Less Than:

WHILELT p3.d, x1, x4

Довольно сложно объяснить словами, что делает эта команда, и я использую псевдокод, чтобы объяснить её работу.

i = 0while i < M   if x1 < x4      p3[i] = 1   else      p3[i] = 0  end  i += 1  x1 += 1end

Концептуально, мы переворачиваем биты в регистре предиката p3в зависимости от того, меньше лиx1,чемx4. В данном случаеx4содержит длину вектора. Еслиp3выглядит так, то длину вектора можно считать равной 3.

1110000

То есть вектор переменной длины реализуется за счёт того, что все операции используют предикат. Рассмотрим эту операцию сложения. Представьте, чтоv0[p0]извлекает из v0только те элементы, для которыхp0истинно.

ADD v4.D, p0/M, v0.D, v1.D ; v4[p0]  v0[p0] + v1[p0]

Итак, мы сделали некоторое вступление. Сейчас рассмотрим более полный пример кода, чтобы увидеть, как эти наборы команд работают на практике.

Пример кода DAXPY

Рассмотрим сейчас, как функции C могут быть реализованы различными векторными командами:

void daxpy(size_t n, double a, double x[], double y[]) {        for (int64_t i = 0; i < n; ++i) {                y[i] = x[i] * a + y[i];        }}

Почему такое странное имя daxpy? Это простая функция в библиотеке линейной алгебры BLAS, популярной в научной работе. В BLAS эта функция называется daxpyи она очень популярна для демонстрации примеров работы разнообразных SIMD и векторных команд. Она реализует такую формулу:

aX + Y

гдеa скаляр, а XиY вектора. Без векторных команд нужно было бы обрабатывать все элементы в цикле. Но с умным компилятором, эти команды могут быть векторизованы в код, который выглядит на RISC-V так, как показано ниже. Комментарии показывают, какой регистр какой переменной соответствует:

daxpy(size_t n, double a, double x[], double y[]) n - a0  int   register (alias for x10) a - fa0 float register (alias for f10)  x - a1  (alias for x11)  y - a2  (alias for x12

Код:

LI       t0, 2<<25    VSETDCFG t0             # enable two 64-bit float regsloop:    SETVL  t0, a0           # t0  min(mvl, a0), vl  t0    VLD    v0, a1           # load vector x    SLLI   t1, t0, 3        # t1  vl * 2 (in bytes)    VLD    v1, a2           # load vector y    ADD    a1, a1, t1       # increment pointer to x by vl*8    VFMADD v1, v0, fa0, v1  # v1 += v0 * fa0 (y = a * x + y)    SUB    a0, a0, t0       # n -= vl (t0)    VST    v1, a2           # store Y    ADD    a2, a2, t1       # increment pointer to y by vl*8    BNEZ   a0, loop         # repeat if n != 0    RET    

Это код, скопированный из примера. Отметим, что мы не используем именаf иxдля целочисленных и вещественных регистров. Чтобы помочь разработчикам лучше помнить соглашения, ассемблер RISC-V определяет ряд псевдонимов. Например, аргументы функции передаются в регистрахx10-x17. Но нет необходимости запоминать эти номера, для аргументов предусмотрены псевдонимыa0-a7.

t0-t6 псевдонимы регистров временных переменных. Они не сохраняются между вызовами.

Для сравнения мы приведём ниже код ARM SVE. Пометим, какой регистр какую переменную содержит.

daxpy(size_t n, double a, double x[], double y[]) n - x0  register a - d0  float register x - x1  register  y - x2  register i - x3  register for the loop counter

Код:

daxpy:        MOV z2.d, d0            // a        MOV x3, #0              // i        WHILELT p0.d, x3, x0    // i, nloop:        LD1D z1.d, p0/z, [x1, x3, LSL #3] // load x        LD1D z0.d, p0/z, [x2, x3, LSL #3] // load y        FMLA z0.d, p0/m, z1.d, z2.d        ST1D z0.d, p0, [x2, x3, LSL #3]        INCD x3                 // i        WHILELT p0.d, x3, x0    // i, n        B.ANY loop        RET

Код ARM немного короче, так как команды ARM делают больше, чем одно действие. Это является причиной того, что код RISC-V гораздо проще читать. Команды в RISC-V делают что-то одно, и не требуют специального сложного синтаксиса. Такая простая вещь, как загрузка векторного регистра в ARM выглядит сложно:

LD1D z1.d, p0/z, [x1, x3, LSL #3]

Часть в квадратных скобках вычисляет адрес, из которого происходит загрузка:

[x1, x3, LSL #3] = x1 + x3*2 = x[i * 8]

Итак, здесь видно, чтоx1представляет базовый адрес переменнойx.x3 счётчикi. Сдвигом влево на три бита мы умножаем на 8, то есть на количество байт в 64-битном вещественно числе.

Заключение

Как начинающий в векторном кодинге, я должен сказать, что ARM переусложнён. Это не значит, что ARM плохой. Я также изучал систему команд Intel AVX, и она в 10 раз хуже. Я совершенно определённо не хочу тратить время на изучение AVX, принимая во внимание, сколько усилий отняли SVE и Neon.

Для меня совершенно ясно, что любой, кто хочет изучать кодинг на ассемблере, должен начать с RISC-V. Для начинающих это на порядки проще в освоении. И это не удивительно. Эта система команд специально разработана для преподавания в университете.

Архитектура сложна, потому что это легаси. Эта архитектура развивалась десятилетиями, и пыталась сохранять обратную совместимость. ARM имеет более ясный дизайн, но он усложнён просто потому, что дизайн продиктован в первую очередь требованиями отрасли, а не дружественностью к новичкам.

Если для вас, как и для меня, это хобби, и вы просто хотите понимать, как развивается технология, и как работают вещи, такие, как векторная обработка, сберегите свои усилия и просто прочитайте книгу по RISC-V.

Люди могут поспорить, что ARM или Intel или что-то ещё проще, потому что по ним больше книг и больше ресурсов. Ничего подобного! Я могу сказать вам на своём собственном опыте, что документация часто представляет собой препятствие, а не помощь. Это означает, что вам нужно раскопать больше материала. Вы найдёте много противоречий, корни которых лежат в устаревших принципах работы.

Если вы хотите погрузиться в ассемблер, вы можете прочитать некоторые из моих статей и руководств:

• RISC-V Assembly for Beginners

• RISC-V Assembly Code Examples

• ARM, x86 and RISC-V Microprocessors Compared.

Продолжаю разработку полностью шаблонной библиотеки под микроконтроллеры Stm32, в прошлой статье рассказал об успешной (почти) реализации HID устройства. Еще одним популярным классом USB является виртуальный COM-порт (VCP) из класса CDC. Популярность объясняется тем, что обмен данными осуществляется аналогично привычному и простому последовательному протоколу UART, однако снимает необходимость установки в устройство отдельного преобразователя.

Интерфейсы

Устройство класса CDC должно поддерживать два интерфейса: интерфейс для управления параметрами соединения и интерфейс обмена данными.

Интерфейс управления представляет собой расширение базового класса интерфейса с тем отличием, что содержит одну конечную точку (хотя, насколько я понял, без необходимости поддержки всех возможностей можно обойтись вообще без конечной точки) и набор "функциональностей", определяющих возможности устройства. В рамках разрабатываемой библиотеки данный интерфейс представлен следующим классом:

template <uint8_t _Number, uint8_t _AlternateSetting, uint8_t _SubClass, uint8_t _Protocol, typename _Ep0, typename _Endpoint, typename... _Functionals>class CdcCommInterface : public Interface<_Number, _AlternateSetting, DeviceAndInterfaceClass::Comm, _SubClass, _Protocol, _Ep0, _Endpoint>{  using Base = Interface<_Number, _AlternateSetting, DeviceAndInterfaceClass::Comm, _SubClass, _Protocol, _Ep0, _Endpoint>;  static LineCoding _lineCoding;  ...

В базовом случае интерфейс должен поддерживать три управляющих (setup) пакета:

• SET_LINE_CODING: установка параметров линии: Baudrate, Stop Bits, Parity, Data bits. Некоторые проекты, на которые я ориентировался (основным источников вдохновения стал этот проект), игнорируют данный пакет, однако в этом случае некоторые терминалы (например, Putty), отказываются работать.

• GET_LINE_CODING: обратная операция, в ответ на эту команду устройство должно вернуть текущие параметры.

• SET_CONTROL_LINE_STATE: установка состояния линии (RTS, DTR и т.д.).

Код обработчика setup-пакетов:

switch (static_cast<CdcRequest>(setup->Request)){case CdcRequest::SetLineCoding:  if(setup->Length == 7)  {    // Wait line coding    _Ep0::SetOutDataTransferCallback([]{      memcpy(&_lineCoding, reinterpret_cast<const void*>(_Ep0::RxBuffer), 7);      _Ep0::ResetOutDataTransferCallback();      _Ep0::SendZLP();    });    _Ep0::SetRxStatus(EndpointStatus::Valid);  }  break;case CdcRequest::GetLineCoding:  _Ep0::SendData(&_lineCoding, sizeof(LineCoding));  break;case CdcRequest::SetControlLineState:  _Ep0::SendZLP();  break;default:  break;}

Ключевой момент нумерации, а именно формирование дескрипторов, выполнен по уже привычной схеме раскрытия variadic-ов, что позволяет избавиться от зависимости классов в иерархии:

static uint16_t FillDescriptor(InterfaceDescriptor* descriptor){  uint16_t totalLength = sizeof(InterfaceDescriptor);    *descriptor = InterfaceDescriptor {    .Number = _Number,    .AlternateSetting = _AlternateSetting,    .EndpointsCount = Base::EndpointsCount,    .Class = DeviceAndInterfaceClass::Comm,    .SubClass = _SubClass,    .Protocol = _Protocol  };  uint8_t* functionalDescriptors = reinterpret_cast<uint8_t*>(descriptor);  ((totalLength += _Functionals::FillDescriptor(&functionalDescriptors[totalLength])), ...);  EndpointDescriptor* endpointDescriptors = reinterpret_cast<EndpointDescriptor*>(&functionalDescriptors[totalLength]);  totalLength += _Endpoint::FillDescriptor(endpointDescriptors);  return totalLength;}

Второй интерфейс, предназначенный для непосредственно обмена данными, абсолютно примитивный, он не должен поддерживать управляющих сообщений, а является просто контейнером для двух конечный точек (точнее одной двунаправленной). Объявление класса:

template <uint8_t _Number, uint8_t _AlternateSetting, uint8_t _SubClass, uint8_t _Protocol, typename _Ep0, typename _Endpoint>class CdcDataInterface : public Interface<_Number, _AlternateSetting, DeviceAndInterfaceClass::CdcData, _SubClass, _Protocol, _Ep0, _Endpoint>{  using Base = Interface<_Number, _AlternateSetting, DeviceAndInterfaceClass::CdcData, _SubClass, _Protocol, _Ep0, _Endpoint>;  ...

Поскольку мои познания в CDC-устройствах весьма небольшие, из просмотренных примеров я сделал вывод, что управляющий интерфейс почти всегда одинаковый и содержит 4 функциональности: Header, CallManagement, ACM, Union, поэтому добавил упрощенный шаблон интерфейса:

template<uint8_t _Number, typename _Ep0, typename _Endpoint>using DefaultCdcCommInterface = CdcCommInterface<_Number, 0, 0x02, 0x01, _Ep0, _Endpoint, HeaderFunctional, CallManagementFunctional, AcmFunctional, UnionFunctional>;

Применение разработанных классов

Для использования разработанных классов достаточно объявить две конечные точки (Interrupt для первого интерфейса и двунаправленную Bulk для второго), объявить оба интерфейса, конфигурацию с ними и, наконец, инстанцировать класс устройства:

using CdcCommEndpointBase = InEndpointBase<1, EndpointType::Interrupt, 8, 0xff>;using CdcDataEndpointBase = BidirectionalEndpointBase<2, EndpointType::Bulk, 32, 0>;using EpInitializer = EndpointsInitializer<DefaultEp0, CdcCommEndpointBase, CdcDataEndpointBase>;using Ep0 = EpInitializer::ExtendEndpoint<DefaultEp0>;using CdcCommEndpoint = EpInitializer::ExtendEndpoint<CdcCommEndpointBase>;using CdcDataEndpoint = EpInitializer::ExtendEndpoint<CdcDataEndpointBase>;using CdcComm = DefaultCdcCommInterface<0, Ep0, CdcCommEndpoint>;using CdcData = CdcDataInterface<1, 0, 0, 0, Ep0, CdcDataEndpoint>;using Config = Configuration<0, 250, false, false, CdcComm, CdcData>;using MyDevice = Device<0x0200, DeviceAndInterfaceClass::Comm, 0, 0, 0x0483, 0x5711, 0, Ep0, Config>;

Непосредственно логика заключается лишь в обработке входящих пакетов, что умещается в одну функцию (в качестве примера управляю светодиодом и выдаю сообщение):

template<>void CdcDataEndpoint::HandleRx(){  uint8_t* data = reinterpret_cast<uint8_t*>(CdcDataEndpoint::RxBuffer);  uint8_t size = CdcDataEndpoint::RxBufferCount::Get();  if(size > 0)  {    if(data[0] == '0')    {      Led::Clear();      CdcDataEndpoint::SendData("LED is turn off\r\n", 17);    }    if(data[0] == '1')    {      Led::Set();      CdcDataEndpoint::SendData("LED is turn on\r\n", 16);    }  }  CdcDataEndpoint::SetRxStatus(EndpointStatus::Valid);}

Отладка и тестирование

Написать код правильно с первого раза практически невозможно, поэтому очень полезным оказалось все-таки разобраться с инструментами перехвата USB-пакетов, поэтому кратко опишу особенности и проблемы, с которыми столкнулся лично я.

Так и не удалось применить логический анализатор, он просто ничего не показывает. Полагаю, что дело в том, что это самый дешевый клон Seale Logic и если бы был в наличи нормальный аппарат, то все бы получилось. Главное преимущество логического анализатора заключается в том, что он позволяет отслеживать обмен данными еще в процессе нумерации, в то время как программы на стороне хоста показывают пакеты только для тех устройств, которые эту нумерацию успешно прошли.

WireShark с установленным UsbPcap оказался весьма удобным, он нормально парсит все данные, так что поиск ошибок значительно упрощается. Главное, что нужно сделать - правильно установить фильтры. Не нашел ничего лучше, кроме выполнить следующие две операции:

Сначала отфильтровать по заведомо известному значению. Например, по значению PID, которое присутствует в ответе устройства на запрос GET_DEVICE_DESCRIPTOR. Фильтр: "usb.idProduct == 0x5711". Это позволит быстро определить адрес устройства.

Далее отфильтровать по адресу устройства с помощью оператора contains. Дело в том, что отображаемый адрес состоит из трех частей, последняя из которых является номером конечной точки (можно, конечно, перечислить все адреса). Фильтр: "usb.addr contains "1.19"".

Однако стоит заметить, что UsbPcap может доставить некоторые трудности, под катом опишу ситуацию, в которую недавно попал и потратил кучу времени и нервов.

Тестировал написанный код в программе Terminal v1.9b, на скриншоте приведен результат отправки на устройство сообщений "0" и "1".

Полный код примера можно посмотреть в репозитории. Пример протестирован на STM32F072B-DISCO. Как и в случае с HID, громоздкая библиотека (особенно менеджер конечных точек) сильно облегчили реализацию поддержки CDC, на все ушел примерно полный день. Далее планирую добавить еще класс Mass Storage Device, и на этом, наверно, можно остановиться. Приветствую вопросы и замечания.

Предисловие

В свое время наткнулся на очень хорошую статью о програмируемых реле EASY компании Eaton (Moeller). Если кратко, то можно выделить 3 больших серии реле:

• easy500 - реле 8 входов, 4 выхода, без возможности расширения;

• easy700 - реле 12 входов, 6/8 выходов, с возможностью подключения одного модуля расширения или коммуникации. Максимальное число точек - 40 (базовый модуль 12+8, модуль расширения 12+8).

• easy800 - более продвинутая версия 700-й серии, с увеличенным размером памяти, со встроенным протоколом коммуникации easyNet, позволяющим подключить до 8 устройств в одну сеть.

При этом, каждая из серий состоит из устройств с различным питающим напряжением, с экраном/без, с поддержкой/без часов реального времени (RTC), со счетчиками... в итоге была огромная номенклатура только базовых устройств, в которой я сам периодически путался, активно с ними работая.

Новинка easyE4

В 2019 году у Eaton вышла обновленная линейка программируемых реле - easyE4. Компания в новой линейке изменила философию продукта. Теперь есть базовый модуль, по размерам как реле серии easy500, имеющий 8 входов и 4 выхода, к которому можно подключить до 11 модулей расширения. При этом функционал базового модуля сопоставим как минимум со "старой" серией easy800.

По питающему напряжению можно выделить 3 вида:

• DC - 24VDC

• UC - 12VDC, 24VDC, 24VAC

• AC - 100_240VAC, 100_240VDC

Есть еще версии без экрана, итого максимальное количество различных базовых модулей всего 6. В каталогах встречаются модели с push-in клеммами, но они еще только планируются к производству. С данными моделями количество базовых модулей вырастет до 12.

Разберем структуру наименования базовых модулей. Маска наименования следующая:
EASY-E4-[VV]-12[W]C(X)1(P), где:

• [VV] - тип питающего напряжения - DC, UC, AC;

• [W] - тип выходов - релейные (R) или транзисторные (T);

• (Х) - отсутствие дисплея (если дисплей есть, символ не ставится);

• (P) - push-in клеммы (модель еще не выпущена); если символа нет - клеммы винтовые.

  Примеры:
  EASY-E4-DC-12TC1 - напряжение питания 24 Вольт постоянного тока, транзисторные выходы, с дисплеем (артикул производителя 197213).
  EASY-E4-UC-12RCX1P - напряжение питания 12/24 Вольта, релейные выходы, без дисплея, push-in клеммы (артикул производителя 197505).

Структура наименования моделей расширения. Маска наименования: EASY-E4-[VV]-[AA][B]E1(P), где:

• [VV] - напряжение питания модуля;

• [AA] - общее количество точек (входов-выходов);

• [B] - тип точек (R - релейные, T - транзисторные, A - аналоговые, P- температурные);

• (P) - push-in клеммы.

  Примеры:
  EASY-E4-AC-16RE1 - напряжение питания 100-240 Вольт, общее количество входов и выходов 16, тип выходов - релейные (артикул производителя 197222).
  EASY-E4-DC-4PE1 - напряжение питания 24 Вольт постоянного тока, 4 температурных входа (артикул производителя 197224).

"Железо"

Рассмотрим базовый модуль на примере EASY-E4-UC-12RC1 (артикул 197211).
Он содержит 8 цифровых (дискретных) входов, (в версиях DC и UC входы I5-I8 могут быть аналоговыми по напряжению - функционал выбирается в ПО для программирования). Есть 4 выхода - релейные (релейные для версий AC, UC, транзисторные для DC). Шестистрочный экран с подсветкой, которая может быть белой, красной, зеленой. Слева от дисплея находится слот под карту microSD, с помощью которой можно обновить прошивку устройства, организовать логгирование, или же сохранить свой загрузочный логотип.

В правой части находится порт для подключения модулей расширения (закрыт заглушкой).
Для коммуникации имеется порт RJ-45 с интерфейсом Ethernet. Доступные протоколы - Modbus TCP и EasyNet. Используя данный порт, можно зайти на встроенный web-сервер (с собственным API), отправиль сообщения на e-mail, также реле может синхронизировать часы реального времени с серверами в интернете - удобная вещь в случае использования функционала, завязанного на астрономические таймеры.

Модули расширения подключаются при помощи комплектного соединителя, который идет с каждым модулем.

Всего к одному базовому устройству можно подключить до 11 модулей расширения. Т.к. каждый модуль имеет свои клеммы питания, в одной системе можно использовать различные типы модулей расширения - например, базовое устройство EASY-E4-UC-12RC1, модуль расширения аналоговых входов EASY-E4-DC-6AE1 и модуль 4DI+4RO EASY-E4-AC-8RE1 прекрасно будут работать в одной сборке, позволяя подключить разнообразные устройства ко входам и выходам.

Программное обеспечение

Если вы работали со "старыми" easy500/700/800 (в коллективе называем эти реле "изиками"), то средой программирования было ПО EasySoft 6. А для подключения реле к компьютеру использовался специальный кабель, который стоит немало.

Можно, конечно, попытаться вбить программу руками через кнопки, но если проект сложнее чего-то базового "по сигналу I1 включить выход Q1", то ручной ввод программы будет настоящим мучением.

Для новых программируемых реле easyE4 используется ПО EasySoft 7. Приемы работы в нем схожи с работой в 6 версии, поэтому переход на новое ПО будет легким.

Впридачу, есть преемственность - если проект для старых "изиков" открыть в 7 версии, то произойдет автоматическая конвертация с заменой "железа" на новое и переназначением операнд с выводом отчета.

Демонстрационную версию можно скачать с сайта Eaton. Демо-версия позволяет создать и отдадить проект, но без возможности записать проект в само реле. Для этого необходима лицензия. Сама лицензия стоит денег, но можно схитрить - есть специальные стартовые наборы, состоящие из самого реле, шнурка для программирования (обычный патч-корд, подойдет абслютно любой RJ-45 прямого обжима) и флаера с кодом, который нужно зарегистрировать и получить ключ активации ПО. Набор такой стоит немного дороже самого базового модуля. Так что если нужно несколько базовых модулей - вместо одного покупаете набор, и получаете лицензионное ПО со скидкой:) Особенностью ПО является то, что код с флаера можно зарегистрировать несколько раз, тем самым получив коды активации для нескольких компьютеров. Артикулы для поиска - 197227/197228/197229.

К программному обеспечению хорошо изучить руководство по эксплуатации. Его код MN050009 (англоязычная версия). Загуглив код "MN050009_RU", находится русскоязычное руководство, которого, почему-то, нету на сайте производителя.
Дополнительно посоветую обучающий курс по программированию для старых изиков "EASY Это просто" от Одесского политеха (авторы О.А. Андрюшенко, В.А. Водичев) - там основы основ.

Пример применения

Один из практически реализованных мной простых проектов - управление освещением во дворе. Есть 2 группы опор освещения - основное (КМ2) и дежурное (КМ1). В автоматическом режиме после заката (по астрономическому таймеру) включается всё освещение, после 22.00 остается только дежурное, которое работает до полуночи в будние дни и чуть позже в выходные. Данные временнные отрезки установлены в недельных таймерах.

Есть ручной режим для ремонтных работ, либо включения света не по графику. Каждая группа включается кнопками SB1 и SB2 без фиксации.

В настройках функционального блока "Астрономический таймер" необходимо указать координаты местности для правильного расчета времени захода и восхода солнца в конкретный день.