Как вы относитесь к симуляторам электронных схем? Кто-то на них плюется, а мне нравится! Особенно нравится, когда организму лень отлипать от дивана, а мозг требует схемотехники. Arduino IDE + ISIS Proteus на мой взгляд — отличная альтернатива компьютерным игрушкам.
Часто причиной возникновения в железе моих проектов «выходного дня» является именно результат удачного моделирования в симуляторе. Так случилось и в этот раз, я досимулировался до того, что получилось вполне жизнеспособное устройство, которое было решено воплотить в реальном мире.
Я уже ни раз писал, что электроника — мое хобби, я занимаюсь этим от скуки. Кто-то увлекается рыбалкой и ходит на реку с удочкой. А я вместо снастей и приманок покупаю радиодетали и заказываю печатные платы. Если для вас пайка сродни медитации, а дым канифоли слаще кальяна, то этот пост для вас. Паять в этот раз мне пришлось ну очень много.
❯ Моделирование бегущей строки в Proteus
С вами же бывает так, что просто захотелось шоколадных конфет? Вы не задаетесь вопросом: «почему?» — а просто идете на кухню, завариваете чай, достаете конфеты и с удовольствием удовлетворяете эту потребность. Вот так однажды мне захотелось запрограммировать бегущую строку. Но таковой у меня под рукой в тот момент не оказалось. На помощь пришел ISIS Proteus.
«У самурая нет цели, только путь» — успокаивал себя я, и продолжал соединять виртуальные компоненты виртуальными проводами. Не могу сказать, что процесс сборки виртуальной модели был увлекательным. У Proteus весьма своеобразный интерфейс, но с этим можно смириться и привыкнуть. Уж простите, но токоограничивающие резисторы для светодиодов на виртуальной модели я решил не ставить. И не подумайте ничего плохого, мне же нужна была всего-навсего модель для визуализации. Поэтому вместо силовых ключей для переключения строк на виртуальной модели размещены инверторы.
В основе схемы заложен микроконтроллер ATmega328, угадайте почему? Для хранения текста, который будет отображать строка, имеется микросхема памяти с интерфейсом I2C 24С128. Управление бегущей строкой для записи текста будет производиться через USART микроконтроллера из терминала. В железе можно поставить любой преобразователь типа FT232. Впоследствии можно будет слепить какую-нибудь программулину для компа, которая сможет отправлять в строку текст автоматически.
Развертка светодиодной матрицы выбрана построчной, чтобы снизить мерцания и получить высокую яркость. Размер матрицы я сделал 7 х 96 точек. Высота в 7 светодиодов отлично подходит для отображения текста. Если в матрицу закладывать 8-ую строчку, то она практически все время была бы выключена, или буквы смотрелись бы не очень пропорционально. К тому же, этот ход позволил в дальнейшем сэкономить 96 светодиодов.
Для управления светодиодами в строке использованы сдвиговые регистры 74НС595. Они обладают выходной защелкой. Это позволяет не отключать светодиоды в строке в то время, когда микроконтроллер записывает ее содержимое, что положительно влияет на яркость. Также эти регистры имеют хороший выходной драйвер, и, самое важное, они очень доступные. Есть один недостаток: для управления светодиодами необходимо добавить в схему 96 токоограничивающих резисторов.
❯ Как подружить Arduino и Proteus
Сложного в этом деле ничего нет, но один раз посмотреть, как это делается, не помешает. Я использую Arduino IDE 2.0 и ISIS Proteus 8.6 SP2. Да, Proteus у меня староват, версия 8.6 вышла в 2017 году. Последняя версия на сегодня изменений в нужную для меня сторону имеет не так много.
Традиционным способом создаем новый скетч для платы Arduino UNO. Эта плата выполнена на основе микроконтроллера ATmega328, который я решил использовать в своем проекте. Далее сохраняем скетч в удобном месте на своем компьютере. Пишем необходимый код. Но компиляцию кода выполняем с помощью команды "Sketch / Export Compiled Binary" или сочетание клавиш "Alt + Ctrl + S". В результате в папке со скетчем появится необходимый файл для прошивки микроконтроллера. Его можно будет прошить в реальную железку, или использовать для моделирования в Proteus, что мы и сделаем.
Пожалуй, извлечение прошивки из Arduino IDE самая большая загвоздка. Дальше все совершенно просто. Нужно указать путь к файлу с прошивкой к виртуальной модели микроконтроллера в Proteus, и настроить его аналогично тому, как установлены fuse-биты у микроконтроллера в плате Arduino Uno.
Из обязательных настроек устанавливаем тактирование от внешнего кварцевого резонатора, и тактовую частоту 16МГц. В качестве файла прошивки можно подключать файлы с расширением "HEX" или "ELF". "HEX" — это фактически образ программной памяти. "ELF" — это файл, предоставляющий возможность отладки, но как-то этому в Arduino IDE уделили недостаточно внимания.
Программировать микроконтроллер в Arduino IDE, не используя при этом плату Arduino, вполне возможно. Нужно это или нет, это уже другой вопрос, в этой статье подымать его очень не хотелось бы. На официальном сайте есть описание платы Arduino UNO, в нем приводится поясняющая картинка, по которой можно определить связь между выводами платы Arduino UNO и портами микроконтроллера ATmega328.
❯ Сборка бегущей строки в железе
Светодиоды для строки решил брать обычные красные выводные с 5-ти миллиметровой колбой. Они как правило самые дешевые, ну и самые «живучие». Колбы светодиодов выбрал тонированные, в черном пластике они выглядят достаточно темными, это создает более высокую контрастность изображения по сравнению с прозрачными колбами.
Угол рассеивания светодиодов 60 градусов, чтобы иметь максимальный угол обзора бегущей строки и не подсвечивать соседние светодиоды в матрице. Светодиоды с углом 45 или 15 градусов брать не советую. Яркость 150mcd вполне достаточно для помещений или установки на улице на теневой стороне. На солнышке, конечно, их будет видно слабовато, но мне это и не нужно.
Так как светодиоды работают в импульсном режиме, подаю на них ток около 60мА. Вполне можно подавать и больший ток, но мне такая яркость уже не нужна. Светодиодами Arlight пользуюсь больше двадцати лет. В свое время использовал их тысячами штук. Работают в таком режиме свободно.
Если сами решитесь собирать большие светодиодные матрицы, покупайте светодиоды только пачками с подходящим количеством. И смотрите, чтобы бин-код на пачках был одинаковый. Иначе светодиоды в матрице будут сильно отличаться по цвету и яркости, выглядеть будет так себе.
В качестве основного материала для изготовления светодиодной матрицы я решил использовать алюминиевую композитную панель для изготовления наружной рекламы. Материал достаточно прочный, легкий и простой в обработке. Использовать обычный пластик крайне не рекомендую. Из-за большой кучности отверстий материал скорее всего вспучит, и он пойдет волнами.
Для первого образца я решил все делать вручную, вооружился шуруповертом и просверлил чуть больше полутысячи отверстий. Если кто-то тоже отважится на подобное, рекомендую купить мебельное сверло подходящего диаметра. Эти сверла имеют более острый угол захода, лучше центруют и сверлят круглое отверстие. Обычным сверлом добиться хорошей посадки светодиода вряд ли получится. Светодиоды заталкивал при помощи обычной отвертки.
Светодиоды соединял в матрицу объемным монтажом. Выводы гнул, ориентируясь на утолщения на них. Сперва нужно согнуть и пропаять горизонтальные связи, а потом уже вертикальные, иначе потом подобраться паяльником к нижнему слою проводников будет затруднительно. После пайки конструкция получается достаточно жесткой, чтобы исключить замыкания между вертикальными и горизонтальными выводами. Обрезки выводов светодиодов удобно собирать магнитом, производители специально предусмотрели такую возможность.
На самом деле это только выглядит страшно. Задача вполне посильная. Важно не пытаться как-то упростить этот процесс, а делать все методично и поступательно. На все ушло пара вечеров.
Печатную плату по старинке изготовил утюжком. И на ней конечно же появились токоограничивающие резисторы. Люблю SMD компоненты только за то, что под них не нужно сверлить отверстия. Но вот провода для подключения матрицы надо было брать потоньше, и отмерять их длину точнее, жгут получился не очень опрятным.
❯ Текстовая табличка
Только после окончания сборки бегущей строки, я серьезно оценил ее размеры и задумался о целесообразности такого изделия в домашнем хозяйстве. И тут в голову пришла очередная шальная мысль сделать облегченную версию! Сказано — сделано.
В матрице выделил фиксированные знакоместа и ограничил их количество. Получилось некое подобие всеми любимого ЖКИ на основе контроллера HD44780. Вполне нормальный вариант, чтобы повесить такое табло над дверью и выводить на нем надписи «занято» и «свободно»… Ну а для чего еще дома может понадобиться бегущая строка?!
Написал несколько эффектов для обновления текста. Тут доступен полный полет фантазии, я придумал такие, как показано на видео. Proteus с динамической индикацией справляется вполне сносно, но контрастность индикаторов слабовата. Надо было брать модель синих светодиодов, их лучше видно.
На печатной плате добавил опторазвязки для подключения кнопок, с помощью которых можно сменять текстовые сообщения из заранее записанных.
В этот раз уже не хотелось заниматься всей этой механической обработкой. В ближайшей конторе по изготовлению наружной рекламы заказал фрезеровку панели под светодиоды. Также заказал печатную плату. И раз уж печатную плату все равно нужно было ждать, решил заказать сдвиговые регистры со встроенными источниками тока STP16CP05, чтобы не паять еще кучу резисторов. Еще разжился МГТФ, чтобы аккуратно все подпаять.
❯ Заключение
Такие симуляторы как Proteus или Multisim хорошо подходят для изучения электроники или занятий хобби. Но, к сожалению, их библиотеки компонентов сильно устарели. Особенно это заметно для Multisim, его не обновляли достаточно давно. Ощущение, что NI просто забили на это. Особенно плохо в Multisim с микроконтроллерами.
Proteus вроде бы периодически обновляется, но не совсем туда, куда хотелось бы. Добавляются дополнительные инструменты для трассировки и разработке кода. Но библиотеки все еще отстают от реальности. Разработчики выпустили специальную версию для моделирования Arduino, это не с проста…
Разработать или отладить что-то в духе «импортозамещения» с помощью симуляторов, наверное, можно. Но для разработки действительно современного железа это точно бесполезные инструменты.
Комментарии (40)
Rusrst
00.00.0000 00:00Протеус вышел в 2017, я вот вчера вечером в keil uvision 3 проект собирал, а она вроде в 11 году вышла. Да и все еще храню бережно atmelstudio 6.2, она ровесник протеуса, +/-
OldFashionedEngineer Автор
00.00.0000 00:00+2Так и живем на подножных кормах... К передовым технологиям доступ открыт только для избранных. Я застал еще то время, когда даташиты на pic контроллеры приходилось покупать.
Rusrst
00.00.0000 00:00Да ну нафиг эти навороченный ide, у меня планшет на windows их плохо переваривает, а ноутбук таскать каждый раз лень. По каждый раз больше и больше, а я не профессиональный разработчик embedded, мне все фишки не нужны. Я бы через sdcc бы вообще собрал из командной строки, да есть нюансы...
OldFashionedEngineer Автор
00.00.0000 00:00Нюанс в том, что компонентная база нам перепадает не первой свежести. Или документацию на неё фиг найдёшь.
104u
00.00.0000 00:00+1Заголовок как-то не совсем подходит к тексту, как мне кажется, исходя из него, я подумал, что автор сделал что-то рабочее в симуляторе, что в реальном железе не работает
OldFashionedEngineer Автор
00.00.0000 00:00Наворотить в симуляторе такого, чтоб в железе никогда не заработало, это как раз несложно)))
104u
00.00.0000 00:00Разумеется :) Но одно дело, когда пытаться моделировать заведомо невозможное (типа силового транса, который ещё не намотан, неизвестна, к примеру, индукция рассеяния), а в реальности влепить ключ, который при первом же выбросе откинет копыта. Но есть и вариант, что программа для какой-нибудь микросхемы что-нибудь считает неправильно. Вот я и предположил, что здесь второй вариант
А вообще, хорошо, когда кто-то может слепить какую-нибудь рабочую схему, потом всё это сделать так, чтобы и внешне было красиво. У меня хорошо получается лепить то, что мне нужно, из того, что валяется под рукой, но в основном получается что-то типа 3д монтажа на двусторонней макетке, но привожу всё это в нормальный вид только в том случае, если надо несколько экземпляров того, что сделал
OldFashionedEngineer Автор
00.00.0000 00:00В меня позиция в этом плане простая. Есть условное ТЗ. Если устройство ему соответствует, значит все ок. А как и на чем собрано, это второй вопрос.
Я свои первые схемы собирал объёмным монтажом. Потом стал сапожным ножом вырезать из текстолита. В начале двухтысячных лазерные принтеры ещё дорогими были. Я купил струйник, и делал с него ксерокопии. А с копий уже переводил утюгом. Мне проще нарисовать плату и вытравить её, чем разбираться вобъемном монтаже.
104u
00.00.0000 00:00О да, разбираться в объемном монтаже, если устройство сложнее мультивибратора — это прекрасный способ убить время (и, возможно, нервы), передаю привет всяким советским аппаратам с кучей шлейфов, проводков, когда даже со схемой не сразу понятно, что тут происходит
В своём ещё понятно, что куда идёт, хотя бы первые месяцы. Если что-то валялось несколько лет — лучше заново собрать
Принтер так-то есть, да и утюг в наличии, но что-то у меня с этим методом как-то не задалось, не могу найти бумагу для этого — то тонер к бумаге не липнет совсем, то остается на бумаге при нагреве утюгом. Ну и надо знать, какие запчасти есть в наличии, чтобы плату делать :) либо делать одновременно и для смд, и для выводных элементов всех размеров...
OldFashionedEngineer Автор
00.00.0000 00:00+2Для штучного изделия я так и поступаю. Сперва набираю компоненты, затем трассирую плату.
Бывали периоды, когда хотелось что-то навесным монтажом собрать. Но это больше для развлечения, чем в практическом смысле.
Для перевода рисунка на текстолит мне нравится подложка от Оракала. Печатаю на принтере HP. Тонер цепляется за пленку, но можно рукой смазать, нужно аккуратно. И утюгом давить сильно нельзя, тонер с нее потечь может. Я обычно просто ставлю утюг сверху, прогреваю. А потом хлопчатобумажной тряпкой разглаживаю пока не остынет, чтоб тонер прилип. Снимать бумагу можно практически не отмачивая. На плотной подложке от пленки удобно делать двухсторонние платы. Заранее совмещаю распечатанную верхнюю и нижнюю стороны на стекле. Потом прихватываю вдоль одной стороны степлером, но не близко к контуру рисунка. Аккуратно вкладываю текстолит, грею утюгом, приглаживаю тряпкой. Ну конечно надо руку набивать. А лучше купить ламинатор.
104u
00.00.0000 00:00Спасибо, надо будет попробовать. Двусторонние платы ещё даже не пытался делать. Текстолит не надо чем-нибудь обработать, чтобы тонер лучше прилипал?
Для штучного изделия я так и поступаю. Сперва набираю компоненты, затем трассирую плату.
Ну да, я так прикинул, вы правы. Выводные резисторы на крайняк ставятся другой мощности, распиновка большинства транзисторов похожа, либо находится аналог. Какую-нибудь другую микросхему обычно не поставить без переделки платы. Если оставить запас между электролитами — тогда при любых имеющихся запчастях что-нибудь да подойдёт
P.S. в первые разы, когда делал платы, брал обратную сторону от самоклеющейся пленки, тонер к ней не прилипал. Но по какой-то причине изображение получилось "сеточкой". Выглядело прикольно, но тонкие дороги могло насквозь проесть
OldFashionedEngineer Автор
00.00.0000 00:00+1Да, текстолит подготавливаю просто 2000-ой наждачкой, она не оставляет глубоких царапин на меди. Можно более мелкое зерно, хотя мельче 3000 медь практически не трет. Главное не увлекаться при натирании. Потом можно смыть пыль от наждачик и заодно обезжирить спиртом. Хотя, если после вышкуривания пальцами не лапать плату, достаточно просто сухой тряпкой протереть.
104u
00.00.0000 00:00+1Спасибо, как-нибудь этим займусь
Radish
00.00.0000 00:00Проще всего медь перед нанесением тонера промыть хлорным железом и потом проточной водой. Высушить салфеткой. Она становится очень чистая и к ней и тонер, и фоторезист пристает насмерть.
OldFashionedEngineer Автор
00.00.0000 00:00Для этих целей лучше использовать персульфат аммония. Он лучше справляется с оксидом меди и другими её соединениями. Раствор полностью прозрачный.
Radish
00.00.0000 00:00для этих целей лучше использовать то, что в данный момент под рукой, чем будешь травить плату. Я травлю железом, мне нравится. Пробовал и лимонку, и аммоний, и ещё что-то, мой выбор - железо. Главное быстро смыть верхний слой окисла, медь станет суперчистая, липнет к ней всё офигенно.
Переводил тонер даже простым ацетоном, просто прижимаешь бумагу к меди, мочишь ацетоном, раскатываешь, смываешь. Мне не понравилось только что в отличие от термопереноса тонер не сплошной, дорожки все как моль погрызла, но зато быстро, просто, молодёжно.
DungeonLords
00.00.0000 00:00+2Я давно хочу собрать команду. Сделать свой open source аналог Proteus (цифро-аналоговый симулятор). Пишите в ЛС кому интересно.
Mike-M
00.00.0000 00:00+1Объем проделанной вручную работы, конечно, впечатляет. Как и результат — красиво!
жгут получился не очень опрятным.
Возможно, стоило попробовать готовые плоские шлейфы, наподобие 40-pin IDE. Тогда и жгут вязать не пришлось бы ;-)
Как вы относитесь к симуляторам электронных схем?
Отрицательно. Симулятор — это программа => программы пишут люди => человеку свойственно ошибаться )
На печатной плате добавил опторазвязки для подключения кнопок
Вот здесь не понял. Зачем кнопкам опторазвязка?
Что не понравилось в статье — постоянное выделение слова Arduino жирным шрифтом.
OldFashionedEngineer Автор
00.00.0000 00:00+1У меня есть бобина шлейфа на 20 контактов. Но я не очень им люблю пользоваться. Он все таки для обжима рассчитан. Изоляция сильно оплавляется паяльником. Сами жилы тонкие, и их мало, луженные концы так и норовят отломиться. В общем, паять такие шлейфы сам не берусь и другим не советую.
Кнопки подключил через опторазвязки, т.к. они нужны для смены текста на табличке, и предполагается, что длинна провода может быть достаточно приличной. ИК-светодиод с резистором более терпимы к наводкам на длинный провод, чем остальные компоненты. Вот и решил подстраховаться.
Я, конечно, не доверяю слепо симуляторам. Но некоторые моменты в работе они вполне могут облегчить. Надо хорошо понимать, что и как моделировать. Иногда я подбираю в них номиналы, если не требуется прецизионная точность, а считать и тем более макетировать лень. Иногда удобно делать эскизы схем, чтоб потом при макетировании пальцем в небо не тыкать, или на бумажке не рисовать всякие графики и схемы.
P.S. А я наоборот, сижу выделяю ключевые слова в тексте, мне так самому удобнее читать, можно что-то по диагонали пропускать или вчитываться внимательнее. Как-то не подумал даже, что это может мешать.
An_private
Как лет на 15 назад вернулся...
Вспоминается троллейбус из буханки почему-то
Soorin
Ну да, для решения задачи "«занято» и «свободно»" раньше, если не было кошки, предлагали сделать в верхней части двери туалета отверстие с красным стеклом... Если кошки нет - можно ориентироваться на выключатель у двери.
OldFashionedEngineer Автор
Табличка дает большую вариативность. Можно предполагаемую продолжительность сеанса отображать или вид деятельности уточнить)))
Soorin
Излишняя вариативность, я полагаю. Время сеанса - для отображения достаточно простых готовых индикаторов, да и видов деятельности не так много, чтоб пришлось вместо нескольких подсвечиваемых табло использовать именно алфавитноцифровые индикаторы, да ещё динамические. Троллебус, беусловно, крут. Но велосипеден и избыточен.
OldFashionedEngineer Автор
Помещение может быть совмещено, в малогабаритных квартирах такое часто встречается. В таком случае функциональность может превышать две операции )))
На самом деле, я часто делаю какие-то электронные штуковины просто ради самого процесса. И функциональность определяется по принципу "потому что могу".
firehacker
>лет на 15 назад
>троллейбус из буханки
Где же ваша статья, где вы в последней версии Альтиума разрабатываете устройство на базе новейшей FPGA со встроенным DSP и нейропроцессором, в BGA-корпусн с полутора тысячами ножек, на 16-слойной плате?
OldFashionedEngineer Автор
Эх, купить бы где сейчас такую... и средства разработки к ней... да и по еще той цене ((( Давно подумывал себе заиметь под плис какой-нибудь программатор и пару платочек на поиграться. Не купил. А сейчас или в наличии нет, или цена кусается. Радует только одно: у меня еще не кончились запасы логических микросхем!
An_private
А в чём проблема? На али куча демо плат на FPGA. Причём любых - на Xilinx/Altera/китайские бренды. Стоит копейки. Среда разработки для небольших проектов свободно скачивается с сайта соответствующего производителя.
OldFashionedEngineer Автор
Проблема выбора, поддержки готовыми примерами и т.п. Для старта нужно много чего раскопать. Для хобби хотелось бы быстрый старт. Как ардуино, достал из коробки, подключил и сразу все заработало без бубна.
An_private
Ну, тот же quartus достаточно дружественен - можно просто набросать схему из примитивов, привязать её к ножкам, скомпилировать, загрузить и всё заработает.
OldFashionedEngineer Автор
К квартусу вопросов нет. Нужно выбрать какой-то конкретный чип, а лучше готовую плату, и какой-то программатор. И эти все должно в квартусе заработать.
An_private
Ну так всё зависит от задач. Если что-то совсем простенькое - смотрите на CPLD, например на MAX II. Для того, чтобы разобраться как светодиодиком помигать или запихнуть туда всё логику вашего табло - самое то. Демоплата вместе с usb blaster стоит порядка 1000 рублей.
Да, весьма старенькое и уже давно не производится, но для большинства домашних задач за глаза и за уши. А уж если пойдёт - сами разберётесь - что из актуального вам надо.
Если хочется что-то из актуального и недорогого - Max 10
OldFashionedEngineer Автор
https://www.electronshik.ru/item/WAVESHAR/USB Blaster V2?from=terraelectronica
https://www.electronshik.ru/news/show/10920
Подскажите, этот комплект заработает вместе?
An_private
Заработает, конечно. Но цены запредельные. Проще уж на ali комплект заказать
https://aliexpress.ru/item/1005004872591240.html
OldFashionedEngineer Автор
Дойдёт ли оно. Хочется же вчера уже))) спасибо за совет, буду пробовать
aitras
Лучше что-то такое
https://aliexpress.ru/item/1005002986003759.html
https://aliexpress.ru/item/1005004863225405.html
У меня есть такая плата. Вполне рабочая и подойдет для изучения.
Китайские клоны бластеров тоже работают и поддерживаются квартусом.
Можно найти плату с минимальным обвязом, например такую
https://aliexpress.ru/item/1005003922447269.html
Тоже вариант.
OldFashionedEngineer Автор
Да, мне лучше, чтоб был просто чип с обвязкой по питанию. Спасибо за совет
OldFashionedEngineer Автор
Смотрел на эту тему пару месяцев назад, ни чего в продаже не было.
An_private
Ну, моя единственная статья на хабре как раз про управление светодиодной матрицей с помощью CPLD (извините, в целях экономии FPGA не использовал). Старенькая правда, уже, давно этой темой не занимался.
И всегда вопрос баланса и актуальности - при наличии копеечных готовых светодиодных панелей с алиэкспресса паять навесным монтажом светодиодную матрицу - ну как-то странновато. Как калькулятор на 155ой серии делать. То есть можно, конечно, но будет выглядеть именно как троллейбус из буханки.
OldFashionedEngineer Автор
Не надо искать логику там, где ее не должно быть. Речь о хобби. А в хобби здравый смысл в последнюю очередь.
https://habr.com/ru/company/timeweb/blog/694924/ посмотрите, чем я увлекаюсь. Калькуляторы на 155 это как раз по моей части.