Импортозамещение в образовательной сфере. Отечественный контроллер для образовательной робототехники, IOT, БАС и т.д.
Образовательный контроллер Рудирон.
Привет Хабр!
Меня зовут Юрий, руководитель отдела разработки робототехники в компании Аквариус. Расскажу о новом продукте – образовательном контроллере «Рудирон». Это первая статья про новое направление компании и в дальнейшем планируется ряд статей по особенностям использования контроллера в образовательной деятельности и не только.
Информация будет интересна учителям школьных кружков робототехнике, самодельщикам и энтузиастам отечественных решений в области импортозамещения.
Компания Аквариус приступила к массовому выпуску отечественного образовательного контроллера под торговой маркой «Рудирон». Контроллер в 2023 году прошел пилотные испытания в образовательных учреждениях России и теперь готов к поставкам в составе наборов, сформированных с учетом опыта пилотов и особенностей самого контроллера.
Контроллер "Рудирон" создавался для бесшовного преподавания ряда дисциплин от школ до вузов в областях образовательной робототехники, IOT, БАС, программирования как отечественная платформа.
При создании контроллера ставилась задача разработки своего продукта, а не клонирования еще одной версии Arduino подобных плат. Поэтому компания не позиционирует проект как убийцу чего-то там! Это самостоятельный образовательный контроллер со своей методической базой и идеологией.
Контроллер построен на микроконтроллере компании «Миландр» К1986ВЕ92FI с достаточным объемом памяти и быстродействием для использования в школах и вузах.
Ø 32-разрядный 80 МГц,
Ø 128 кБ Flash, 32 кБ ОЗУ
Ø ШИМ – 9 каналов,
Ø АЦП – 6 каналов (12 разрядов до 500 кгц),
Ø ЦАП – 1 канал (12 разрядов),
Ø Компаратор
Ø Интерфейсы – CAN, UART (2), I2C, SPI (2), USB
Ø Количество цифровых портов – 37
Ø Питание 5 В USB, 6-14 В Jack 2.5
Ø Прямое подключение – MPU6050, NRF2401, ESP8286, BMP-180 и т.д.
Ø Программирование в Arduino IDE, Visual Studio Code
Рассмотрим поподробнее контроллер :
1. Система питания контроллера:
Питание от USB – 5 вольт либо 6-14 вольт от внешнего источника питания.
На плате установлен самовосстанавливающийся предохранитель 0.75 А и защитный диод от переплюсовки напряжения питания от внешнего источника. Для питания внешних модулей напряжением 5 вольт установлен LDO с которого напряжение подается на внешние разъемы контроллера и на 2 LDO с напряжением стабилизации 3.3 вольта. Первый LDO 3.3 вольта питает микроконтроллер и внешние модули, а второй – модули беспроводной связи (ESP-01, NRF2401), которые подключаются в специально установленные на контроллер разъемы с обеспечением емкости 100 мкф непосредственно у самих выводов разъемов. Таким образом гарантируется бесперебойная работа радио-модулей при переходе из режима приема в режим передачи данных (ток потребления при этом может изменяться от единиц мА до 150 мА).
Для индикации наличия питающего напряжения на плате установлен светодиод.
2. Загрузка программного обеспечения:
Контроллер имеет два режима загрузки программного обеспечения:
▪ Посредством USB порта контроллера с использованием USB-UART преобразователя, установленного на плате "Рудирон".
Данный режим не требует внешних дополнительных программаторов и используется при разработке несложных приложений. Для визуализации фактов передачи и приема информации на плате установлены 2 светодиода по линиям RX и TX UART микроконтроллера.
▪ С помощью внешнего программатора J-Link с 20 пиновым разъемом либо программатора с поддержкой SWD с подключением к отдельному 4 пиновому разъему типа мама. При таком режиме программирования становится доступна возможность внутрисхемной отладки приложений. Данный режим для продвинутых разработчиков, студентов колледжей и вузов.
Выбор режима программирования осуществляется джампером на разъеме контроллера.
USB порт контроллера:
Контроллер имеет аппаратный порт USB. Он может использоваться для:
▪ Загрузки программного обеспечения в контроллер (при написании своего загрузчика);
▪ Для коммуникации оборудования на базе контроллера и компьютера либо иных устройств, имеющих USB порт.
Для использования аппаратного USB необходимо отключить USB-UART преобразователь на контроллере путем установки джампера в разъеме:
Пользовательские элементы контроллера:
Чтобы изучить основы программирования контроллера и его взаимодействия со стандартными элементами, такими как кнопки и светодиоды, на плате контроллера установлены 4 пользовательские кнопки и два светодиода.
Одна из пользовательских кнопок служит для вывода микроконтроллера из режима пониженного энергопотребления (Кнопка пробуждения).
Пользовательские светодиоды L1 и L2 подключены к портам контроллера, которые могут генерировать ШИМ сигнал с внутренних таймеров микроконтроллера. Такое подключение дает возможность изучения программирования ШИМ сигналов по яркости свечения светодиодов. Так же эти порты выведены на внешние разъемы и к ним можно подключать внешние модули. Тогда светодиоды будут отображать состояние сигналов (светится значит есть напряжение логической 1 и не светится логический ноль), что бывает удобно в образовательных целях. Как пример, при подключении сигнала ECHO от ультразвукового датчика HC-SR04 видно, как длительность свечения светодиода напрямую зависит от расстояния до препятствия.
5. Обеспечение беспроводной связи контроллера с внешним миром:
Для обмена информацией с другими контроллерами или компьютерами предусмотрено подключение двух радио-модулей. Для этого на плате установлены 2 разъема.
Радио-модуль 2.4 гГц в виде цифрового модема NRF2401 обеспечивает передачу данных до 2 мбит с возможностью программной реализации любых протоколов и систем радиоуправления.
WI-FI модуль ESP-01 обеспечивает создание своей точки доступа либо подключение Рудирона к локальной сети интернет.
Подключение внешних устройств по шине I2C:
Для прямого подключения модулей по интерфейсу I2C выведен отдельный разъем на плате, который позволяет подключать различные модули магнитометров, акселерометров, барометров, гироскопов, памяти EEPROM без необходимости использования проводов.
Цифровые порты контроллера:
Все порты контроллера "Рудирон" выведены на 4 разъема, которые установлены горизонтально. Да, это не классическое расположение разъемов. Но в некоторых случаях удобно, когда устройство не растет в высоту. Конечно, имея привычное вертикальное расположение было бы привычнее. Но кто сказал, что все должны ходить в одних и тех же брюках ?!) Как говорится на вкус и цвет инженеров нет)
Порты толерантны к уровням сигналов 3.3 и 5 вольт, что дает возможность подключать любые модули без необходимости плат согласования или понижающих резисторов.
8. Средства разработки программного обеспечения для контроллера:
Для написания и прошивки программ в контроллер "Рудирон" можно воспользоваться Arduino IDE либо Visual Studio Code.
В сотрудничестве с компанией "Эремекс" поддержка контроллера "Рудирон" и микроконтроллера К1986ВЕ92FI введена в отечественный аналог STM32Cube под названием FX-Designer.
Отечественная оболочка позволяет настроить визуально шаблон проекта как у западных коллег, а в некоторых случаях и лучше.
Мы признательны компании "Эремекс" за приоритетную поддержку нашего проекта.
9, Дистрибутивы, стороннее ПО и методические материалы::
Для настройки этих двух сред мы написали скрипт инсталлятор на Python. Скачать его можно с нашего репозитария https://gitflic.ru/project/akvarius-rudiron/rudiron-distr.
По ссылке скачивается архив со скриптами после его разархивирования запускаем скрипт install.py и у нас контроллер "Рудирон" появится в Arduino IDE и будет доступно в Visual Studio Code.
В репозитарии подробные инструкции по установке на Windows и Astra Linux, а так же методические материалы по основам программирования и примеры по работе с различными модулями и блоками микроконтроллера от компании "Миландр".
Так же нами разработан монитор последовательного порта с различным функционалом, но это тема следующей статьи про контроллер "Рудирон".
Контроллер в образовании:
В сотрудничестве с Институтом информационных технологий МИРЭА – Российского технологического университета разработан курс «Интернет вещей на базе Рудирон», который позволяет не только освоить работу с данным отечественным программно-аппаратным комплексом, но и научиться его применению для разработки прикладных решений в сфере Интернета вещей.
Обучение начинается с освоения основ работы с микроконтроллерами, включая их архитектуру и принципы программирования. Студенты учатся подключать различные датчики, что позволяет собирать и обрабатывать данные для разработки решений в области Интернета вещей. Эти навыки дают возможность создавать системы автоматизации технологических процессов, мониторинга параметров окружающей среды, дистанционного управления оборудованием и т.п., что является основой для умных устройств и интеллектуальных решений.
Институт радиоэлектроники и информатики МИРЭА - Российского технологического университета готовит курсы обучения по применению ОСРВ во встраиваемых системах. Используя контроллер "Рудирон" на базе отечественного микроконтроллера, студенты изучат построение встраиваемых систем на базе отечественной ОСРВ FX-RTOS от компании "Эремекс" с использованием графической среды настройки ОСРВ.
Так же заключены соглашения по развитию экосистемы Рудирон в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина),
"Дальневосточном государственном аграрном университете, где изучение контроллера "Рудирон" будет происходить сначала в профильных школах при вузах, а затем уже непосредственно на самих кафедрах университетов, обеспечиваю предложенную нами систему бесшовного обучения.
Это была общая обзорная статья про наш контроллер "Рудирон" и его вхождение в сферу образования. В дальнейшем планируем отдельные статьи по новым программным продуктам для "Рудирона" и его использованию в образовательных проектах.
