В этой статье мы рассмотрим, из каких составляющих состоит большинство электронных продуктов. Это поможет тебе понять общее устройство гаджетов. Про каждый стандартный блок можно рассказать отдельно, в этой статье мы рассмотрим основу архитектуры электронного продукта.
Для сокращения затрат на производство электронные устройства проектируются как системы, состоящие из функциональных модулей. Выделяют 4 основных типа модулей:
- Питание — дает устройству необходимую энергию
- Логический элемент — управляет всеми процессами прибора
- Активный компонент — часть, отличающая твой продукт от всех других
- Внешний интерфейс — позволяет обмениваться информацией с внешним миром
Питание
Всем электронным устройствам необходимо питание. Чтобы выбрать этот элемент, ты должна понять, какие задачи выполняет продукт и как он будет выглядеть.
Есть два типа устройств: мобильные (Jawbone UP, Narrative) и стационарные (Amazon Echo, Nest Cam). Первые созданы для того, чтобы работать без подключения к электричеству, а вторые функционируют, только когда они соединены с розеткой. Также есть гибридные устройства — например, колонка Jawbone JAMBOX, у которой есть большая внутренняя батарейка.
На выбор между заряжаемыми и незаряжаемыми батареями влияют два фактора: потребление и стоимость. Если твой продукт потребляет так мало тока, что батарея будет держаться дольше, чем покупатель будет его использовать (например, как Jawbone Up Move), добавлять возможность подзарядки не обязательно.
Что касается технологий заряжающихся батарей, то на сегодняшний день лучший вариант — это LiPo. У нее отличное соотношение физического объема к емкости, и она не имеет никаких серьезных недостатков. Это универсальная технология, которая используется в большинстве современных электронных устройств. Кроме того, массовое производство делает ее дешевой (~$2–10) и доступной во многих стандартных формах и размерах. Помимо этого, ты можешь заказать батарейку нестандартного размера, если размер партии достаточно большой.
Для устройств, которые потребляют немного энергии, подходят незаряжаемые батареи, но если ты хочешь, чтобы их не нужно было часто менять, придется увеличить размер продукта. Так происходит потому, что соотношение физического размера к емкости у стандартной незаряжаемой батареи намного хуже. Электроника с LiPo-батареями намного меньше и легче, чем альтернативные версии с той же продолжительностью жизни батареи.
Если ты делаешь аксессуар, который должен работать с другими устройствами (например, аксессуар для GoPro), он может получать питание от них, но даже в таком случае маленькая LiPo, работающая как временный источник питания (термостат Nest), может быть хорошей идеей.
Логический элемент
Логический элемент — это мозг устройства. Он принимает все решения: перемещает информацию между частями прибора (например, собирает показания датчиков и формирует их для передачи через внешний интерфейс) и, самое главное, управляет активным компонентом (подробнее о нем — дальше в этом тексте).
В большинстве устройств в качестве логического элемента используются микроконтроллеры. Это микропроцессоры со стандартными периферийными устройствами — такими, как последовательные интерфейсы ADC (Analog-to-digital converter — аналого-цифровой преобразователь), DAC (Digital-to-analog converter — цифро-аналоговый преобразователь), PWM (Pulse-width modulation — широтно-импульсная модуляция) и другими.
Софт для микроконтроллера называется прошивкой. Обычно эти программы создаются на языках программирования C/C++. Если ты умеешь писать код для Arduino, вероятно, ты сможешь самостоятельно написать прошивку (чтобы лучше разобраться, можно обратиться к этой книге).
Альтернативный вариант логического элемента — программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, или англ. FPGA). Это устройство с матрицей из программируемых транзисторов. Такие устройства полезны, когда тебе нужна производительность — например, если ты создаешь очень сложный прибор типа очков виртуальной реальности. Кроме того, интегральные схемы обладают гибкостью, так что если ты хочешь, чтобы первая версия твоего прибора работала со второй версией, использующей другой интерфейс, после обновления ПЛИС это возможно, но не получится, если ты выберешь микроконтроллер.
Также в качестве логического элемента подходит аналоговое управление (оно применялось в радиоприемниках старого образца), в котором нет микроконтроллеров — все управление осуществляется за счет потенциометров. Такой подход позволяет уменьшить стоимость прибора и избавляет от необходимости писать код для устройства, но при этом не дает возможности обновлять устройство после выпуска.
Активный компонент
Эта часть взаимодействует с реальным миром: это могут быть датчики, измеряющие окружающую среду, камера, мотор, реле или что-то еще. На схеме изображена лишь часть вещей, которые ты можешь сделать, но она показывает, сколько возможностей у тебя есть.
В этой части устройства у тебя больше всего возможностей для выбора. И если ты начинаешь работу с идеи того, что ты хочешь создать, ты уже знаешь, какая информация тебе необходима. Например, если ты делаешь прибор, анализирующий состояние воздуха, то активный компонент — это датчик, измеряющий концентрацию газов в атмосфере.
Внешний интерфейс
Это связь между твоим устройством и внешним миром. Твой выбор будет зависеть от таких параметров, как потребление энергии, дальность связи и область применения. Основные варианты представлены на диаграмме:
Если устройство, с которым «разговаривает» твой продукт, ты сделала сама, ты можешь выбрать протокол связи между ними.
Что касается беспроводных интерфейсов, BLE — лучший выбор для взаимодействия со смартфонами (примеры: Spire, BB-8), так как он есть во всех современных устройствах и с ним очень легко работать при взаимодействии с iOS (в отличие от Classic Bluetooth, который требует лицензионного соглашения с Apple). Это очень интересный протокол, с которым можно делать необычные вещи, для которых он не предназначен (например, передавать большие объемы данных).
Лучшее решение для стационарных устройств — Wi-Fi: тоже из-за того, что оно вездесуще (примеры: Amazon Dash, Withings Aura). Соединение требует больше мощности, чем BLE. Вероятно, это единственный вариант для стационарной электроники, потому что Wi-Fi есть в каждом доме.
Если ты не боишься трудностей, можно пойти другим путем и использовать внешнее устройство, которое будет вести себя как мост между твоим продуктом и внешним миром. Это подходящая стратегия только в трех случаях:
- Ты не хочешь, чтобы твое устройство было постоянно включено в розетку, а подзарядка неудобна (примеры: August Smart Lock, Estimote, Samsung SmartThings Home Monitoring Kit);
- Есть причины для того, чтобы все устройства взаимодействовали друг с другом напрямую (пример: беспроводные mesh-сети, применяющиеся, помимо прочего, в сельском хозяйстве);
- На рынке нет решений, подходящих для твоего пользовательского случая (пример: протокол Thread, разработанный компанией Nest, которая производит знаменитые термостаты).
Если интерфейс не беспроводной, USB — это подходящий способ соединения в 99% случаев.
Когда ты начинаешь разработку электронного прибора, кажется, что количество компонентов и вариаций бесконечно. На самом деле сегодня создание новых устройств — это умелое сэмплирование, а не изобретение систем заново. Знание «сэмплов» поможет тебе подобрать оптимальное решение. Недостаточное понимание составных частей электроники часто приводит к неправильным решениям (неподходящие элементы питания, не тот интерфейс и т. д.).
Этот пост — первый шаг на пути к пониманию принципов устройства электронных приборов. Не жалей времени, чтобы разобраться в основах архитектуры, составных блоках и принципах работы будущего продукта — так тебе будет намного проще оптимизировать производство, определить себестоимость прибора и сделать его максимально функциональным.
Текст: Андрей Говердовский (инженер, Lapka)
__
Подписывайся на наши новости:
twitter.com/use_ruki
instagram.com/use_ruki
facebook.com/rukirussia
Подробности на useruki.com
