Вместо предисловия
Актуальность и важность проектов по разработке роботизированных (в том числе интеллектуальных) устройств, интернета вещей и цифровых двойников в настоящее время не вызывает сомнения. Но для реализации таких проектов необходимы высококвалифицированные специалисты. Для подготовки таких специалистов во многих странах мира, в том числе и в России, активно проводятся работы по выявлению у детей склонностей к логическому мышлению и конструированию, а также развитию этих способностей в рамках секций по программированию и робототехнике. При этом немаловажную роль в подготовке будущих специалистов играют применяемые на занятиях микроконтроллеры (например Arduino) и одноплатные компьютеры (Raspberry Pi и его клоны).
В тоже время, популярность и доступность программируемых контроллеров и одноплатных компьютеров, а также предоставляемые ими возможности по управлению внешними устройствами и обработке входных сигналов позволили сплотить вокруг них целое сообщество энтузиастов, занимающихся разработкой хоббийных проектов (например, проекты: умный дом/сад/огород/гараж, ЧПУ для домашнего хозяйства, радиоуправляемые и автономные роботы и т.д.).
Одним из ярких представителей одноплатных компьютеров является разработка ООО НПО “Интеллект“ - Repka Pi 3, позиционируемая разработчиками как альтернатива Raspberry Pi 3. Данный одноплатник достойно зашел в среду с достаточно высокой конкуренций (со стороны наших китайских друзей), и по моему мнению, активно наращивает вокруг себя сообщество энтузиастов.
Любой учебный и даже мало-мальский хоббийных проект на основе микроконтроллера или одноплатного компьютера требует предварительного построения схемы подключения всех устройств, расчета нагрузки на цепи питания, подбора источников питания, а также сведения к минимуму вероятности появления короткого замыкания. При этом применение для этих целей специализированных САПР не всегда оправдано или невозможно в силу отсутствия у разработчика проекта инженерной подготовки. Для решения этой проблемы были разработаны упрощенные САПР для построения схем проектов экосистемы микроконтроллеров Arduino, которые в дальнейшем стали применяться и в проектах с одноплатными компьютерами семейства Raspberry Pi. Такого рода системы позволяют проектировать макеты на интуитивном уровне и применять их обучении работы с устройствами.
Далее в статье приводится описание разработанных компонентов для представления одноплатного компьютера Repka Pi 3 и драйвера сервопривода RoboIntellect controller m1 при разработке макетов проектов в САПР Fritzing.
Fritzing — это свободное кроссплатформенное программное обеспечение, упрощённый САПР WYSIWYG-интерфейсом для хоббийных проектов экосистемы Arduino. ПО разработано в Университете прикладных наук Потсдама (Германия).
Полезные ссылки
Официальный сайт проекта Fritzing.
Скачивание бинарных сборок под Windows, Mac и Linux AppImage с официального сайта доступно только на платной основе
Ссылки для скачивания дистрибутива приложения Fritzing v. 0.9.9 для: Windows, Linux.
Для RepkaOS (и большинства ОС Linux на основе Debian), программа включена в репозиторий, ее можно установить командой sudo apt install fritzing.
Исходный код Fritzing v. 0.9.9 на сайте GitHub.
Большая библиотека компонент Fritzing расположена на GitHub. Дополнительные компоненты можно скачать здесь и здесь.
Как добавить новые компоненты в Fritzing? Смотри инструкцию на YouTube.
Компонент Fritzing: Repka Pi 3 (скачать)
Представление компонента (рис. 1) основано на рендере для рисования схем подключений к Repka Pi 3, опубликованного на официальном сайте разработчика устройства. Контакты GPIO-разъема соответствуют номерам портов, используемых в прошивке 1.0.8 и выше. Дополнительно на макет платы вынесены контакты для подключения микрофона, кнопок питания и перезагрузки устройства.
Рис. 1. Представление компонента Repka Pi 3 на схеме Fritzing.
На представлении компонента Repka Pi 3 для принципиальной схемы (рис. 2) порты разъемов устройства разнесены по граням прямоугольника, при этом контакты питания и “земля“ не объединялись в один контакт из соображений удобства работы с компонентом. Контакты питания вынесены в верхнюю часть представления и сгруппированы по уровню напряжения. Контакты “земля“ вынесены на нижнюю грань прямоугольника. В правой нижней части расположены разъемы для подключения микрофона, кнопок питания и перезагрузки устройства.
Рис. 2. Представление компонента Repka Pi 3 на принципиальной схеме Fritzing.
Левая грань прямоугольника соответствует внутреннему ряду портов GPIO-разъема, а правая - внешнему ряду. Наименование портов и их номера соответствуют распиновке портов 40 pin разъёма на Repka Pi 3, представленной на сайте разработчика устройства.
Компонент Fritzing: Servo driver - RoboIntellect controller m1 (скачать)
Так как на сайте разработчика отсутствует рендер контроллера для рисования схем подключений его представление (рис. 3) создавалось на основе фотографии устройства, размещенного на официальном сайте разработчика. На плате представления размещены все контакты, кроме контактов разъема SHUNT используемого для подключения датчика тока INA219.
Рис. 3. Представление компонента RI controller m1 на схеме Fritzing.
На представлении контроллера для принципиальной схемы (рис. 4) входные контакты расположены на нижней грани прямоугольника, контакты 4 портов I2C хаба вынесены на левую грань. Контакты подключения управляемых ШИМ (PWM) устройств расположены на правой (порты 1-13) и верхней (порты 14-16) гранях прямоугольника.
Рис. 4. Представление компонента RI controller m1 на принципиальной схеме Fritzing.
Примечание: контакты портов подключения управляемых ШИМ (PWM) устройств, для удобства использования, разделены пунктирной линией.
Пример использования разработанных компонентов
Тестирование разработанных компонент осуществлялось путем построения макетов подключения устройств к компонентам Repka Pi 3 и RI controller m1 различной сложности, пример одной из схем представлен на рисунках 5 и 6.
Рис. 5. Пример использования разработанных компонентов Fritzing.
Проект представляет собой прототип, реализующий функцию следования манипулятора за движущимся в пространстве телом, красный светодиод сигнализирует об отсутствии тела в поле видимости, зеленый - об обнаружении тела и слежении за ним. Подключение проводов к GPIO-разъему осуществлено с использованием второго варианта распиновки. Питание сервоприводов осуществляется от отдельного источника питания.
Рис. 6. Пример использования разработанных компонентов Fritzing. Принципиальная схема.
Примечание: резисторы на принципиальной схеме Fritzing отображаются в виде ломаных линий (“зигзагов”).
Заключение
Формируемые с помощью САПР Fritzing схемы понятны даже детям.
Применение компонента вместо встроенного в приложение компонента для Raspberry Pi 3 позволяет исключить путаницу с подключением проводов к контактам GPIO-разъема (не совпадает распиновка), и сделать схему более наглядной при применении Repka Pi 3.
Результаты построения макетов схем с применением разработанных компонентов будут полезны при разработке учебных материалов, наглядных пособий, схем и плакатов для учебных курсов, а также при написании статей и обмене опытом построения хоббийных проектов.
Repka Pi 3 и RoboIntellect controller m1 являются зарегистрированными торговыми знаками ООО НПО "ИНТЕЛЛЕКТ".
Попробовал программу Fritzing. На оффсайне немцы хотят 8евро. по ссылке тут скачал и установил программу локально для 1 пользователя. Программе необходим интернет для загрузки библиотеки компонентов и наличие папки Documents по умолчанию на системном диске с виндовсом. Иначе команда импорта завершается с ошибкой - файл не найден. Удалось импортировать в библиотеку перетаскиванием в поле программы Fritzing.
Если вы используете РепкаОС (или другой ОС Linux), то можете установить Fritzing из репозитория командой sudo apt install fritzing. В windows папка Documents необходима для сохранения библиотеки компонет, они хранятся в папке документов пользователя, в подпапке Fritzing. По умолчанию установлен базовый набот элементов, дополнительные элементы скачиваются из интернета.
Благодарю за ответ.
В том то и дело что я юзаю винду, а папка Документы была на флешке в момент установки . Сама программа достаточно интересна и всесьма полезна для разработки макета и документации проекта. Позволяет не тратиться на закупку матчасти ,в части обучения подростков - дать им понять интересно ли им вообще эта тема.
От покупки Репки оттолкнуло то что она дороже новой Апельсинки на Rockchip RK3566 , скуднее по комплектации и не оптимальна для ремонта старого медиасервера. Хотя именно как замена Малинки по портам GPIO она подходит для других проектов.
Покупать плату как игрушку для обучения программированию я не вижу смысла, когда в наличии есть ПК ,ноутбуки. И даже на смартфоне через OTG можно клавой кодить. Тем более, когда оказывается, есть Fritzing
Однозначно, технология подбирается под проект, не важно касается это ЯП или железа. А вот на счет игрушки для программирования, из личного опыта, объяснять детям основы алгоритмов, когда они видят не бездушный текст в консоли, а мигающие светодиоды, вращающиеся элементы, или тактильное взаимодействие с кнопками для ввода параметров на много эффективнее и интереснее. И здесь уже одноплатники выходят на передовую. А на счет того что использовать Репку, Малинку или Апельсины вам решать, но по моему мнению показывать детям, что они работает со сложной электроникой, разработанной и собранной в их родной стране нужно и полезно.
:-)