הבנת בלוקים בעיצוב הנדסי

דיאגרמות בלוק הן כלי יסוד בהנדסה מערכות, המשמש במשך עשרות שנים לייצג את הארכיטקטורה ברמה גבוהה של מערכות מורכבות.אגרמת בלוק הוא ייצוג גרפי שבו בלוקים מלבניים לעמוד רכיבי מערכת או פונקציות, וקווים משולבים מצביעים על מערכות יחסים, זרימת נתונים, או אותות שליטה.בניגוד schematics מפורט או הדפסה כחולה פיזית, חסמות באופן מכוון פרטים ברמה נמוכה להתמקד בתמונה הגדולה - מוקדם עבור תקשורת חוצה, עיצוב, עיצוב, עיצוב עמוק.

בהקשר של מכשירים חכמים לבישים, דיאגרמות בלוק משמשים כגשר בין דרישות מוצר מופשטות לבין יישום חומרה-תוכנות חומרה-תוכנות קונקרטיות.מערכת לובשת טיפוסית כרוכה בחיישנים, מיקרו-בקרים, שבבי תקשורת אלחוטיים, יחידות ניהול חשמל, ממשקי משתמש - כולם משולבים בחוזקה לתוך גורם קומפקטי, יעיל באנרגיה.ללא מפה חזותית ברורה, מהנדסי סיכון תאימות, בקבוק חשמל, או תקשורת מתה כדי להגדיר סיכונים פיזיים לפני ההתקנה.

ה- PCB:0 ISO 10209:2012 סטנדרטי תקן FLT:1 מספק הגדרות רשמיות עבור תיעוד מוצר טכני, כולל דיאגרמות בלוק, למרות שרוב צוותי ההנדסה מאמצים מוסכמות רופפת.המפתח הוא עקביות: כל בלוק צריך להיות תווית ברורה (סוג מוסמך, פונקציה, או מספר מודל), וכל קו צריך להיות מאומת עם פרוטוקול הנתונים (SPI, I2C, UART, Bluetooth, , אינטגרציה וכו ' אינטגרציית , אינטגרציית אינטגרציה , אינטגרטיבית) אינטגרטיבית מערכת פשוטה אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית אינטגרטיבית, וכו '.

מדוע בלוקים הם קריטיים עבור מכשירים לבישים

מחובשים חכמים מציגים אתגרים ייחודיים עיצוביים שחוסנים דיאגרמות מסייעות לפתור.הגבלות גודל מחייבות רכיבים להיבחר עבור כוח נמוך וטביעה קטנה; בעיות תרמיות דורשות מיקום זהה של בלוקים במקביל; בטיחות המשתמש דורש בידוד חזק בין קלטות חיישן אנלוגי ועיבוד דיגיטלי.אגרמת בלוק מאפשר למהנדסים סיבה לגבי מגבלות אלה ברמת המערכת לפני הפעלת עיצוב מעגלים מפורט.

שקול טבעת חכמה המדידה את רמות החמצן בדם, הטמפרטורה והתנועה.אגרמת בלוק שלה תציג בלוק חיישן אופטי (PPG), יחידת מדידה לא-מחדשת (IMU) בלוק מיקרובקר (MCU) בלוק, בלוק אנרגיה נמוכה Bluetooth (BLE) בלוק סוללה שטוחה, בלוק סוללה שטוח, ובלוק מטען מגנטי.

דיאגרמות בלוק גם מקלות תקשורת צוות.מהנדסי חומרה יכולים לדון במיפוי ובבידוד רעש באמצעות הדיאגרמה; מהנדסי קושחה יכולים להשתמש בו כדי לתכנן רצפים של נהגים; מנהלי מוצר יכולים לאמת כי כל תכונה הנדרשת (שלב ספירה, ניטור קצב הלב, הודעות) מפות לפחות בלוק אחד. שפה חזותית משותפת זו מקטין אי הבנות ומזרזת ביקורות עיצוב.

סוגים של בלוקים עבור מערכות לבישות

System-Level Block Diagrams

אלה מראים את הרמה הגבוהה ביותר של מופשטות, טיפול בכל תת-מערכת כמו תיבות שחורות. עבור שעון חכם ניטור בריאות, דיאגרמה ברמת המערכת עשויה להכיל בלוקים שכותרתו "רגישים", "התקבלה", "Wireless", "Power", "Power", ו"Display" כל בלוקים מסתירים את המורכבות הפנימית שלה.com מראה נתיבי הערכה עיקריים (למשל, נתונים לעיבוד, עיבוד נתונים, לכיסוי וכיסוי לכיסוי ראשוני לכיסוי (preatives) לכיסויים לכיסוי של כל המסמכים הראשוני של המערכת).

חסימות תפקודיות (FBDs)

FBDs decompose כל תת-מערכת לתוך פונקציות הליבה שלה.בתוך בלוק "Sensors", FBD עשוי להראות רכיבים בודדים: accelerometer,gyroscope, חיישן קצב הלב האופטי, חיישן הטמפרטורה עכשיו נושאים סוגים ספציפיים של אותות (analog vs. דיגיטליות, הפרעות קווים, אותות שעון).

קישור ו- Interface Diagrams

כאשר העיצוב נע לתוך הפריסה, דיאגרמות בלוק להתפתח כדי להראות קשרים פיזיים: מספרים, סוגי חיבור, סדרי עדיפויות ריצוף, ואזורי ריצוף.ה ⁇ אלה פחות על מופשטות ויותר על הבטחת כל חיבור חשמלי מתועדים.הם משמשים כמבחן ללכידת סכימטית ולעיצוב מופשט יותר ויותר.

Step-by-Step Guide: יצירת בלוק דיגרמה עבור חכם ללבוש

בואו נלך דרך יצירת תרשים בלוק עבור עוקב כושר היפותטי כי לפקח על שלבים, קצב לב, ושינה, ואז מסנכרנים עם טלפון חכם.

שלב 1: דרישות מערכת

לפני שציירו בלוקים, רשימה מה המכשיר חייב לעשות: למדוד קצב לב (PPG), למדוד תנועה (3-axis accelerometer ו-gyroscope), לאחסן נתונים למשך 24 שעות לפחות, להציג זמן וסטטיסטיקות בסיסיות על מסך כוח נמוך OLED, להתחבר לטלפון באמצעות BLE, מטען באמצעות USB-C, לרוץ במשך שבעה ימים על בסיס יחיד.

שלב 2: זיהוי של עבריינים

בהתבסס על דרישות, בחר חלקי מועמד. עבור מנטר הכושר:

  • חיישן: חיישן PPG (למשל, MAX30102) ו- IMU (למשל, ICM-20948)
  • מיקרובקר: כוח נמוך ARM Cortex-M4 עם Bluetooth מובנה (למשל, NRF52840)
  • תצוגה: 0.96" OLED (SSD1306 בקר, ממשק I2C)
  • Power: 120 mAh LiPo סוללה, מטען IC (למשל, MCP73831), ו הרגולטור נמוך-דרופופרט (LDO)
  • קלט משתמש: כפתור אחד ל-Modering
  • זיכרון חיצוני: שבב פלאש עבור איסוף נתונים (אופציונלי, אם הבזק MCU אינו מספיק)

צור בלוק לכל אחד, באמצעות מספרי חלק בפועל או שמות תפקוד גנרי.

שלב 3: ציירו נתונים וחשמל זורם

הניחו את MCU במרכז (Hub) ו- אנטנה (ה-PPG חיישן (I2C), IMU (SPI), OLED (I2C), ואנטנה BLE (החלל פנימי) מציינים את עץ הכוח: סוללות לפקד, מטען ל-LDO, ל- MCU ולפריפריה. השתמש בחץ עבור נתונים וסגנונות שונים או צבעים עבור כוח - פשוט עם יכולות נוכחיות.

שלב 4: הוסף שליטה וקווי ביניים

חיישנים רבים יש הפרעות פלטים כי להעיר את MCU כאשר הנתונים מוכנים.הוספת שורות ספארי מ חיישן PPG ו IMU ל- MCU של GPIOs התוכנית של MCU שכותרתו "INT" זה מזכיר את מפתח הקושחה להגדיר את הסיכות האלה בהתאם. בדומה, את הבלוק מתחבר באמצעות GPIO יחיד כדי להפריע קו MCU עבור התעוררות דלת כוח נמוך.

שלב 5: ביקורת נגד Constraints

בדיקת צריכת חשמל: להבטיח שה-LDO יכול לספק מספיק זרם עבור כל היקפים במצב פעיל.בדוק סכסוכים תקשורת: האם יש מספיק כתובות I2C? האם כל סיכות GPIO משותפות בין שני פונקציות? תרשים בלוק הופך את הסכסוכים האלה גלויים לפני תחילת הפריסה של PCB.

שלב 6: דחייה וסירוב

לאחר הטיוטה הראשונה, לשתף את הדיאגרמה עם חומרה, קושחה ומהנדסים מכניים.הם יזהו רכיבים חסרים (למשל, משמרת רמה עבור OLED אם MCU פועל ב 1.8V והתצוגה ב- 3.3V) או יציעו מיקומים חלופיים.הרשומה מתפתחת לצד העיצוב, בהדרגה צוברת פרטים עד שהוא דומה דיאגרמת חיבור בין-ה.

Best Practices for Wearable Block Diagrams

  • (FLT:0) דומיינים אנלוגיים ודיגיטליים: ibph:1 ; Wearables לעתים קרובות לערבב אותות אנלוגיים רגישים (מ- PPG או ECG חיישנים) עם תקשורת דיגיטלית רועשת (SPI, BLE) לצייר חלוקה ברורה על התרשים, ואם יש צורך, להראות בלוקים (חזית אנלוג, דגימת מגן).
  • כוח המשימה (FLT:0) קובע: FLT:1ir השתמש במושגים כמו "תמיד-on", "על-פי דרישה", או "שינה" ליד מסילות כוח או בלוקים.זה מדריך קושחה ניהול חשמל וערכת חיי סוללה.
  • (FLT:0) תעריפים ופרוטוקולים: FIRLT:1 כתוב "SPI (10 MHz)" או "I2C (400 kHz)" על השורות.זה עוזר לזהות צווארי בקבוק רוחב פס - למשל, אודיו יכול להיות צורך SD מהיר יותר ולא I2C.
  • (ב) [13] צורות בלוק סטנדרטיות: FLT:1 אמנם לא חובה, באמצעות מלבנים לחומרה, מלבנים מעוגלים עבור רכיבי תוכנה, והואקסגוניות עבור ממשקים (כמו USB) משפר את יכולת הקריאה.
  • (FLT:0)Version לשלוט בתרשיםים שלך: FIRLT:1 , חסימת דיאגרמות לצד קוד ו סכימטיות במחסן שלך.שינויים בתרשים צריך להיות נבדק כמו כל מסמך עיצוב אחר.

טעויות נפוצות וכיצד להימנע מהן

Over-abstraction

אם תרשים בלוק מחלחל ממשקים קריטיים (למשל, אתה שוכח להראות את בלוק הזיכרון החיצוני או מד דלק הסוללה), העיצוב עשוי להכות הפתעות אינטגרציה.

ערבוב רמות

הנחת סכימטית מעגלים מפורטת בבלוק אחד ובלוק פונקציונלי ברמה גבוהה ליד זה מבלבל את הקורא. לשמור על מופשט עקבי לאורך כל.אם אתה צריך להראות פרטים, ליצור תרשים נפרד מגניבה.

התעלמות מעוצמת השכנוע

לביבשים יש לעתים קרובות רצפים מורכבים של Power-up: MCU חייב לאפשר ל-LDO לפני החיישן יכול לתקשר.צייר מכונת מדינה או תרשים תזמון לצד ה-block כדי ללכוד התנהגות זו.

לא אגדה או תווית

ללא אגדה המסבירה סוגים של קו (פתורים לנתונים, מחוסנים על שליטה, סיבולת לכוח), מהנדסים שונים עשויים לפרש את הדיאגרמה באופן שונה.תמיד לכלול אגדה, אפילו עבור מסמכי צוות פנימיים.

כלים ליצירת בלוק דיגרמה

קיימות אפשרויות תוכנה רבות, החל מכלי ציור מקוונים חינם לסוויטות הנדסיות מערכות מקצועיות.בחר בהתבסס על גודל הצוות, צרכי שיתוף פעולה ושילוב עם כלים אחרים עיצוב.

  • (FLT:0) נסיגת.io (diagrams.net): IRLT:1 חינם, קוד פתוח, ועובד בדפדפן או כאפליקציית לא מקוונת.זה כולל סמלים אלקטרוניים רבים ומאפשר לייצא ל-SVG, PNG, או PDF. אידיאלי עבור קבוצות קטנות ופרויקטי תחביב.
  • (FLT:0)Lucidchartve: FLT:1 מבוסס ענן, תומך בשיתוף פעולה בזמן אמת, ומשתלב עם Google Workspace, Jira, ו- Confluence.
  • (FLT:0) Microsoft Visio:FLT:1 עשיר, חלק מהמערכת האקולוגית של Microsoft. מעולה עבור תיעוד מקצועי, אך דורש רישיון.
  • (FLT:0KiCad EDA:FLT:1 בעוד בעיקר עבור עיצוב PCB, עורך ה-Schematic של קיפאד יכול לשמש בקלות ככלי דיאגרמה בלוק כי יש לו כבר סמלים וחוטים רכיב.ה היתרון הוא כי התרמית בלוק יכול להתפתח ישירות לתוך schematic.
  • (FLT:0)PlantUML:FLT:1 כלי טקסט-to-diagram שיכול לייצר דיאגרמות בלוק מתסריט. Great for version control and Automation - רק לבצע את קובץ המקור ודימויים מחדש ב- CI.
  • (ב) ⁇ :0 SystemModeler (Wolfram): ibph:1 עבור מערכת מתקדמת של מערכות מודל, אבל overkill for Most Wearable design.

ללא קשר לכלי, הדיאגרמה חייבת להיות מטופלת כמסמכים חיים.עדכון אותה בכל פעם שרכיב משתנה או ממשק חדש מתגלה.

Integrating Block Diagrams with other Design Practices

דיאגרמות בלוק אינן קיימות בבידוד.הם ניזונים לממצאים הנדסיים אחרים:

  • (FLT:0) Power Budgetטבלאות:FLT:1 השתמש בתרשים בלוק כדי לנפח את כל בלוקים ואת זרמי השיא / הפעילים / השינה שלהם. Sum the Currents to אימות בחירת סוללות.
  • (FLT:0Schematics and PCB הפריסה:FreaLT:1) מפת הקישוריות של דיאגרמה חסימת ישירות לתוויתות רשת סכימטיות ו- PCB עקבות נטו.אגרמת בלוק ממובנה היטב מפחיתה את זמן הטיוטה סכימטית עד 30-40%.
  • (FLT:0) המסמכים האדריכלים של אדריכלות: FLT:1rea כל בלוק בתרשים מתאים מודול הנהג או שכבת אבסטרון חומרה בקוד.הההרשמה הופכת למקור ארכיטקטורת תוכנה.
  • (התוכנית:0) תוכניות: 1.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.13 ניתן לתרגם כל קו חיבור לפרשת מבחן: "לחזק את הנתונים IMU מתקבל כראוי על פני SPI כאשר MCU הוא במצב פעיל".
  • (FLT:0) ניתוח מצב ואפקטים (FMEArea): FLT 1:1 מצבי כישלונות על תרשים בלוק (למשל, "לעמוד על תשלום יתר" המשפיע על בלוק הכוח) להעריך סיכונים באופן שיטתי.

מקרה מחקר: חסימת דיאגר עבור ECG Patch

כדי להמחיש את עומק השימוש בגירשת בלוק, יש לשקול כי ללבוש רפואי המרשם ECG יחיד-לאדי למשך 14 ימים. תרשים בלוק חייב לכלול:

  • (FLT:0) ,Analog Front End (AFE): ההרחבה של 1 (L-noise amplifier, Right-לג כונן, מסננים.
  • (ב) ⁇ :0; ⁇ FLT:1 , 24bit sigma-delta להמיר עם ממשק SPI.
  • (ב) ⁇ :0)01U:03FLT:1 , Cortex-M4 עם FPU עבור סינון DSP.
  • (ב) ,0BLEמודול: ⁇ FLT:1) עבור נתונים תקופתיים להעלות לטלפון.
  • (ב) מיפוי:0) NAND פלאש: מיפוי 1 גדול להקלטות של 14 ימים.
  • (ב) ,0) מדד דלק: 1FLT כדי לפקח על יכולת שנותרה מדויקת - חובה עבור עמידה קלינית.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : 1 בין האלקטרודות הקשורות למטופל לבין החלק הדיגיטלי, למען בטיחות.

דיאגרמת בלוק תציג את AFE מבודד מן MCU ופלאש על ידי בלוק בידוד קיבולי. קווי נתונים חוצים את מחסום בידוד חייב להיות מוזנח עם מספר חלק המבודד ואת המהירות. רמה זו של פרטים נדרש עבור הגשתים רגולטוריים כגון FDA 510(k) תרשים בלוק עוזר גם הפריסה: המבודד מפריד פיזית את הקרקע ממסד דיגיטלי, ואת התראגרמת זה עושה עצירות גלויה.

מסקנה

דיאגרמות בלוק אינן רק רישומים פשוטים - הן משמעת.בעיצוב מכשירים חכם, שבו גודל, כוח, והתערבות הן ראשוניות, דיאגרמת בלוק מעוצבת משמש מקור יחיד של אמת עבור צוות ההנדסה כולה.זה מבהיר כי רכיבים מדברים אחד לשני, איך זרימת כוח, והיכן סכסוכים פוטנציאליים לשקר על ידי תהליך מובנה - מדרישות לחיקוי לתיעוד - עיצוב מחדש את הגירסה עצמית, ולא להאיץ את זמן פנויה שלך; ולא להאיץ את השבר שלך.