Gömülü Sistemler: Açık Kaynak Donanımının Rolü

Gömülü sistemler sayısız modern cihazın arkasında gizli istihbarat olarak hizmet eder - akıllı termostatlardan ve endüstriyel robotlara ve otomotiv kontrolörlerine erişimi demokratikleştirmek için, bu tür sistemlerde bulunan bu kadar pahalıya mal olan pahalı araçlar, kapalı kaynak fişleri ve derin satıcılar kilitlendi.

Opensource donanım tasarımlara atıfta bulunur -schematics, yönetim düzeni, fatura-malzemeler ve Yazılım - herhangi birinin çalışma izni altında serbest bırakılır, değişiklik yapar ve bunları yeniden dağıtır. Bu şeffaflık, iş birliği ve daha sağlam, topluluk tarafından yapılan çözümler.Bu genişleyen kılavuzda, gömülü sistemler için hangi açık kaynak donanımın ne anlama geldiğini araştırıyoruz, gelişim araçları ve iş akışlarını tartışır, gerçek dünya uygulamalarını inceler ve ele alır.

Open-Kaynak Donanım Platformları Nedir?

Analarında, açık kaynak donanım platformları, kullanıcıların tam tasarım dosyaları ile sağlar, her bileşeni, izlerini ve elektrik özelliklerini incelemelerine izin verir (önergeli) tahtalarından farklı olarak, donanımın siyah bir kutu olduğu, açık kaynak tasarımları şeffaflığı teşvik eder.TheurFLT:0Open Source Hardware Association (OSHWA)), bir tasarım için karşı tanışıklık olarak kabul edilmesi gereken bir dizi kriteri tanımlar.

Bu açıklık birkaç pratik etkiye sahiptir:

  • [FONT:0)Learn ve adapte:[Dönetici:[Dönetici: 1) Öğrenciler devre tasarım prensiplerini anlamak için profesyonel sınıf şemalarını inceleyebilirler.
  • [FONT:0) Uygunluk için dikkat edin:[Döneticiler pin atamaları değiştirebilir, periferik ekleyebilir veya belirli proje gereksinimleriyle eşleşmesi için gereksiz bileşenleri kaldırabilirsiniz.
  • [FONT:0)Replicate and scale:[Dönetici:[Dönetici: 0) Küçük takımlar ve üreticiler lisans ücretleri olmadan bir yönetim kurulunun kendi versiyonlarını üretebiliyorlar, per-unit masraflarını azaltırlar.
  • [FONT:0]Community Innovation:[Döneticileri, üçüncü taraf yaratıcıları kalkanlar, şapkalar, genişleme panjurlar ve platformun işlevselliğini genişleten yazılım kütüphaneleri, herhangi bir tek satıcının destekleyebileceğinin çok ötesinde.

Açık kaynak donanım basit mikro kontroller ile sınırlı değildir; tek kişilik bilgisayarları, FPGA geliştirme panjurları ve özel IoT modülleri, tüm canlı ekosistemler tarafından desteklenen canlı ekosistemler.

Yaygın Açık Kaynak Donanımları, Gömülü Sistemler için

Birçok açık kaynak kurulu var olsa da, birkaçı, onların malvarlığı, topluluk desteği ve sürekli evrimi nedeniyle kehanete yükseldi. Aşağıda, dört en yaygın kullanılan platformları incelerken, güçlü ve tipik kullanım durumlarında genişleyen ayrıntılarla inceleyeceğiz.

Arduino Arduino

[FONT:0]Arduino[[Dönetici:0) Muhtemelen açık kaynak elektronikte en tanınmış isimdir.Inspektif olarak sanatçılar ve tasarımcılar için erişilebilir bir araç olarak tasarlanmıştır, işlem / kodlama, büyük bir kütüphane havuzuna ve daha fazla - AVR, ARM Cor-texM'te çalıştırılır ve hatta RISC-V çekirdeği üzerinde çalışır: Arduino ekosistemi basit bir IDE ( İşleme/Wiring)

Arduino tahtaları prototipleme, eğitim ve düşük ölçekli gömülü görevlerde öne çıkıyorlar. Sensörleri okumak, kontrol motorlar ve I2C'yi iletişim kurmak için idealdir, SPI veya UART. Uno R3, örneğin, Arduino MKR serisi gibi gelişmiş bir panelde bir kalıp duruyorlar.

[FONT:0) Arduino ile başladı: [Dönetici: [Dönetici: 1) Resmi bir gemi satın almak (veya uyumlu bir klon), indir theETHFLT:2).Arduino IDE) ve inşa edilmiş örneklerden birini takip edin. dakika içinde bir düğme basını veya bir RGB LED'i okuyabilirsiniz.

Raspberry Pi

[FONT=0)Raspberry Pi[[Dönetici:0) Raspberry Pi 5, CENGT:1), tam işletim sistemleri çalıştıran bir dizi tek kişilik bilgisayar (SBCs) - RISC-OS ve Windows IoT Core gibi alternatifler var. Raspberry Pi 4 Model B ve yeni RNR Pi 5 teklifli-core CPUs, 8 GB RAM, USB 3.0, Gigabit Ethernet, HDMI ve GPIO pins.

gömülü sistemler için, Raspberry Pi genellikle uygulama önemli işlem gücü, ağ bağlantılı hizmetleri veya grafik kullanıcı arayüzünü gerektirdiğinde seçilir. Ortak projeler ev otomasyonları, medya merkezleri, ağ tabanlı depolama (NAS), ve robot kontrolleri, geniş yazılım ekosistemi - Python, Node.js ve C++ dahil - ve periferik eklentilerin kullanılabilirliği (camera modülleri, motor kontrolörleri, medya merkezleri, dokunmatik ekranlar) son derece yönlü olarak sağlar.

Ancak, Raspberry Pi tam bir OS'yi çalıştırdığı için, mikrokontrolörlerden daha az belirleyicidir ve daha fazla güç tüketiyor. ultra-düşük güç veya gerçek zamanlı kontrol görevleri için, ESP32 veya bir Arduino gibi bir mikrokontrolcü daha uygun olabilir. Ancak, Pi'nin esnekliği onu açık kaynaklı bir gelişim taşı haline getirir.

ESP32

[FONT=0]ESP32[DÜDÜDÜDÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN

ESP32, ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) ve Arduino-ESP32 port'ı da dahil olmak üzere birkaç geliştirme çerçevesi tarafından destekleniyor.Ayrıca, MicroPython ESP32'de çalışıyor, Python tabanlı bir gelişme için sayısız kütüphane yarattı.

ESP32 tamamen açık kaynaktır ( silikon açık değildir, ancak donanım referans tasarımı ve yazılım yığınıdır), üreticiler kendi modüllerini ve kurullarını üretebilirler. ESP32-DevKitC ve Wemos D1 Mini ESP32, ultra sağlanmış güç gerektiren projeler için, ESP32-S2 ve ESP32C3 ailesi tek bir profil sunar.

BeagleBone

[FONT:0]BeagleBone[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜK-Üyetim: 0, 5), mikro hassaslıktav, motor kontrol, sensör-idasyon ve özel iletişim protokolleri ile ilgili olarak, programlanabilir.

BeagleBone panjurlar, Leicester Linux'ı yönetiyor ve GPIO başlıklarının büyük bir sayısına erişim sağlıyor, artı iki 32-bit mikro kontrol cihazı (PRUs) montajı veya C. The BeagleBone Black, 4 GB eMMC depolama, HDMI çıkışı ve USB host kapasitesi sunuyor.

BeagleBone topluluğu Arduino veya Raspberry Pi'den daha küçük, ancak son derece tekniktir. Endüstri kontrolörleri, drone otopilotları ve tüm Linux ortamını ve gerçek zamanlı yanıt veren laboratuvar araçları arasında en sevdiğidir.

Open-Kaynak Donanımı Kullanımının Avantajları

Özel alternatifler yerine açık kaynak donanım platformlarını kullanma kararı, gelişimi hızlandıran ve riski azaltan birkaç farklı fayda sunar.

  • [FONT:0)Cost-Effective: Temel donanım genellikle rekabetçi üretim nedeniyle ve lisans ücretlerinin yokluğu nedeniyle özel eşdeğerlerden daha düşük fiyatlanır ve mevcut tasarımları yeniden kullanma ve değiştirme yeteneği, mühendislik saatlerini tasarruf etmek için ihtiyaçtır.
  • [FONT:0]Flexability:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir platform belirli bir özellikten yoksundur - ekstra bir UART veya farklı bir güç düzenleyicisi - siz kurulu kendiniz tasarlayabilirsiniz veya ihtiyaçlarınızı karşılayan bir topluluk değişkeni bulabilirsiniz.
  • [FONT:0) Deep Community Support:[Döneticiler, GitHub repositories, hackathons ve buluşmalar paylaşılan bir bilgi zenginlik sağlar.Bir hatayla karşılaşdığınızda, zaten benzer bir sorunu çözmüş olan biri var.
  • [FONT:0)Rapid Prototipleme:[Dönemli platformlar önceden belirlenmiş şematik ve olgun yazılım yığınları ile gelir, haftalar yerine prototip çalışmak için konseptten hareket edebilirsiniz.
  • [FONT:0]Eğitim Değeri: [Döneticiler ve yeni gelenler için, açık kaynak donanım, dijital tasarım, gömülü programlama ve sistem entegrasyonunu pahalı araçlar veya opak belgeleri olmadan öğrenmenin bir yolunu sunar.

Open-Kaynak Platformları ile gömülü sistemler geliştirmek: Bir Adım-byStep Workflow

Her proje benzersiz olsa da, açık kaynak donanım üzerinde gömülü gelişim için genel bir iş akışı aşağıdaki aşamaları içerir.

1. Ölçme Analizi ve Platform Seçimi

Anahtar kısıtlamaları tanımlamakla başlayın: işlem gücü, bellek, bağlantı, güç bütçesi, I/O sayı ve gerçek zamanlı gereksinimler. Basit bir sıcaklık logger için bir Arduino Uno yeterli olabilir.Bir kamera tabanlı nesne algılama sistemi için, bir Raspberry Pi 5 veya bir NVIDIA Jetson Nano (ayrıca açık kaynak yazılımları sunar) daha uygun. topluluk önerileri sayfalarını kullanın ve karşılaştırma kılavuzları daraltın seçeneklerine kıyasla daha uygun.

2. Donanım Kurulum ve Genişleme

Bir yönetim kurulu seçtikten sonra gerekli periferikları bir araya getirin: sensörler, eylemciler, görüntüler ve bağlantı modülleri. Birçok platform standart genişleme başlıklarına geçiş yapar (örneğin, Arduino kalkanları, Raspberry Pi HATs, ESP32 FeatherWings) bu kablolama için bir ekmek dolabı kullanın.

Açık kaynak donanım tasarımları birçok kalkan ve mola panoları için mevcuttur, gerekirse devreyi incelemenize ve modifikasyon yapmanıza izin verir. Her zaman doğru güç ve pin atamaları sağlamak için tahta için şematik ve veri tablosuna danışın.

3. Geliştirme Çevre ve Şirketware Programlama

Platformunuzu destekleyen Entegre bir Kalkınma Çevresi (IDE) oluşturun. Popüler seçimler şunları içerir:

  • [FONT=0)Arduino IDE[[Dönetici: 1) Yeni başlayanlar, Arduino ve ESP32 (önlü yükleme) destekler.
  • [FONT=0)PlatformIO[[[Dönetici: 1)) - Yüzlerce yönetim kurulu, ileri debügging ve kütüphane yönetimi destekleyen Visual Studio Code için profesyonel bir yenileme.
  • [FONTP-IDF[DÜT:1) - Gelişmiş ESP32 programlama için FreeRTOS, derin optimizasyon ve özel bölümlerle programlama.
  • [FONT:0]STM32CubeIDE[[DÜT:1) – STM32 yönetim kurulu için (önemli topluluk desteği olan), kod nesli ve debugger entegrasyonu ile.

C, C++, MicroPython veya DevrePython'da platforma ve tercihinize bağlı olarak programlamayı (Git) yazın ve IDE tarafından sağlanan paket yöneticileri aracılığıyla kütüphaneleri yönetin.

4. Test, Debugging ve Entegrasyon

Seri giriş için UART-over-USB bağlantısı kullanın - değişken değerleri ve devlet geçişlerini takip etmek için tasarlanmıştır. Birçok platform, OpenOCD ve GDB gibi aletlerle donatılmadan önce her modülü test eder.Manisa klonlama.For logic analysis, a ucuz USB-based logic analysisr (e.g., Saleae klonları) her modülü her şeyi bütünlemeden önce test eder.

5.İşletme ve Scaling

Geçerlilikten sonra, bu araçlardan üretilen özel bir PCB üretebilir ve açık kaynak lisanslar olmadan ürün satmanıza izin verirsiniz - lisans şartlarını uygun olarak (tipik olarak, geliştirme kitlerinden daha küçük bir yönetim kurulu oluşturabilirsiniz). Birçok üretici Gerber dosyaları bu araçlardan elde eder ve açık kaynak lisanslar, lisans şartlarını uygun olarak ürün satmanıza izin verir - sürece (tipik olarak)

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Vaka Çalışmaları

Açık kaynak donanım platformları, tüketici ürünlerine bilimsel araştırmalardan şaşırtıcı çeşitlilikte kullanılmıştır.

  • [FONT:0)Smart Tarım: [DÜDÜT:1] ESP32 tabanlı toprak nem sensörleri, MQTT ile buluta giriş yapan bir Raspberry Pi geçitine iletişim kuruyor. Çiftçiler, uzaktan sulamayı yönetmek için pankart kullanıyor.
  • [FONT:0)Medical Cihazları: [Dönetici: [Dönetici:0) AçıkPCR projesi düşük maliyetli bir polimeraz zinciri reaksiyonu (PCR) ısı döngüsüleyicisi, düşük kaynak ayarlarında genetik testlere olanak sağlar.
  • [[DÜDÜ:0)Staj:[DÜDÜT:0)IYORDÜ: [Dönetici:0))) A BeagleBone Black, özel bir adım motoru kontrolörü ile özel bir üretim hattında pahalı bir ticari PLC olarak yerini aldı,% 80 oranında maliyeti azalt.
  • [FONT:0)Robotics: [Dönetici: [Dönetici: 0,3] NASA Jet Propulsion Laboratory'in “Pumpkin” CubeSat uçuşu bilgisayarı, açık kaynak referans tasarımına dayanan bir ARM Cortex-M4 kullanıyor. Closer to Earth, hobiistler, ArduPilot Donanımı (open-source) ile otonom dronelar inşa ediyor.

Meydanlar ve düşünceler

Birçok avantaja rağmen, açık kaynak donanım, tuzaklar olmadan değildir. Bunların farkında olmak riskleri hafifletmenize yardımcı olabilir.

  • [FONT:0)Compatability Gaps:[Dönetici:[Dönetici] Farklı açık kaynak projelerinden gelen Mix yönetim kurulular gerilim seviyesi yanlış uyumlara, pin çatışmalarına veya kütüphaneye uygunsuzluklara yol açabilir.
  • [FONT:0]Variable Documentation:[Dönetici:[Dönetici:0) Büyük platformlar mükemmel belgeye sahip olsa da, daha küçük projeler eski şematik veya sparse kılavuzlarından muzdarip olabilir. Topluluka geri gelen gelişmeler yardımcı olur.
  • [FONT:0) Güvenlik Hakkında:[Döneticiler:[Döneticiler) Açık tasarımlar, bağlı IoT cihazları için donanımı incelemek, doğru şifreleme (TLS), güvenli bir boot ve gerekirse bir donanım güvenlik modülü (HSM) kullanın.
  • [FONT:0]Limited Resmi Destek:[Dönetici:[Dönetici forumlarına güveniyorsunuz ve kendine yeten bir yardım masası için kendi yeterliliği için planlayın.
  • [FONT:0)Certification:[Dönetici:[Dönetici:0)[[FONT: CE ve diğer düzenleyici onaylar, açık kaynak ve özel donanım için aynı test gerektirir. Tasarımınızın toplu üretimden önce EMC ve güvenlik standartlarını karşılamasını sağlayın.

Peyzaj hızla gelişmeye devam ediyor. Birkaç trend, açık kaynaklı platformlarla bir sonraki gömülü gelişim nesli şekillendiriyor:

  • [FONT:0]RISC-V Süreçtörler: Açık kaynak öğretim seti mimarisi (ISA) mikro kontroller ve SBCs. Boards gibi, SiFive HiFive1 ve BeagleV ⁇ beş yıldız tamamen açık hesaplama çekirdeği sunuyor, umut verici daha büyük şeffaflık ve özelleştirmeler.
  • [FONT=0]AI ve Machine Learning at the Edge: Platformlar ESP32-S3 ve Raspberry Pi 5, sinir ağları için donanım hızlandırıcıları içerir. TensorFlow Lite Micro ve Edge Impulse, uyandırmak için küçük modelleri çalıştırmayı sağlar, görüntü sınıflandırması ve cihazında doğrudan bir anomali tespit eder.
  • [FONT:0)Open-Kaynak Toolchains:[Dönetici: Açık kaynak derlemelerinin (LLVM), debuggers (OpenOCD), ve tasarım otomasyonu (KiCad), özel lisanslara bağımlılık azaltır, tüm iş akışlarını tamamen ücretsiz ve açık hale getirmek için PCB düzeninden alır.
  • [FONT:0)Modular Tasarım Standartları:[Dönetici:[Dönetici: 1) Tüy formatı ve mikropiçleme, zaman-topazarı'nı basitleştirme ve azaltmayı teşvik eder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Açık kaynak donanım platformlarıyla gömülü sistemler, ana akım mühendisliği uygulamalarına bir niş hobi faaliyetinden geçti. Düşük maliyetli, esnek donanım, canlı topluluklar ve olgun yazılım ekosistemleri, finansal olarak veya teknik olarak yasaklanan yeni ürünler oluşturmak için sağlam bir temel sağlar.Bir öğrenci ilk robotunuzu inşa edersen, bir araştırmacı bir ürün pazarlama için bir ürün hazırlamak veya piyasa için bir girişimci, açık kaynak donanıma sahip olmak için sağlam bir temel sağlar.