Инструменты инженера-разработчика

Инструменты инженера-разработчика Гаджет

. Kuman Project Complete Starter Kit для Arduino UNO

Полный комплект для начинающих с учебным пособием для Arduino UNO R3. Комплект для начинающих Kuman для Arduino UNO — идеальная стартовая площадка для детей, чтобы увлечь их робототехникой и программированием продвинутого уровня. С 44 компонентами и учебным на CD, полным проектов и исходного кода, комплект содержит все, что ваш ребенок должен иметь, чтобы начать создавать потрясающие вещи.

Возраст: 10

Особенности: Средний / Продвинутый, программирование, безграничные возможности

Самый востребованный набор для конструирования роботов.  Комплект содержит учебные материалы для реализации 17 проектов по окружающему миру, биологии, географии, исследованию космоса и инженерному проектированию, работа над которыми в общей сложности может занять более 40 академических часов.

Возраст: 6

Особенности: подходит для начального уровня, автономность от компьютера, большее кол-во деталей и бесплатное программное обеспечение.

Научный набор Robo Spider от компании Smithsonian

Легкая сборка роботов по инструкции и доступная цена делают этот набор робота конструктора для мальчика замечательной покупкой для новичков. Конечный продукт — классная игрушка, и в нее входит цветной плакат для детей, который можно повесить на стену.

Возраст: 8

Особенности: Простой, для любителей насекомых, низкая стоимость.

Thames & Kosmos Remote Control Machines

Еще один конструктор для сборки роботов на пульте дистанционного управления. Можно купить робота с дистанционным управлением, комплект которого имеет все необходимое для создания десяти машин. Креативный дизайнер сможет использовать запчасти, чтобы построить еще много различных моделей, ограниченных только фантазией.

Возраст: 8

Особенности: Промежуточный, креатив, механика

Выбор инструментов для разработки

Разработка электроники начинается с принципиальной схемы. Затем принципиальная схема должна быть превращена в реальную печатную плату (PCB). Эти шаги выполняются в одном программном продукте, который также позволяет проверить соответствие печатной платы схеме.

Двумя наиболее популярными программами САПР на рынке являются Altium и Eagle. Но, кроме них, на рынке представлено также достаточно много недорогих и бесплатных продуктов, типа DipTrace и EasyEDA. Все эти программы позволяют подготовить Gerber файлы, которые затем можно отправить производителю печатной платы для создания прототипов или производства.

Обязательно разрабатывайте печатные платы с учетом необходимости отладки — добавьте нужное количество контрольных точек.

Для отладки прототипа вам потребуется хорошо оборудованная лабораторная зона с такими приборами, как источники питания, мультиметры, осциллографы, функциональные генераторы и другие инструменты. Для подготовки прошивки микроконтроллера и ее отладки вам потребуется интегрированная среда разработки (IDE) и специализированные программаторы и отладчики.

Выбор компонентов

Неопытные инженеры и стартапы часто сначала проектируют продукт, уделяя особое внимание производительности, а затем анализируют влияние выбранных компонентов на стоимость и возможность изготовления продукта. Это достаточно затратный подход. Рекомендуется при начале проектирования печатной платы внимательно изучить стоимость компонентов и оценить их доступность на рынке в течение всего срока службы вашего продукта.

Корпус элемента также может повлиять на стоимость решения. Например, применение безвыводного корпуса QFN обычно немного увеличивает затраты по сравнению с использованием выводного SOIC. Особое внимание нужно уделить выбору компонентов, которые будут рассеивать значительную мощность.

Измерительный инструмент

Альтернативы ему не предвидится, лишь перечень советских образцов дополняется и расширяется за счет современной аппаратуры. Вот лишь некоторые категории оборудования данного типа.

Инструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчика

Компоненты

Одним из преимуществ работы в сформированной лаборатории является то, что в ней часто уже есть большой выбор стандартных компонентов, полезных для прототипирования. Это могут быть детали, которые поддерживаются на складе, так как они часто используются, остатки от предыдущих проектов и т.д.

На ранней стадии прототипирования, имеет смысл использовать готовые отладочные платы с целевым компонентом и обвязкой. Из таких плат можно собрать готовое решение, как из Лего.

Многие прототипы начинаются с макетной платы для беспаечного монтажа, перемычек и набора макетных плат, к примеру, с микроконтроллером . На этом этапе не потребуется даже САПР, зато в дальнейшем можно будет быстро нарисовать схему устройства, используя готовую схемотехнику отладки (рис. 2 ).

Рис. 2. Компоненты, подключенные к макету на ранних этапах создания прототипа

В дополнение к компонентам и модулям, для создания прототипов вам потребуется оборудование для их тестирования.

Лаборатория

Каждому инженеру нужна какая-то лаборатория. Многие начинают с верстака в подвале или в гараже. Альтернативный вариант, если у вас нет доступа к корпоративной лаборатории, использовать рабочее пространство в хакспейсе или коворкинге, в России уже есть большой выбор хорошо оборудованного пространства по разумной цене (рис. 1). Это может стать хорошим решением для начала.

Гаджет:  10 лучших цифровых фоторамок 2020 года

Рис. 1. Пример рабочего места инженера-электронщика

Многие из этих лабораторий связаны с инженерными программами университетов, часть существует самостоятельно, для них даже предусмотрена государственная поддержка.

Примечание переводчика: У нас федеральная программа поддержки технических энтузиастов стартовала в 2021 году. В том же году на базе НИТУ «МИСиС» открылся первый отечественный фаблаб. Первый российский хакспейс Neuron открылся годом ранее.

В рамках программы Минэкономразвития в стране развернули сеть центров молодежного инновационного творчества (ЦМИТ). Они создавались на базе инженерных вузов, технопарков, бизнес-инкубаторов и даже центров 3D-печати. По данным аналитиков Deloitte, сейчас в России работают 18 фаблабов, около 50 ЦМИТ (на сайтах госучреждений и в профильной прессе фаблабы и ЦМИТы употребляются как синонимы). Также «железные» стартапы поддерживает более 40 бизнес-инкубаторов и акселераторов.

Колледжи и университеты могут быть отличным местом для получения поддержки, когда вы находитесь на самых ранних этапах разработки. Но, в конце концов, многие инженеры хотят создать собственную лабораторию. Основой для неё должны стать большое рабочее пространство, хорошее освещение и хороший источник питания.

Тип источника питания, который вам потребуется, зависит от типа выполняемой работы. Качественный источник питания позволит с большой точностью управлять напряжением и током нагрузки. Существует множество вариантов настольных линейных и импульсных источников питания, с разными диапазонами выходов, количеством каналов, средствами защиты от перегрузки.

Кроме того, вам потребуются электронные компоненты и испытательное оборудование.

Многообразие инструментов конструирования

В процессе своей работы инженер-конструктор использует как вещественные (оснастка), так и невещественные (теории расчета, личный и мировой опыт проектирования) инструменты. Весьма условно их можно подразделить по основным этапам процесса конструирования:

Инструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчикаИнструменты инженера-разработчика

О возможностях компьютера, который в силу своей универсальности является успешной альтернативой многим средствам проектирования, в данной статье рассказывать нецелесообразно. Также речь не идет о практически не применяемых в настоящее время (хотя надежных и проверенных) приспособлениях вроде логарифмической линейки или чертежных принадлежностях (которые все еще используются на промежуточных стадиях). Отметим лишь некоторые из актуальных и вещественных орудий труда конструктора, в частности – измерительные приборы.

Оборудование для тестирования

Каждой хорошо оборудованной лаборатории понадобятся следующие виды испытательного оборудования:

Цифровой мультиметр (DMM) — используется для измерения напряжения, тока и сопротивления. При выборе цифрового мультиметра учитывайте разрешение (большее количество цифр на дисплее обычно указывает на более высокое разрешение), точность, автоматический выбор диапазона и возможность измерения истинных среднеквадратичных значений напряжения и тока.

Осциллограф — используется для тестирования аналоговых участков схемы, это важный инструмент для анализа формы сигнала, поиска неисправностей схем и оценки качества сигнала. При выборе осциллографа учитывайте полосу пропускания, которая определяет диапазоны частот, которые он сможет измерять, частоту дискретизации, количество каналов, длину записей, которые он может хранить, возможности запуска развертки, а также типы и конфигурации щупов.

Логический анализатор — используется для отображения и тестирования цифровых сигналов. Основные характеристики, которые следует учитывать, включают количество каналов, которые он может отслеживать, количество измерений сигнала, которое он может хранить, и частоту дискретизации. Некоторые логические анализаторы имеют встроенные дисплеи, а некоторые требуют подключения к компьютеру.

Паяльная станция для монтажа и демонтажа компонентов. Выбор паяльной станции во многом определяется типом компонентов, которые нужно паять. Для монтажа выводных SMD и DIP компонентов достаточно станции с обычным паяльником, для корпусов типа QFN потребуется минимум термовоздушная станция. Для больших BGA корпусов желателен инфракрасный паяльный центр.

В дополнение к тестовому оборудованию вам потребуется САПР для разработки схем и трассировки  печатных плат.

Подборка детских электронных конструкторов для первых опытов

Сегодня мы подготовили небольшую подборку электронных конструкторов, с помощью которых ребенок сможет сделать собственные первые эксперименты и совершить первые шаги в программировании.

Инструменты инженера-разработчика

Опыты с электроникой в последнее время стали довольно популярны: даже в розничных магазинах можно встретить большое количество однотипных, локализованных разными поставщиками, подарочные коробки, внутри которых инструкции для коротких проектов.

Инструменты инженера-разработчика

Один из самых простых примеров — это «Картофельные часы», «Природное электричество» и т. п.

Последний — это не совсем электронный конструктор, хотя и грань между ними довольно тонкая: набор простых компонентов — есть; схема для сборки, или активации простых элементов — есть; провода, инструкция… В общем, пытаются соответствовать.

Гаджет:  Сравнение программ для автоматической смены раскладки

Инструменты инженера-разработчика

Честно говоря, при довольно-таки богатой коробке — весьма незамысловатое наполнение. В комплекте несколько медных и цинковых пластин, провода, крышки, для которых придется самостоятельно искать бутылки, диод на подставке и очень просто сделанные цифровые часы.

Инструменты инженера-разработчика

Чем может привлечь? Для того, чтобы активировать что-либо, необходимо приложить какие-то усилия сверх набора: найти соленую воду, цветок в горшке или пару яблок. В этом смысле маленькому ребенку может быть любопытно и полезно узнать, что некоторые вещи, которые нас окружают немного необычны.

Инструменты инженера-разработчика

Надолго такой игрушки не хватит, но часы, подключенные к маминому фикусу вполне могут простоять какое-то время и даже показывать его же, если не забывать вовремя поливать. Стоимость 790 рублей.

Похожим на этот набор можно назвать «Мастерскую электричества«, о которой мы не так давно писали. Набор также кому-то кажется слегка переоцененным, но у него есть ряд достоинств.

Инструменты инженера-разработчика

Две цветные инструкции: текстовая и визуальная, несложная платка с удобным пружинным креплением проводов, что не требует от ребенка сверхчетких действий. И, также как и в описанном выше наборе, некоторое пространство для творчества вместе с соленой водой и т. п. Всего же «Мастерская» электричества предлагает свыше 20 экспериментов.

Инструменты инженера-разработчика

В наборе моторчик, динамик и несколько лампочек. При, опять же, некоторой «бедности» комплектации сама коробка оформлена весьма приятно и тянет на хороший сувенир ребенку на время школьных каникул.

Микроник — пожалуй, наш самый любимый образец.

Это проект «Амперки» хорошо знакомого вам производителя наборов для программирования на базе Arduino.

Микроник же стоит особняком: ничего программировать тут не надо. Это начальный набор для первых опытов.

Инструменты инженера-разработчика

В наборе свыше сотни компонентов, которые последовательно должны занять свое место на маленькой плате.

Инструменты инженера-разработчика

Плата действительно миниатюрная, за что данный конструктор некоторые критикуют, мол, ребенку трудновато работать на таком пространстве. Тут есть и рацзерно. Но одна из задач, вероятно, и была «конструктор для маленьких» сделать маленьким.

Некоторые эксперименты, а также комплектацию «Микроника» мы уже описывали в одном из давних обзоров аж за 2021 год.

Сильно фантазировать тут не получится: все двадцать моделей, которые предусмотрены, собираются из предложенных в наборе компонентов, то есть без соленой воды, фруктов и пластиковых бутылок можно обойтись.

Простейшие эксперименты собираются довольно легко, так как отсчитать нужное количество клеточек для подключения в относительной пустоте не очень сложно.

Инструменты инженера-разработчика

Иные же модели потребует большего усердия и внимательности.

Инструменты инженера-разработчика

Стоимость «Микроника» — 990 рублей.

Из относительно недорогих проектов «Амперки» также хотелось бы упомянуть «Технокуб«. Он любопытен тем, что поможет создать ребенку первое смарт-устройство самостоятельно.

Работает он на базе платформы Iskra Neo с микроконтроллером ATmega32U4, что, как уточняют авторы, аналог Arduino Leonardo.

Инструменты инженера-разработчика

Всего в наборе не так много компонентов, из которых предлагается собрать куб с диодной нотификацией о разных событиях.

Инструменты инженера-разработчика

С учетом того, что многие подобные вещи нас окружают, начиная от умных браслетов, которые оповещают о звонках, до датчиков движения, смарт-камер с многочисленными пушами, такое занятие кажется очень своевременным.

Вернемся к обычным конструкторам. Из аналогов «Микроника» следует упомянуть конструкторы «Знаток«. Главное их отличие — большая наглядность, упрощенный и более надежный способ закрепления элементов.

Инструменты инженера-разработчика

Безусловно, некоторая атмосфера «серьезного» взрослого конструктора теряется, но для постижения простых законов физики и электроники, возможно, она и не нужна. Элементы конструктора крепятся к плате с помощью «кнопок».

Инструменты инженера-разработчика

Все выполнено из жестких элементов, и значит конструкция не развалится, не рассыпется: это довольно надежно и прагматично. Сама же «плата» в разы больше и «Мастерской электричества», и уже «Микроника» подавно.

Инструменты инженера-разработчика

Что-то не доделал? Легко убрать с доской и отложить до следующего раза.

Раз уж мы коснулись темы электронных робототехнических конструкторов, то уместно упомянуть пару примеров. Во-первых, электронные конструкторы «ЛАРТ».

Компания известна на рынке аналогичными наборами электронных экспериментов, типа «Природного электричества» и несколькими моделями программируемых простых моделей. Среди них, например: «Робот-скиф», который управляется блоком R-5 с контроллером Arduino nano.

Инструменты инженера-разработчика

В комплекте вы получаете:

Стоимость —

4 930 рублей

.

Чуть более простой и чуть более дешевый «ЛАРТ» — «Робот, следующий по линии».

В комплекте:

Инструменты инженера-разработчика

Еще одна модель «ЛАРТ» — «

Манипулятор

«.

В комплекте:

Инструменты инженера-разработчика

Также в финале бегло упомянем еще один модельный ряд электронных конструкторов для детей постарше — продукцию «

Эвольвектор

«. Стоят они чуть дороже «Амперки».

Всего есть несколько наборов. Например, «Стартовый набор» первого уровня призван объяснить основы электроники.

Гаджет:  Гаджет почта и интернет MyOutlook

Инструменты инженера-разработчика

Он построен по принципу обучающих уроков: всего их 30, каждый из которых последовательно включает и теоретическую часть и практические навыки.

В основе каждого урока один или несколько экспериментов для улучшения восприятия и закрепления знаний. Все, как в школе, в общем. В процессе этой «занимательной физики» ребенку объяснят принципы создания колебательных систем, формирования цифровых сигналов, научат создавать собственные устройства из предложенных микросхем и элементов.

Стоимость такого комплекта —

6999 рублей

.

Также в линейке есть похожий конструктор, который отчасти решает аналогичные задачи, с более богатой комплектацией на базе контроллера Arduino.

Предыдущие главы:

  1. От идеи к прототипу. Часть 1
  2. Что такое концепт. Часть 2

Размышления о выборе компонентов и программного обеспечения

«Любое изменение спецификации на поздних стадиях разработки может потребовать  значительных затрат времени и ресурсов, так что постарайтесь правильно выбрать BOM с самого начала проектирования»

Разработка печатной платы

Большинство сред проектирования имеют встроенную в приложение функциональность трассировки печатной платы. Обратите внимание на некоторые ключевые особенности, которые нужно учитывать при оценке пакетов САПР:

Бесшовная интеграция и конструктивные ограничения. Это базовые возможности, которые по умолчанию должны быть у любой современной среды проектирования электроники. Бесшовная интеграция — это полная функциональная интеграция между процессами разработки схемы и трассировки печатной платы. У вас должна быть возможность работать над одним и видеть отражение этих результатов в другом.

Конструктивные ограничения — это набор правил, которым надо следовать, чтобы выбранный вами производитель смог изготовить плату без существенного увеличения ее стоимости. В эти правила включаются размеры, расстояние между проводниками, диаметры отверстий и многое другое.

Контроль длины линий. Это очень важный аспект печатной платы, особенно в схемах, которые включают высокоскоростные сигналы и дифференциальные пары, где неравенство проводников может вызвать проблемы в синхронизации и передаче сигналов.

Автоматическая трассировка. Эта функция доступна во многих САПР. Где-то она работает лучше, где-то хуже. Но помните, что автоматическая трассировка — это не та функция, которую можно использовать для разводки всей платы. С помощью этой функции удобно выполнять трассировку дифференциальных пар и повторяющихся некритичных областей платы. Конечно, автотрассировка должна соответствовать конструктивным ограничениям.

Документирование — очень важная функция любой САПР. Документация должна включать все необходимое для изготовления и сборки устройства, включая спецификацию, сборочный чертеж и Gerber файлы.

3D моделирование. Возможность изготовления 3D модели существенно ускоряет разработку корпуса. 3D модели позволяют визуализировать собранную плату и ее размещение в проектируемом корпусе.

Но, кроме разработки схем, разводки печатных плат и подготовки документации, есть еще одна полезная функция в САПР пакетах. Это функционал симуляции.

Симуляция

Симуляция позволяет провести моделирование работы аналоговой и цифровой части схемы за счет математических моделей компонентов. Без создания физического прототипа вы можете использовать моделирование схемы, чтобы изучить распространение сигнала в схеме, уровни сигналов и тепловыделение.

Рис. 3. Симуляция схемы может быть полезна на ранних стадиях проектирования

Для беспроводных схем особенно важна возможность радиочастотного моделирования и оценки схемы на соответствие нормативным требованиям. Радиочастотное моделирование — очень дорогая специализированная услуга. По этой причине, а также из-за стоимости проведения сертификации беспроводного решения, многие инженеры используют предварительно сертифицированные модули в своих радиочастотных проектах.

Когда вы спроектируете, соберете и протестируете вашу печатную платы, вам нужно будет разработать для нее корпус. Для этого обычно используются «механические» САПР. (Примечание переводчика: для малотиражных проектов вместо изготовления заказного корпуса выгоднее использовать готовые пластиковые корпуса. В этом случае, конечно, при проектировании печатной платы нужно сразу учесть посадочные отверстия в подходящем корпусе.)

«Механический» САПР

Большинство машиностроительных CAD-приложения позволяют проводить 3D-моделирование, создавать корпуса и поддерживают 3D-печать. С точки зрения инженера-электронщика, ключевой критерий выбора таких программ — это возможность импорта трехмерной модели печатной платы, созданной при разработке схемы.

Работа с цифровыми компонентами

Большинство современных проектов содержат в себе микроконтроллеры и FPGA, для которых требуются собственные инструменты и стратегии разработки. Многие инструменты разработки, используемые для программирования этих компонентов, такие как интегрированная среда разработки (IDE) для микроконтроллеров и программаторы, будут специфичны для конкретного элемента или семейства.

В случае применения FPGA вы, вероятно, будете использовать язык описания такой, как Verilog или VHDL. В любом случае вам потребуются программаторы, эмуляторы и отладчики для цифровых схем, которые позволят найти ошибки в коде и добиться надежной работы программы.

Статью дополнит небольшой очерк от Джона Тила, разработчика с большим стажем и автора статьи «Как разработать электронное устройство?»

Оцените статью
GadgetManiac
Добавить комментарий