Особенности разработки отечественных отладочных плат микропроцессорных систем

Отладочные платы (development boards) – это аппаратные средства, предназначенные для разработки, тестирования и отладки программного обеспечения и аппаратных решений. Они играют важную роль в инженерной практике, особенно при создании встраиваемых систем, устройств для экосистемы Интернета-вещей (IoT), промышленной автоматизации и других высокотехнологичных продуктов.

При производстве микропроцессорных отладочных плат используются современные достижения в сфере электроники. Обычно отладочные платы создаются компаниями производителями элементной базы для возможности ее испытания широким кругом разработчиков, а в последствии создания конечных коммерческих устройств. Потенциал разработки кратно увеличивается если производитель отладочной платы предлагает хорошо проработанные примеры программ, библиотек, а также интегрированных средств разработки.

В России при наличии хорошей инженерной школы разработчиков долгое время наблюдалось засилье иностранных производителей микропроцессорных систем, средств разработки, в том числе и отладочных плат. За время доминирования иностранных разработок, которые стали де-факто стандартами в разных сферах направление, отечественные средства отладки стали уделом узкоспециализированных отраслевых институтов.

С 2022 года, в связи с усилением санкционного давления и ограничениями по импорту компонентов, в России значительно возрос интерес к разработке собственных отладочных плат и микропроцессорных решений.

Команда авторов статьи за долго до 2022 года проводила собственные изыскания в сфере разработки собственной платформы, которая позволила бы решить как частные задачи в сфере образования, так и найти применение среди разработчиков конечных решений.

Так как в нашей стране отсутствуют доступные микропроцессоры, которые можно применить, не увеличивая стоимость изделия было принято выбрать доступную микропроцессорную платформу с открытыми интерфейсами и средами разработки.

Выбор был сделан в сторону семейства Raspberi Pi 2–5 совместимых микрокомпьютеров.

Raspberry Pi – это серия недорогих одноплатных компьютеров, разработанных британской благотворительной организацией Raspberry Pi Foundation с целью продвижения изучения основ информатики и программирования в образовательных учреждениях. Данный микрокомпьютер подразумевает работу с операционными системами Linux, позволяет подключать обычные периферийные устройства персонального компьютера и может применяться как средство разработки, так и в качестве персонального компьютера, но с ограниченным функционалом.

Интерес разработчиков привлекает специальный программируемый интерфейс ввода вывода (рис. 1). Помимо этого, интерфейс стандартизирован и нашел применение для создания электрически совместимых с Raspberry Pi микрокомпьютеров, таких как OrangePi, Asus Tinker Board, Repka Pi (производство Россия).

Рис. 1. Интерфейс разработчика Raspberry Pi

Стоит заметить, что при высокой популярности данных микрокомпьютеров (объем глобального рынка в 2023 составил порядка 780 млн долларов) существует недостаток средств разработки для Raspberry Pi компьютеров.

В рамках работы по программе «Умник-НТИ», реализуемой Фондом развития инноваций, был осуществлен проект создания отечественной отладочной платы для одноплатных компьютеров.

При разработке собственной отладочной платы необходимо определить круг потенциальных задач, решаемых устройством.

Авторы определили следующие:

1. Сбор данных с датчиков, окружающей среды;
2. Отображение различной текстовой и графической информации на дисплеях, устанавливаемых на отладочную плату;
3. Возможность индикации информации на светодиодах;
4. Получение управляющих команд с кнопок;
5. Управление исполнительными механизмами такими как, сервомотры;
6. Предоставление конечному пользователю подключать свои устройства, используя цифровые входы/выходы и промышленные интерфейсы UART, I2C.

На рисунке 2 приведена блок-схема, проектируемой отладочной платы. Для нее было определено торговое название Genius, а также создан персонаж для наполнения справочно-информационных материалов.

Рис. 2. Блок-схема отладочной платы

При проектировании важнейшим элементом является эргономика устройства, дружелюбный внешний вид и простота для работы конечного потребителя.

На рисунке 3 приведена выкладка периферии для последующего проектирования схемы электрической принципиальной и печатной платы.

Рис. 3. Расположение элементов для проектирования

С использованием средств проектирования схем электрических принципиальных были получены промышленные работоспособные образцы отладочной платы для микрокомпьютеров.

На рисунке 4 приведена 3D модель устройства.

Рис. 4. Внешний вид модели устройства

Как было отмечено выше качественная разработка отладочных плат подразумевает создание и апробацию программного обеспечения, которое будет применяться конечным потребителем.

Для простоты работы с отладочной платы было принято решение создавать библиотеки и примеры с использованием языка программирования Python. Примеры программ включены в методическое пособие для удобства понимания кода и особенностей его работы с элементами устройства. Методическое пособие со всеми экспериментами прошло апробацию в организациях партнерах, которые являются целевой аудиторией: Учебный центр «ROBOSCHOOL.RU», организации среднего профессионального образования (СПО) в г. Иркутске: ГБПОУ «Иркутский энергетический колледж», ГБПОУИО «Иркутский авиационный техникум». В рамках апробации в СПО студенты профильных специальностей компьютерные системы и комплексы и информационные системы по отраслям разбирались в особенностях современных микропроцессорных систем. Студенты в рамках учебной практики по микропроцессорным системам смогли на собственном опыте убедиться в связке таких дисциплин как основы алгоритмизации и разработка кода информационных систем, междисциплинарных курсов «Применение микропроцессорных систем».

На рисунке 5 приведен процесс работы с отладочной платой одним и студентов.

Рис. 5. Работа с отладочной платой

Выводы

В рамках статьи был рассмотрен процесс разработки отечественной отладочной платы для микропроцессорных систем совместимых с семейством Raspberry Pi. Представленный проект ориентирован как на образовательную среду, так и на профессиональных разработчиков. Актуальность проекта обусловлена рядом факторов – в первую очередь, ростом интереса к импортозамещению в сфере электроники в условиях санкционного давления, а также потребностью в доступных и функциональных средствах разработки для продвижения инженерного образования и создания прикладных решений в области Интернета вещей (IoT), автоматизации и робототехники.

Таким образом, разработка собственных отечественных решений в области встраиваемых систем способствует популяризации технического творчества, повышению качества инженерного образования и укреплению позиций отечественных решений на внутреннем и потенциально зарубежных рынках.