Embedded Systems: The Role of Open-Source Hardware

מערכות Embedded משמשות את האינטליגנציה הנסתרת מאחורי אינספור מכשירים מודרניים - מתרמוסטנטים חכמים ועוקבים כושר מעקב רובוטים תעשייתיים ובקרי רכב.היסטורי, פיתוח מערכות כאלה דורשות כלים קנייניים יקרים, שבבים קוד סגורים, וספק עמוק מנעול-אין-in.ההופעתן של פלטפורמות חומרה קוד פתוח שינתה באופן יסודי את הנוף הזה, ודמוקרטי גישה באיכות גבוהה, מותאם אישית ומאפשרת מהנדסים, ויצרנים, במהירות, ללא עלויות קוד פתוח-קודמות, ללא תשלום.

חומרה קוד פתוח מתייחסת לעיצובים - סכמטיות, פריסות לוח, הצעת חוק-חומרים וקושחה - אשר משוחררים תחת רישיונות המאפשרים לכל אחד ללמוד, לשנות, להפיץ אותם מחדש.שקיפות זו מטפח שיתוף פעולה, מאיצה למידה, ולעתים קרובות תוצאות בפתרונות חזקים יותר, קהילתיים-מקודמים.במדריך מורחב זה, אנו חוקרים מה אמצעי קוד פתוח עבור מערכות משובצות, בעיקר, לבחון את כל הכלים של פיתוח, ותובנות ותובנות ופתרונות עבודה, תוך כדי לספק פתרונות חזקים יותר, פתרונות מתקדמים.

מה הם Open-Source Hardware Platforms?

בבסיסם, פלטפורמות חומרה קוד פתוח מספקות למשתמשים קבצים עיצוב מלא, ומאפשרות להם לבדוק כל רכיב, עקבות ומאפיין חשמלי.בניגוד ללוחים סגורים (פריטיטריים) שבו החומרה היא קופסה שחורה, עיצובי קוד פתוח מעודדים שקיפות.TheFLT:0 פתוח קוד תוכנה קשיח (HWA)FLT:1) מגדירה מערכת של קריטריונים שיש להכיר עיצוב כדי להיות פתוח כדי להפיץ קבצים קוד פתוח, כולל קוד פתוח.

לפתיחות זו יש השלכות מעשיות רבות:

  • (ב) תלמידים יכולים ללמוד ⁇ :0) ללמוד schematics ברמה מקצועית כדי להבין עקרונות עיצוב מעגלים.
  • (FLT:0) לאפשר התאמה: מהנדסים 1FLT) יכולים לשנות הקצאות סיכות, להוסיף היקפים, או להסיר רכיבים מיותרים כדי להתאים לדרישות הפרויקט הספציפיות.
  • (FLT:0) Replicate and scale:FLT:1 קבוצות קטנות ויצרנים יכולים לייצר גרסאות משלהם של לוח ללא דמי רישוי, צמצום עלויות הענישה.
  • (FLT:0) החידושים הקהילתיים: 1 יוצרי צד שלישי מפתחים מגינים, כובעים, לוחות הרחבה, ספריות תוכנה שמרחיבות את הפונקציונליות של הפלטפורמה הרבה מעבר למה שכל מוכר יחיד יכול לתמוך.

חומרה קוד פתוח אינה מוגבלת מיקרובקרים פשוטים; היא משתרעת על מחשבים בודדים, לוחות פיתוח FPGA, ומודולים מיוחדים IoT, כולם מגובה על ידי מערכות אקולוגיות תוססות של תורמים.

Open-Source Hardware Platforms for Embedded Systems

בעוד שמועצות קוד פתוח רבות קיימות, כמה עלו לשגשוג בשל הגמישות, התמיכה בקהילה, והאבולוציה המתמשכת שלהן.

Arduino

(FLT:0ArduinoveFLT:1) הוא כנראה השם המוכר ביותר באלקטרוניקה בקוד פתוח. תוכנן במקור ככלי נגיש לאמנים ולמעצבים, הוא גדל למשפחה של לוחות - לא, ננו, מגה, בשל ועוד רבים - שפועל על AVR, ARMx-M, ואפילו RISC-Vs הליבה של RISC-V.

לוחות Arduino מצטיינים ב prototyping, חינוך, ומשימות נמוכות מוטבעות.הם אידיאליים לקריאה חיישנים, שליטה מנועים, ותקשורת על I2C, SPI, או UART. Uno R3, למשל, נשאר מפתח בכיתות ברחבי העולם. לוחות מתקדמים יותר כמו סדרת Arduino MKR להוסיף Wi-Fi, LoRa, ו-NB-NB-A עבור יישומים אמיתיים, פורומים של רשת ה-R, עבור כל פרויקטי, פורומים של , , , פורומים של פורומים של פורומים של , , , פורומים של מדריכים, , , , פורומים של פורומים של , פורומים של , , , , , , , , , , , פורומים מתקדמים יותר מתקדם יותר , פורומים של מדריכים, , , , פורומים של , , פורומים של כל פרויקטי.

(ב) [ה]החלו [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה] [ה]התחילה] [ב]]]] [ה'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']']''''[ה']']'''[ה'']']''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''

Raspberry Pi

(FLT:0)Raspberry PiFLT:1 הוא סדרה של מחשבים בודדים (SBCs) אשר להפעיל מערכות הפעלה מלאות - לינוקס באופן רציפי, אם כי חלופות כמו RISC-OS ו- Windows IoT Core קיימים.The Raspberry Pi 4 Model B ו- Raspberryer Raspberry Pi 5 מציעים קוואד-ARM CPUs, עד 8 GB של RAM, 3.0, Gigabit Ethernet, ו-Cer, בניגוד ל-PS.

עבור מערכות משובצות, Raspberry Pi הוא לעתים קרובות נבחר כאשר היישום דורש כוח עיבוד משמעותי, שירותים המחוברים לרשת, או ממשק משתמש גרפי. Common פרויקטים כוללים מרכזי אוטומציה ביתית, מרכזי מדיה, אחסון מחובר לרשת (NAS), ובקרים רובוטיים כי חייב לבצע משימות ראיית מחשב.מערכת האקולוגית התוכנה הנרחבת - כולל Python, Node.js ו- C - ו-++ זמינות של חומרים היקפיים (R) להוסיף מנועים, להפוך את ה-cookies, להפוך את המודולים גמישים מאוד.

עם זאת, מכיוון ש- Raspberry Pi פועל מערכת ההפעלה המלאה, הוא פחות קביעהי מאשר מיקרובקר וצורכים יותר כוח. עבור כוח אולטרה-נמוך או משימות בקרה בזמן אמת, מיקרובקר כמו ESP32 או Arduino עשוי להיות מתאים יותר.

ESP32

(FLT:0 ESP32igFLT:1), שפותחה על ידי Espressif Systems, היא מיקרובקר חזק עם Wi-Fi משולב ו- Bluetooth.זה הפך לבחירה de-facto עבור מכשירים IoT, חיישנים חכמים ומערכות בקרה אלחוטיות.ה-core Xtensa LX6 (או חדש LX7 ב ESP-S3) פועל עד 240, וחיישנים אלחוטיים כוללים שבב נמוך, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, עם משקל, DC2, עם משקל, עם משקל, עם , עם DX7, עם קיבולת נמוכה יותר, עם , עם קיבולת נמוכה יותר, IC2, עם , , ESPC2, עם , עם , עם , עם , קיבולת גבוהה יותר, עם , עם ESPC2, עם קיבולת גבוהה יותר, עם , עם קיבולת גבוהה יותר, עם מעבד , עם קיבולת נמוכה יותר, עם , עם קיבולת גבוהה יותר, עם מעבד קיבולת גבוהה יותר, עם ESPACD7 ב ESPAC2, יש צורך, עם קיבולת גבוהה יותר, עם קיבולת גבוהה יותר, יש צורך, כדי קיבולת גבוהה יותר, יש צורך, יש צורך, כלומר,

ESP32 נתמך על ידי מספר מסגרות פיתוח, כולל ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) ואת נמל Arduino-ESP32, המאפשר שימוש ב- Arduino IDE ואת ספריות שלה.בנוסף, MicroPython ו- CirclePython לרוץ על ESP32, פתח פיתוח מבוסס Python.

מכיוון ש- ESP32 הוא קוד פתוח לחלוטין (הסיליקון אינו פתוח, אבל עיצוב הפניה חומרה וערימות תוכנה הם), יצרנים יכולים לייצר מודולים ולוחיות משלהם. לוחות פיתוח פופולריים כמו ESP32-DevKitC ו- Wemos D1 Mini ESP32 לספק גורמים ידידותיים ללוח לחם.עבור פרויקטים הדורשים כוח אולטרה סגול, ESP32-S2 ו-32-C מציעים משפחות חד-V.

BeagleBone

(FLT:0BeagleBoneFLT) לוחות (כגון BeagleBone Black, BeagleBone Blue, והחדשן BeagleV ⁇ Star5) נועדו למפתחים הזקוקים ל- I/O נרחבים ל-I/O, יכולת עיבוד בזמן אמת, וקישוריות ברמה תעשייתית.הם בנויים סביב AM3xara ARM-Ax-Ax-Ax2 ריאלית למעבדים סטנדרטיים עם ויזואליים סטנדרטיים (שלבים) ו-II-IIDIRSTDIRSTDIRSTSPTSPTSPTSISTDI-IISISTDI (שלביים) ו-IISISTDI-IISTORSISTDI-IISTORSTORSTORI) עם TRADI (IPSTORSTORI-IISTORI) ו-IISTORI-IISISTDI-IIDI-IISTORI-Times-II, ו-IISTORI-IISTORS (IPSTORSISTO, ו-IISTOR, ו-IISTOR, ו-Times-Times-IIDI-Time

BeagleBone לוחות לרוץ Debian Linux ולספק גישה למספר גדול של ראשי GPIO, בתוספת שני מיקרובקרים של 32 סיביות (PRUs) שניתן לתכנת באסיפה או C. The BeagleBone Black מציעה 4 GB של אחסון eMMC, HDMI, והיכולת המארחת של USB.

קהילת BeagleBone קטנה יותר מאשר Arduino או Raspberry Pi אבל היא טכנית מאוד.זה מועדף בקרב מהנדסים בונים בקרים תעשייתיים, טייסי רכב מזל"ט, ומכשיר מעבדה הדורשים סביבה לינוקס מלאה ותגובה רצינית בזמן אמת.

יתרונות השימוש בקוד פתוח-Source Hardware

ההחלטה להשתמש בפלטפורמות חומרה בקוד פתוח במקום חלופות קנייניות מציעה מספר יתרונות שונים המזרזים את הפיתוח ולהפחית את הסיכון.

  • (FLT:0) Cost-Effective:FLT:1) חומרה הבסיס הוא לעתים קרובות במחיר נמוך יותר מאשר שווי ערך קנייני בגלל ייצור תחרותי והיעדר דמי רישוי.בנוסף, היכולת להשתמש מחדש ולשנות עיצובים קיימים מבטלת את הצורך להתחיל מאפס, לחסוך שעות הנדסה.
  • (FLT:0) lexibility: אם פלטפורמה חסרה תכונה מסוימת - אומר, UART נוסף או רגולטורי כוח אחר - אתה יכול לעצב מחדש את הלוח בעצמך או למצוא גרסה קהילתית שעומדת בדרישות שלך.
  • (FLT:0) תמיכה קהילתית: FLT:1 פורומים, GitHub repositories, האקרים, ומפגשים מספקים שפע של ידע משותף.כאשר אתה נתקל באג או צריך עצה, יש לעתים קרובות מישהו שכבר פתר בעיה דומה.
  • (FLT:0)Rapid Prototyping: FLT:1 כי פלטפורמות קוד פתוח לבוא עם schematics pre-verified וערימות תוכנה בוגרת, אתה יכול לעבור מהרעיון לעבוד אבטיפוס בתוך ימים ולא שבועות.
  • ערך:0 (FLT:1 forסטודנטים וחדשים, חומרה קוד פתוח מציעה דרך מעשית ללמוד עיצוב דיגיטלי, תכנות מוטבע ושילוב מערכת ללא כלים יקרים או תיעוד של קוד פתוח.

פיתוח מערכות Embedded עם Open-Source Platforms: A Step-by-Step Workflow

בעוד שכל פרויקט הוא ייחודי, זרימת עבודה כללית לפיתוח מוטבע בחומרה קוד פתוח כוללת את השלבים הבאים.

1.צריך ניתוח ובחירת פלטפורמה

התחל על ידי הגדרת מגבלות המפתח: עיבוד כוח, זיכרון, קישוריות, תקציב חשמל, I / O ספירה, דרישות בזמן אמת. עבור גרף טמפרטורה פשוט, Arduino Uno עשוי מספיק.עבור מערכת זיהוי אובייקטים מבוסס מצלמה, Raspberry Pi 5 או NVIDIA Jetson ננו (אשר גם מציע תוכנת קוד פתוח) הוא יותר מתאים לשימוש דפי הקהילה ומדריך לאפשרויות מופחתות.

מערכת ההפעלה Hardware Setup and Expand

לאחר שבחרת לוח, להרכיב את החומרים הדרושים: חיישנים, אקטוטורים, תצוגות ומודולים קישוריות.פלטפורמות רבות יש ראשי הרחבה סטנדרטיים (למשל, מגן Arduino, Raspberry PiATs, ESP32 FeatherWings) כי לפשט את ה-wiring. for Custom Circles, להשתמש בלוח לחם עבור בדיקות ראשוניות, ולאחר מכן מעבר ללוח או מותאם אישית כאשר עיצוב PCB.

עיצובי חומרה בקוד פתוח זמינים עבור מגינים רבים ולוחות פורצות, ומאפשרים לך לבדוק את המעגל ולבצע שינויים במידת הצורך.תמיד להתייעץ עם גליון הנתונים הסכאמטי והנתונים של הלוח כדי להבטיח את הכוח הנכון ואת משימות הסיכות.

פיתוח סביבה ותכניות תכנות

הגדרת סביבת פיתוח משולבת (IDE) התומכת בפלטפורמה שלך.הבחירות הפופולריות כוללות:

  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)PlatformIOFLT:1 - הרחבה מקצועית של קוד Visual Studio התומכת במאות לוחות, פיזור מתקדם וניהול ספריות.
  • (ב) ⁇ :0 ⁇ -IDFFLT:1 - עבור תכנות מתקדם ESP32 עם FreeRTOS, אופטימיזציה עמוקה בשינה, ומחיצות מותאמות אישית.
  • (FLT:0STM32CubedeFLT:1) עבור STM32 לוחות (אשר יש תמיכה קהילתית בקוד פתוח), עם דור קוד ואינטגרציה debugger.

כתוב קושחה ב C, C++, MicroPython, או CirclePython, בהתאם לפלטפורמה ולהעדפה שלך. השתמש בגרסת שליטה (Git) ולנהל את הספריות באמצעות מנהלי החבילה המסופקים על ידי IDE שלך.

4.בדיקה, דיון ואינטגרציה

השתמש בחיבור UART-over-USB עבור קידוד סדרתי - חיוני למעקב אחר ערכים משתנים וחילופי מדינה. פלטפורמות רבות לתמוך JTAG /SWD bugging עם כלים כמו OpenOCD ו- GDB. לניתוח לוגיקה, מנתח לוגיקה זול מבוסס USB מבוסס (למשל, סלים שיבוטים) מסייע לפענוח בעיות תזמון.

5.הפצה ו Scaling

לאחר אימות, אתה יכול לייצר PCB מותאם אישית המשלב רק את הרכיבים הדרושים.שימוש בכלים עיצוב קוד פתוח כמו קיפאד או EasyEDA, אתה יכול ליצור לוח קטן וזול יותר מאשר ערכת הפיתוח. יצרנים רבים לקבל קבצים גרבר שנוצרו מן הכלים האלה, ואת רישיונות הקוד הפתוח מאפשרים לך למכור מוצרים המבוססים על עיצוב ללא תמלוגים - כל עוד אתה עומד בתנאי הרישיון (כלומר, צורך בשיתופי פעולה).

יישומים אמיתיים ו Case Studies

פלטפורמות חומרה בקוד פתוח שימשו במגוון פרויקטים מזעזע, ממחקר מדעי למוצרי צרכנים.

  • (FLT:0) ,Smart חקלאות:BuildFLT:1 ESP32 מבוסס חיישנים לחות לתקשר באמצעות MQTT ל- Raspberry Pi שער כי הוא מאגרי נתונים בענן.חקלאים משתמשים בלוחות נתונים כדי לנהל השקיה מרחוק.
  • (FLT:0) מכשירים רפואיים: FLT:1 פרויקט OpenPCR משתמש ב-Arduino Mega כדי לשלוט בתגובת שרשרת פולימראז זולה (PCR) תרמית מחזורית, המאפשרת בדיקות גנטיות בהגדרות קוד נמוך.
  • (FLT:0)Industrial Automation: A BeagleBone Black עם בקר מנוע מדרגה מותאם אישית החליף PLC מסחרי יקר בקו ייצור קטן, צמצום העלות ב 80%.
  • (FLT:0)Robotics:FLT:1 של מעבדת ה-Jel נאס"א ג'ט Propulsion של מעבדת התעופה "Pumpkin" CubeSat משתמשת במחשב ARM Cortex-M4 המבוסס על עיצוב קוד פתוח ל- Earth, התחביבים בונים רחפנים אוטונומיים עם חומרת Pixhawk (קוד פתוח) המפעילה את קושחה ArdulotPi.

אתגרים ושיקולים

למרות היתרונות הרבים, חומרה קוד פתוח אינה ללא תקלות.להיות מודע לאלה יכול לעזור לך להפחית סיכונים.

  • (FLT:0) תאימות גפיים:FLT:1 ערבוב לוחות מפרויקטים קוד פתוח שונים עשוי להוביל להתאמה ברמת המתח, סכסוכים סיכות, או ספריה במיומנות.תמיד כפלית רמות לוגיקה ותזמון.
  • (FLT:0) מסמך הניתן לרישום: FLT:1hil בעוד שלפלטפורמות גדולות יש תיעוד מצוין, פרויקטים קטנים עשויים לסבול משמונים או ממדריכי ספאריים מיושנים.
  • (FLT:0) חששות לגבי סודיות: FLT:1 עיצובים פתוחים אומר תוקפים יכולים ללמוד את החומרה עבור פרצות. עבור מכשירים הקשורים IoT, ליישם הצפנה נכונה (TLS), מנעול מאובטח, ולמעלה--אוויר מנגנוני עדכון להשתמש מודול אבטחה חומרה (HSM) אם יש צורך.
  • (FLT:0) תמיכה רשמית: FLT:1rea לעתים קרובות לסמוך על פורומים קהילתיים ונושאים GitHub ולא שולחן עזרה ייעודי.תוכנית ליעילות עצמית ולבנות מומחיות בבית.
  • (FLT:0) אישורים רגולטוריים:0.Certification:FLT:1, CE, ואישורים רגולטוריים אחרים דורשים בדיקות כי הוא זהה קוד פתוח וחומרה קניינית.להבטיח שהעיצוב שלך עומד בסטנדרטים של EMC ובטיחות לפני ייצור המוני.

מגמות עתידיות בקוד פתוח-Source Embedded Hardware

הנוף ממשיך להתפתח במהירות.כמה מגמות מעצבות את הדור הבא של פיתוח מוטבע עם פלטפורמות קוד פתוח:

  • (FLT:0)RISC-V מעבדים:FIRLT:1 ; אדריכלות הקוד הפתוח (ISA) צוברת מערכת במיקרו-בקרים ו-SBCs. Boards כמו סי Five1 ו-BeagleV ⁇ star מציעים ליבות פתוחות לחלוטין, מבטיחות אפילו שקיפות רבה יותר והתאמה אישית.
  • (FLT:0AI ו- Machine Learning at the Edge: TensorFlow:1 Platforms כמו ESP32-S3 ו- Raspberry Pi 5 כוללים מאיצים חומרה עבור רשתות עצביות. TensorFlow Lite ו-Fulse מאפשר הפעלת מודלים קטנים לאיתור מילים, סיווג תמונה, וגילוי אממטי ישירות על המכשיר.
  • (FLT:0) Open-Source Toolchains:FLTRE:1 עלייתם של מדרבנים קוד פתוח (LLVM), debuggers (Open OCD), ואוטומציה עיצובית (KiCad) מפחיתה את התלות על רישיונות קנייניים, מה שהופך את כל זרימת העבודה מפריסת PCB ל-Coשחיקה לאוסף חינם ופתוח לחלוטין.
  • (FLT:0) תקני עיצוב מודולריים: FLT:1 מיזמים כמו פורמט Feather ואת שקע mikroBUS מעודד מודולים משתנים, מפשטים את ההסתברות וצמצום זמן אל השוק.

מסקנה

פיתוח מערכות משובצות עם פלטפורמות חומרה קוד פתוח עבר מפעילות בתחביב נישה לפרקטיקה הנדסית ⁇ .שילוב של חומרה זולה, חומרה גמישה, קהילות תוססות, ומערכות אקולוגיות תוכנה בוגרת מעצימה אנשים וארגונים כדי ליצור מוצרים חדשניים שהיו תורמים מבחינה כלכלית או טכנית רק ל-Fronicialss הוקמה לפני עשור.אם אתה בונה הרובוט הראשון שלך, חוקר התומך במכשיר רפואי, או מוצר משותף עבור פיתוח חומרה פתוח, כמו בסיס פתוח, אשר נוצר באמצעות פיתוח של טכנולוגיית בסיס פתוח.