ДонНТУ   Портал магистров

Разработка встраиваемых систем

1. Тенденции развития и актуальность разработок

Встраиваемые системы – это системы управления на микропроцессорной основе встроенные в оборудование. Основными особенностями является то ,что алгоритм управления реализованный на целевой платформе является частью готового устройства это обязывает разработчика учитывать ряд следующих факторов:

  1. Учитывать вес, габариты и энергопотребление а так же тепловые режимы встраиваемого устройства
  2. Учитывать требования по надежности, в том числе по электромагнитной стойкости
  3. Обеспечение совместимости логических уровней встраиваемой системы и целевого оборудования
  4. Четкое понимание скорости выполнения отдельных, критичных ко времени участков программного кода

Все это заставляет разработчика становится универсальными специалистом, владеющим навыками как программирования так и электроники, ЦОС.

Сегодня популярность т.н. интернета вещей сделала стандартом возможность большинства устройств поддерживать выход в интернет, а развитие микропроцессорной и цифровой электроники с каждым днем делает эту возможность все более доступной.

Применение операционных систем реального времени (ОСРВ) позволяет, с некоторыми ограничениями, делать систему модульной и дополнять по мере необходимости, а так же вести параллельную разработку нескольким специалистам без риска конфликта их блоков кода внутри единой системы.

2. Основные этапы разработок

Когда мы имеем представление о том какая задача должна быть решена, в первую очередь необходимо определить требования предъявляемые к конечному устройству ,а именно: массогабаритные и энергетические показатели, коммуникационнные и прочие связанные с взаимодействием с внешним миром возможности, создание функциональной схемы.

Следующим этапом будет выбор платформы на которой планируется реализация конечного устройства (микроконтроллер, ПЛИС, SoC), создание функциональной схемы. Когда функциональная схема готова уже можно предположить каким будет готовое устройство, т.к. каждый блок ФС это набор вспомогательных устройств или электронных компонентов предназначенных для решения определенных задач и формирующих упрощенные структурные схемы, а каждое подобное устройсво/элемент уже имеет свою (зачастую типовую, из технической документации) схему включения.

В качестве примера рассмотрим упрощенную структурную схему из моей бакалаврской работы:

Упрощенная структурная схема устройства управления УСТК

Рисунок 1 – Упрощенная структурная схема устройства управления УСТК

Данная схема состоит из блоков каждый из которых выполняет свою ,строго обозначенную, функцию и сам в свою очередь состоит из электронных компонентов с соответствующей схемой включения. В качестве примера раскроем блок УС

Устройство согласования

Рисунок 2 – Устройство согласования

Таким образом, после завершения формирования структурной схемы можно переходить к следующему этапу – разработке принципиальной схемы (sch) с последующим переносом ее на печатную плату(pcb).

Отдельно стоит остановится на программно-аппаратной реализации которая, в общем случае, ведется параллельно с разработкой но до создания принципиальной схемы. Этому способствуют специальные средства имеющиеся в наличии у разработчика – это могут быть инструменты моделированния и симуляции, если говорить о программной части, если об аппаратной – это отладочные платы, целевые платы разработчика, платы для прототипирования. Благодаря этому можно заниматся отладкой устройства еще до его создания для того ,чтобы иметь возможности заранне вносить коррективы в принципиальную схему и в итоге получить правильно и надежно работающую встраиваемую систему.

3. Используемое ПО. Встраиваемые системы в области электропривода

Сначала, стоит сказать о некоторых особенностях связанных с областью электропривода для встраиваемых систем:

  1. Необходимо учитывать влияние силовой части и стараться делать блок управления максимально помехозащищенным
  2. По возможности, полная гальваническая и оптическая развязка портов В/В, В/В периферии, интрефейсов коммуникации
  3. В некоторых случаях, не возможность использования ОСРВ т.к. процессы проходящие в электроприводе могут требовать более быстрого отклика(десятки микросекунд) чем минимальный шаг квантования ОСРВ

Первым этапом, после постановки задачи, является моделирование – это очень важный этап при разработке ВС для электропривода т.к. алгоритм управления зачастую определяет структуру силовой части. В качестве инструмента, хорошо себя зарекомендовал Matlab – Simulink.

Инструмент для создания функциональных и структурных схем не так важен, так как отражает лишь характер взаимодействия элементов системы, однако некоторые специалисты рекомендуют для этих целей использовать специальное ПО (Visio, Dia)

Инструментов для создания принципиальных схем – печатных плат достаточно много и большинства из них довольно удобные, могу выделить Proteus, EagleCad и др. однозначно хочу порекомендовать использовать софт позволяющий конвертировать принципиальную схему в печатную плату с сохранением связей между компонентами, это на порядок сэкономит ваше время и упростит разработку. Наличие автотрасироващика – желательно но не критично т.к. довольно часто, в ответственных узлах платы, необходимо производить разводку самостоятельно. Сам я остановился на САПР облачного типа Easyeda – довольно удобная среда разработки с минимально достаточным функционалом, работающая через браузер и позволяющая выполнить принципиальную схему – печатную плату – получить gerber/печать для ЛУТ/заказать готовую плату.

MC Dev. Board. Принципиальная схема выполненая в Easyeda

Рисунок 3 – MC Dev. Board. Принципиальная схема выполненая в Easyeda

MC Dev. Board. Печатная плата выполненая в Easyeda

Рисунок 4 – MC Dev. Board. Печатная плата выполненая в Easyeda

Для отладки на железе не обойтись без платы разработчика электроприводов (motor control development board). В идеальном случае это отладочная плата с силовой частью, цепями согласования сигналов, защиты, датчиками, интерфейсом подключения внешнего микроконтроллера. Основным недостатком готовых решений является то, что производители встраивают в подобные платы свои микроконтроллеры а разработка устройства может вестись под другую платформу.

4. Мои проекты

В общей сложности, на момент декабрь 2017, мной было разработано и изготовлено около 10 устройств различной степени сложности не считая разнообразных шилдов для отладочных плат.

Есть опыт изготовления и самих отладочных плат

Отладочная плата Atmega8

Рисунок 5 – Отладочная плата Atmega8

Так же одним из последних проектов является плата разработчика электроприводов для кафедры ЭАПУ. Данную плату предполагатся использовать в моей магистерской работе и ,возможно, в работах других студентов.

MC Dev. Board.

Рисунок 6 – MC Dev. Board.

Список источников

  1. Встраиваемая система. Статья из википедии
  2. 10 навыков, необходимых сегодня разработчику встроенных систем
  3. Комплект разработчика устройств управления электродвигателями