Как известно "путешествие в тысячу миль начинается с единственного шага", но первый шаг всегда самый сложный. В моей жизни так сложилось, что я никогда не имел сомнений о выборе своей профессии. Просто всегда занимался тем, что мне нравится. В какой-то момент это стало еще и приносить деньги.
Однако иногда бывает так, что ты очень хочешь сделать то, о чем пока еще не имеешь никакого представления. Изучаешь сложные инструкции, читаешь техническую литературу, наполненную множеством таблиц и терминов. Это все конечно очень ценно и полезно, но зачастую бывает так, что самого первого шага, как раз и не хватает. Не хватает волшебного простого примера. Надеюсь эта небольшая статья станет для вас этим самым первым шагом.
Устройство любого прибора
Контроллер
В основе любого современного электромеханического устройства, от телевизора до стиральной машины лежит микроконтроллер. Это такая микросхема, которая может получать данные от датчиков с кнопками и управлять различным оборудованием, грубо говоря простенький процессор, с приделанными к нему готовыми модулями ввода-вывода. Существует множество разных видов контроллеров, которые отличаются скоростью работы, количеством входных или выходных каналов (портов) и другими параметрами.
Одним из самых распространенных контроллеров в мире являются контроллеры AVR. Формально сейчас они выпускаются американской фирмой Atmel, но фактически производятся в Китае. Многие современные бытовые приборы оснащены этими недорогими контроллерами.
Для удобства я остановлюсь на наверное самом популярном чипе AVR - ATmega328. Это довольно мощный контроллер 16Мгц с 14 портами для получения данных и управления устройствами. Ставить такой контроллер на стиральную машину было бы, конечно, слишком жирно, но например, для оснащения радиоуправляемой машинки или квадрокоптера - самое то.
Иногда прибор требует использования сложных датчиков (например машинное зрение), разветвлённого алгоритма или сложного графического дисплея. В этом случае функционала контроллера становится недостаточно и в качестве мозга системы используется полноценный компьютер (как правило промышленный, рассчитанный на жесткие условия эксплуатации), а контроллер играет лишь связывающую роль между компьютером и остальными элементами прибора, т к компьютер не умеет напрямую работать с большинством из них. Компьютер получает данные от контролера и отдаёт ему команды на управление оборудованием.
Любой прибор состоит из 4-х типов элементов:
- контроллер
- управляющие элементы (кнопки, датчики и пр.)
- индикаторы (лампочки, дисплей и т. д.)
- оборудование (электромоторы, клапаны, реле, что угодно)
- блок питания
Как видно из схемы, центральной частью любого прибора является контроллер (в сложных устройствах он может быть и не один). Именно он определяет логику работы устройства, что произойдёт при нажатии кнопки или срабатывании датчика.
Программа
Сам по себе контроллер просто кусок кремния обернутый пластмассой. Чтобы контроллер понимал, что надо делать, его требуется запрограммировать, написать на языке программирования алгоритм действия в различных ситуациях. До недавнего времени это был как правило язык C++, хотя в последнее время появились и многочисленные варианты. Сейчас не будем останавливаться на программировании. Позже разберем эту тему отдельно.
Программа пишется на ПК с помощью другой программы, которая называется Интегрированная среда разработки (IDE). В ней набирается код, осуществляется проверка и компиляция кода - преобразование в двоичный (бинарный) файл понятный контроллеру.
Непосредственное написание программы, лишь часть процесса программирования. Чтобы программа попала в контроллер, нужно специальное устройство называемое Программатор. Контроллер через программатор подключается к ПК и в него из IDE заливается (прошивается) двоичный код. Место хранения прошивки называется ПЗУ. После этого контроллер становится готов к работе.
Электроника
Порты контроллеров обычно имеют довольно широкий диапазон возможностей по подключению датчиков и оборудования, но он всё же не безграничный. Поэтому в документации к контроллерам приводится спецификация (требования) к подключаемому оборудованию: границы напряжения, мощности и т. д. Всё что выходит за рамки допустимого диапазона, необходимо корректировать с помощью электронных элементов: транзисторов, резисторов, конденсаторов и пр.
На этом этапе потребуются некоторые знания в электронике. Основным навыком здесь будет понимание логики работы электрической цепи и умение применить Закон ома для расчета характеристики нужного электронного компонента. Непосредственно считать сегодня уже ничего не требуется. Существует множества онлайн калькуляторов для этих целей. Достаточно вбить нужные данные (например исходное и требуемое напряжение) и получить уже готовую маркировку компонента (например транзистора).
Проектирование прибора
Промышленное производство приборов
Из экономики нам известно, что чем крупнее серия товаров, тем меньше их себестоимость. При промышленном производстве всё просто, разработанные части прибора, печатная плата, корпус и прочее, размещаются на производствах, где производится их изготовления, сборка и настройка.
Мелкосерийное производство приборов
Единичное и мелкосерийное производство, зачастую не может позволить себе траты на фабричное изготовление деталей. В этом случае сборка происходит из готовых универсальных модулей, в которых контроллер оформлен в виде готовой платформы, заранее впаян в плату, добавлен программатор, интерфейсы для взаимодействия с компьютером (например UART-USB), модули питания и много других полезны вещей. Из готовых промышленных контроллеров у нас получили наибольшее распространение Овен, Промавтоматика, Delta и Siemens.
Промышленные контроллеры довольно крупногабаритны и дороги. Для небольших приборов имеется бюджетная альтернатива: Arduino и Raspberry Pi.
Raspberry более крупный, дорогой и имеет более высокую производительность. Его производительности достаточно для установки в качестве прошивки полноценной операционной системы, такой как Linux или Android. В интернете можно найти примеры, как на основе Raspberry и других готовых модулей, собирали даже кустарные мобильные телефоны с сенсорным экраном.
Arduino не может похвастаться производительностью, но бывают очень компактных размеров и стоят очень дешево. На сегодняшний день это самая распространенная платформа для самостоятельного создания различных приборов в бытовых условиях.