S čím začať?

Väčšina elektroniky potrebuje nejaký mozog aby mohla niečo zmysluplné vykonávať. Tým mozgom je procesor. Na trhu je nespočetné množstvo procesorov od jednoduchých procesorov s architektúrou AVR až po  zložitejšie ARM procesory.

Výber architektúry a konkrétneho procesoru sa odvíja od použitia. Do úvahy treba brať vlastnosti ako cena, veľkosť púzdra, počet a typ vstupno výstupných portov, spotreba energie, pamäť, frekvencia procesora a ďalšie významnejšie či menej významnejšie parametre. Avšak jedným z najdôležitejších parametrov a to hlavne pre začiatočníkov je ako ľahko sa dá na danej platforme vyvíjať.

Najrýchlejšie sa začína na tzv. Vývojových doskách alebo development kitoch. Je ich nespočetné množstvo a medzi najznámejšie patrí Arduino, Raspberry PI, ESP32 ktoré si v krátkosti predstavíme.

Arduino

arduino
Arduino UNO

V roku 2005 vznikla prototypovacia platforma Arduino ako učebná pomôcka pre študentov postavená na 8-bitových procesoroch Atmel. Komunita vytvorila grafické vývojové prostredie a knižnice ktoré výrazne zjednodušili prácu s vstupno-výstupnými portami.

Študenti tak mohli veľmi jednoducho vytvoriť a naprogramovať systém, ktorý napríklad na základe napätia nameraného na jednom pine procesora, ovládajú servomotor PWM (pulzne šírkovo modulovaným) signálom z iného pinu procesora.

Ako užívateľovi vám teda namiesto pracného osadenia nepájivého poľa procesorom a pridružených súčiastok, čítania a a lúštenia datasheetu, stačí pripojiť Arduino dosku do počítača pomocou USB kábla, otvoriť programovacie prostredie a vybrať si jeden z mnoho príkladov s predpripraveným kódom s najpoužívanejšími funkciami.

Výhody:

  • cena (dá sa zohnať od pár eur), jednoduchosť vývoja, veľkosť, spotreba

Nevýhody:

  • obmedzená pamäť a rýchlosť (iba pár kilobitov pamäte pre program),

Príklad použitia:

  • Spracovanie signálov, ovládanie lediek, motorov a iných akčných členov, posielanie dát

Raspberry PI

raspberry pi 3
Raspberry PI 3. generácie

Raspberry PI vznikol tiež podobne ako Arduino ako projekt podporujúci informatiku na školách. Jedná sa však o kompletný počítač vo veľkosti bankomatovej karty so všetkým čo k tomu patrí. Beží na ňom operačný systém Linux, má vstupno výstupné rozhrania potrebné na prácu na PC ako USB, ethernet a HDMI. Okrem toho ponúka aj prácu s GPIO podobne ako Arduino. Má však oveľa väčší výpočtový výkon preto je možné použiť na náročnejšie aplikácie ako umelá inteligencia, rozpoznávanie obrazu, prenášanie videa atď.

Výhody:

  • vysoký výpočtový výkon, cena, práca rovnaká ako s PC, dobrá podpora na internete, pripojenie na internet

Nevýhody:

  • vyššia spotreba, vhodné iba pre DIY

Príklad použitia:

  • Ovládanie smart home, streamovanie videa, ovládanie akčných členov, stavba robotov

ESP32

ESP 32 so senzormi na prototypovacej doske

ESP32 je modul postavený na výkonnom procesore s jedným alebo dvoma jadrami do frekvencie 240 MHz. Obsahuje wifi a bluetooth rozhranie takže je vhodný na bezdrôtovo ovládané aplikácie. Arduino komunita vytvorila “arduino jadro” vďaka ktorému je možné tento modul programovať v Arduino prostredí alebo aj sktiptovacie jazyky ako Javascript, Python, Lua a ďalšie. Wifi aj bluetooth môže fungovať naraz čo je veľkou výhodou v IOT aplikáciách. K modulu sa dajú pripojiť ďalšie periférie ako OLED displej. ESP32 je vďaka nízkej cene v rozmedzí 2-5 USD, relatívne veľkému výkonu a dobrej podpory je čoraz populárnejším na poli IOT.

Výhody:  

  • výpočtový výkon, cena, podpora, WIFI+bluetooth, spotreba, možnosť programovať v Arduino IDE

Nevýhody:

  • Vyššia spotreba 

Príklad použitia:

  • Komunikačný modul, IOT, ovládanie akčných členov, zobrazovanie dát

Prototypovacia doska

V prípade, že chcete využiť konkrétny procesor a neviete nájsť vývojový kit prípadne potrebujete vytvoriť vlastný obvod ale nechcete ho letovať, je možné použiť tzv. protypovaciu dosku alebo po anglicky “breadboard”. Ide o dosku so sústavou dierok ktoré horizontálne vodivo pospájané a vertikálne sú rozdelené na dve vodivo oddelené časti. Do dierok sa dajú takto napichať komponenty na vytvorenie funkčného prototypu bez nutnosti letovania.

Návrh plošného spoja

Po vytvorení funkčného prototypu na vývojom kite alebo breadboarde a overenie správneho  zapojenia si môžeme takéto zapojenie “prekresliť” do počítača. Tvorba dosky plošných spojov (DPS) alebo po anglicky “printed circuit board” (PCB) sa začína kreslením schémy. Schéma je blokové zapojenie všetkých komponentov. Tj. je určené čo má byť s čím spojené bez znalosti rozloženia komponentov a cestičiek.

PCB scheme
Príklad schémy

Po vytvorení schémy sa v softvéri prepneme do režimu tvorby plošáku. Nakreslíme si tvar plošáku a rozmiestnime naňho komponenty zo schémy. Tie sú zatiaľ pospájané iba virtuálnymi cestičkami podľa schémy. Našou úlohou je nakresliť tieto cestičky tak ako budú naozaj vyzerať. Pri tvorbe cestičiek máme dve možnosti, buď necháme softvér vytvoriť cestičky automaticky alebo si nakreslíme cestičky sami. Takéto automatické zapojenie tzv “ autoroute” ale nie je vždy najoptimálnejšie čo sa týka elektrotechnických vlastností plošáku, preto je lepšie urobiť si to manuálne alebo aspoň upraviť automaticky vytvorenú schému podľa dôležitých pravidiel. Problematika tvorby schémy a dizajnu plošáku je na celý ďalší blog takže o tom možno neskôr.

PCB design
Hotový návrh cestičiek plošného spoja

Výroba dosky plošných spojov

Po vytvorení schémy a dizajnu plošáku môžme pristúpiť k výrobe samotného plošáku.

Vyrobiť si prvý plošák je možné aj v domácich podmienkach. Na výber je hneď niekoľko možností. Buď využijete unvirzálnu prototypovaciu medenú dosku alebo využijete sofistikovanejšiu metódu tvorby plošákov leptaním.

Na univerzálnej doska má podobne ako breadboard v sebe dierky a ktoré môžu alebo nemusia byť vodivo pospájané. Vodivé spojenie medzi súčiastkami vytvoríme buď cínom alebo použijeme na prepojenie súčiastok káblik.

universal PCB
Univerzálna doska na prototypovanie
universal pcb board backside
Prepojenie komponentov na univerzálnej doske

Výroba leptaním

Žehlíš, žehlím, žehlíme

Nažehlovacia metóda spočíva vo vytlačení si na laserovej tlačiarni, návrh plošáku na priesvitnú meotarovú plastovú fóliu alebo papier.

PCB design on paper
Vytlačený design plošného spoja na papieri

Následne sa fólia pritlačí na medenú laminátovú dosku a prežehlí sa. Na medenú dosku sa tak otlačí zrkadlový obraz cestičiek.

PCB ironing
Vyleštená medené cuprexitová doska pripravené na žehlenie

Dosku následne ponoríme do roztoku chloridu železitého (FeCl3) ktorý rozpustí všetko okrem cestičiek. Následne ho opláchneme vodou a liehom očistíme toner z cestičiek a plošák je hotový.

etched PCB
Vyleptané cestičky
shiny new PCB
Vyleštený hotový plošák

Výhody:

veľmi lacné  a rýchle prototypovanie

Nevýhody:

Farba sa nie vždy dokonale otlačí na medenú dosku, takže vynechané miesta treba dokresliť fixkou. Nie je vhodné na tenšie cestičky.