Проект электронного мультитула QUARK

Еще в 2018 наткнулся на довольно известный в своих кругах проект Пультоскоп. Если кратко, то это крайне примитивный осциллограф, построенный на arduino 328 серии. Учитывая его простоту, я его повторил за несколько часов на макетке и тут меня понесло... Но обо всем по порядку.

Итак. Повторенное устройство оказалось настолько нужным и удобным, что сама-собой возникла идея дополнить его базовыми функциями мультиметра, в том числе измеритель емкости конденсаторов и индуктивности катушек. В результате я начал работу над созданием идеального "под себя" устройства. Эмпирически прикинув функционал, который так или иначе задействую при проектировании своих устройств, я исключил ненужные мне функции и определил обязательные. В первую очередь, исходил из того, что в большинстве своем я не использую напряжения свыше 24 вольт и токи свыше 3 ампер. Обычно это низковольтное оборудование, IoT, ESP32, arduino и схожие по идеологии устройства. Соответственно и при измерении сопротивлений, емкостей и индуктивностей важна не столько точность, сколько понимание номинала и, желательно, автоматическое определение цветовой и кодовой маркировки. Обычно измерение этих параметров требуется при проектировании питающих схем устройств. Обязательна хотя бы минимальная проверка наличия данных на порту UART, а в идеале и их чтение. Здесь же я стал размышлять над формфактором устройства.

Собственно список того, к чему я пришел в итоге:

  • Вольтметр с точностью измерения не выше 0.01 вольта. Обычно достаточно даже десятых долей. При этом, обязательно необходимо отображение значений логических уровней для CMOS1.8, TTL и CMOS5.0 вольт.

  • Амперметр до 3 ампер с возможностью отображать график изменения значений.

  • Измерение номиналов пассивных элементов. Одна из наиболее необходимых для меня вещей, оказалась возможность на лету отображать цветовую и SMD маркировку деталей. То же самое при измерении индуктивности и емкости, за исключением цветовой маркировки. Разумеется автовыбор диапазонов.

  • Осциллограф обязателен. Как правило используется для измерения ШИМ сигналов, при проектировании питающих частей схем и при работе с данными для АЦП/ЦАП. Частоты как правило не выше 100кГц. Желательно что бы устройство само определяло триггер и настраивало масштаб графика.

  • UART логгер с автоопределением скорости.

  • Формфактор пробника. В одной руке устройство, в другой щуп. Вывод данных на цветной дисплей. Переключение режимов одним пальцем. Возможность подключения к смартфону.

Это обязательные ключевые особенности. Идеальный сценарий работы, как я это видел у себя в голове, примерно такой:
В одной руке щуп, в другой устройство, бегло пробегая по схеме, и выбирая одним пальцем режим работы, я тыкаю куда попало надо и снимаю нужный параметр.

Звучит слишком идеально, но это хотя бы обозначенная цель.

Проектирование

После того как с функциями устройства стало более-менее понятно, я сосредоточился на его внешнем виде. Буквально брал в руки модельный пластилин и лепил то, что должно удобно лежать в руке, отображать информацию и при этом легко управляться. В результате я пришел к такому дизайну:

Это рендер. Первая игла щупа торчит из кончика корпуса, второй щуп втыкается в "попку" - любой подходящий с бананом.

Что касается железной части, то здесь пришлось сильно поломать голову. Первые версии были построены на ATMEGA32U4. Его выбрал из-за в встроенного USB и достаточной скорости. Но самым главным критерием была arduino совместимость. Я принципиально хотел использовать платформу arduino, поскольку сразу зародилась мысль выложить ПО в открытый доступ и при этом оно должно было быть понятным ардуинщику. В качестве датчика тока решил использовать ACS712. Остальное на резистивных делителях, там ничего интересного.

Одна из последних тестовых версий плат, собранных на коленке:

В правом нижнем углу видна микрорелешка, которая замыкает щупы между собой через датчик тока.

А это уже первый заводской прототип:

Виден не распаянный в верхней части блютуз модуль JDY-08. Использовал его потому, что был. В качестве встроенного зонда, использовал иглы для тестирования плат методом летающего щупа. Сам зонд выглядит так:

Игла немного подпружинена и не дает поцарапать медь или лак на плате.

Косяков было не так много, все довольно легко смог исправить кинув "соплю", но пришлось отложить проектирование из-за нехватки времени. Собственно это позитивно сказалось на проекте, поскольку удалось много поработать с ESP32, на него я и перевел устройство. Попутно заменил старый, 0,96 дюймовый дисплей с разрешением 80x160, на 1,14 дюймовую матрицу 135*240 пикселей.

Должен сказать, что я не сторонник сенсорных кнопок, и в первой версии устройства у меня были физически нажимаемые 3 кнопки, но пришлось себе изменить. Шутки ради собрал прототип с 3-х контактным сенсорным интерфейсом и воткнул его в отпечатанный на 3D принтере корпус. Оказалось, что проще и быстрее не искать пальцем нужную кнопку, а банальными свайпами переходить в нужный режим. Сразу возник соблазн использовать встроенные в ESP32 пины емкостного сенсора, однако их чувствительности оказалось недостаточно для работы в корпусе. Потому пришлось перейти на использование букашек от ttp223. Из-за катастрофической нехватки пинов, три сенсора я подключил через резистивный делитель на один аналоговый вход. Еще один пришлось вешать на отдельный пин для реализации выхода из сна по прерыванию. С аналоговым входом, на котором висят 3 сенсора возникла неожиданная проблема. Оказалось, что при включении режима bluetooth или WiFi , некоторые пины не могут читать аналоговые данные. На практике, при подключении к смартфону, устройство просто переставало реагировать на сенсоры. И все бы ничего если бы я хотя бы мог переразвести, но функции были раскиданы по пинам с учетом их специфики, и получалось, что любой пин к которому можно подключить сенсоры, оказывался именно тем, который не мог работать при включении радиомодуля. Но интернеты, таки помогли.

Немного пораскинув мозгами, пришел к выводу, что вместо ACS712, лучше использовать INA219. Во-первых управление по I2С, во-вторых возможность измерять напряжение до 26 вольт. При измерении сопротивления, обычно используют коммутируемые резистивные делители для разных диапазонов, эта же функция необходима при измерении ёмкости конденсаторов. Вариант использовать ограниченное число пинов для коммутации резисторов такой себе, вместо этого я поставил цифровой потенциометр на 100К AD5245. Таких в устройстве два. Второй регулирует чувствительность ОУ на входе. Второй щуп перенес в разъем для зарядки TYPE-C и несколько видоизменил корпус.

Внеся все эти изменения я заказываю плату на JLCPCB и сходу понимаю, что уже есть косяки. Но не смертельно. Вот что у меня получилось на этом этапе:

Ниже небольшой видеообзор:

Тут важно понимать, что этот прибор даже не пытается претендовать на высокую точность измерений. Речь идет о тех параметрах, которые минимально необходимы без упрощения до уровня пробника. Для меня здесь принципиальна простота и возможность кастомизации на уже готовом железе. Даже приложение для смартфона я собрал в App Inventor.

На сегодняшний день, у меня написан основной базис ПО. Пришлось повозиться с корпусом, зато смог максимально удешевить стоимость пресс-формы. Для понимания порядка цен, стоимость матрицы $5600, ресурс 300к отливок. Стоимость 1 отливки, включая заглушку на дисплей и подсветку рабочей зоны $1,53. Размеры ~120x22мм. Корпус цельнолитой из ABS с SoftTouch покрытием.

Но даже это для меня довольно дорого. возможно попробую обратиться к краудфандингу. Если тема будет интересна, готов периодически выкладывать статьи.

Комментарии 76

    +4
    Интересное много функциональное устройство и управляется сенсор поглаживанием.
      +3
      ESP32 без внешнего АЦП — так себе задумка для ослика.
      Даже производитель признал нелинейность и большой разброс показаний встроенного АЦП и рекомендует ставить на вход кондер 100нФ и усреднять сэмплы.
        0
        Да, у них с линейностью АЦП беда в начале диапазона, но есть и софтварное решение. Однако, в этом показометре даже разрешение дисплея будет меньше чем эта погрешность :)
        +2
        Сначала хотел написать, что неудобно будет смотреть на экранчик «в поле» если точка, с которой меряешь неудобно расположена, например глубоко в недрах прибора, который надо чинить. Потом дошло, что для таких случаев есть приложение для смартфона. В общем, круто, так держать! Прикидывали, сколько такой девайс будет стоить?
          +4
          Спасибо за критику) Вообще конечно прикидывал, но пока еще рано говорить, многое будет зависеть от того, как буду стартовать.
          +2
          Дизайн несколько неоднозначный, а так хорошо. А защиты входов как сделаны? Не сгорит в режиме тока, если включить на напряжение? Статикой не убъется? Защита должна быть хотя бы на уровне китайского мультиметра. Ну и не плохо было бы возможность подключения второго щупа, чтобы можно было руки освободить, подключив два щупа с крокодилами и т.п.
          Но это придирки, все кроме корпуса. Хотя, художника каждый обидеть может.
            +9
            Я когда проектировал корпус, сидел в кресле перед компьютером с открытым кад проектом. Сзади подошла жена и начала ржать. Потом до меня дошло, но уже было поздно.
            По входам. В режиме измерения тока, щупы замкнуты через шунт и предохранитель F1 на ток около 3.5А. В остальных режимах, сигнал идет через F1, далее высокоскоростной F2 на 250mA. Затем на землю суперссор на 50 вольт, после него сигнал идет на 2 ключа. Один из них коммутирует ОУ осциллографа, подключенный через резистор 100k и последовательно конденсатор. Второй канал сразу же на выходе шунтирован суперссором и через резистор 50k идет на вход АЦП. Практика показала, что в случае превышения номинального напряжения, всегда срабатывает супрессор после 2-го ключа.
              0

              Так, может сделать торчащий металлический щуп убираемым внутрь, и к списку функциональных возможностей… кхм… прибора добавится ещё одна-две строчки?

            0

            Логично сперва выпустить пробную партию с корпусом, отлитым в силикон. Из твёрдого полиуретана.

              0
              Первая партия будет в фотополимерных корпусах. Нашел смолу по свойствам очень ABS напоминающую
                0
                Ссылочку плиз
                  0
                  Пока не смогу дать ссылку, мне предоставляли образец печати. Что за смола пока не знаю, но так или иначе придется выяснить
                  0
                  Вообще выглядит так, как будто для самодельщиков проще печатать по FDM-технологии.
                  А для эстетов уже литые корпуса.
                    0
                    Ну все же ТПА как минимум быстрее и стабильнее на выходе конечный результат. A FDM такие мелочи печатать такое.
                0

                АЦП так понимаю используется от esp32 внутренний? Какая частота выборки в итоге вышла? И удалось ли запустить внутренний АЦП через ДМА?

                  0
                  Запускаю через I2S в DMA кладу буфер. Максимальная выборка 400000, но, в зависимости от входной частоты, она может уменьшаться, что бы не разрастался буффер.
                  +1
                  Проект очень впечатляет! Что мне не понравилось — осциллограф сам определяет период. Лучше оставить возможность пользователю самому выбирать параметры. А так выглядит очень прилично и UI качественный.

                  Оказывается, вполне реально сделать самодельную литьевую машину за $200.
                  Пресс-формы не обязательно делать из стали. Можно и из алюминия выточить на CNC станке или даже напечатать на 3D принтере.
                    0
                    лучше оставить возможность пользователю самому выбирать параметры

                    Кончено же такая возможность есть. Просто по умолчанию используется авторежим.
                    Да, я видел такие ТПА, и даже делал некое подобие, но там качество совсем не то.
                    0
                    задумка хорошая и дизайн на букву х (тролфэйс) я как и ваша жэна сразу подумал.
                    подпружиненые контакты — pogo pin
                    точности в 1% для него вполне достаточно.
                    а можно ли сделать спереди банан и подключать в него иголку или крокодил в зависимости от необходимости? в принципе в штекере банана можно высверлить отверстие под иголку.

                      0
                      Я как раз думаю над тем, как реализовать подобное. На алике не нашел ничего подходящего
                        0
                        Может просто резьбу м2, м3?..
                          0
                          Хочется чего-то более цивильного
                            0
                            Зато обеспечивает надежный контакт и механическую фиксацию.
                            Да и применяется весьма часто.
                              0
                              А, имеете ввиду накручивать на щуп? У меня на пин в приборе резьба не станет. Пока в размышлениях как делать
                                +1
                                примерно так:
                                image
                                  0
                                  Да, такие видел. Даже нашел пины в продаже. Но у меня пока не станет на плату такой. Возможно будет насадка с крокодильчиком на проводе, просто одеваться на зонд.
                                    0
                                    Вплавляемая гайка в корпус, к плате проводком подвести. Или вообще через внутренний погопин упираться в эту гайку, в которую уже вкручен щуп.
                                      0
                                      Вообще вариант. Надо с китайцами пообщаться.
                          0

                          Существуют крокодилы и подпружиненные крюки, надеваемые на стандартный 2мм щуп мультиметра (на Али находятся по alligator clip 2mm). Можно попробовать поставить в прибор pogo pin с 2мм внешним диаметром (на Али это тип P125-B) и надевать на него.
                          Дома нашлись немного другие (с утолщённой шарообразной головкой, не даёт надевать с рабочей стороны) 2мм pogo, попробовал надеть крокодил с обратной стороны — держится туго.

                      +2

                      Действительно, хорошая вещь. И разработка отличная. Сразу видно, что создатель вкладывал душу.
                      Да, очень интересует вопрос стоимости

                        +4

                        Однозначно крутая штука. Я бы даже в кикстартер заслал, так что если будешь выходить туда, знай — минимум один задонатит))
                        а пока пойду подумаю закупать ли детальё и делать ли себе))

                          +1
                          для размышлений есть такой проект: www.radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=59&t=170458
                          пробник 4in1 на STM32F303
                            +1
                            Очень интересная штука для ардуинщика, действительно. Высокая точность и продвинутая функциональность особо не нужна, а вот возможность одной компактной штуковиной заменить сразу несколько инструментов было бы неплохо, потому что отдельного рабочего места под работу с электроникой нет, и хочется минимизировать беспорядок на столе.
                            В общем, если зачем мне флиппер я так и не смог придумать, то вот такая штука однозначно пригодится. И мультиметр, и осциллограф, и тестер компонентов, и даже логгер в корпусе чуть больше ручки.
                              0

                              О, тоже вспомнил про флиппер, когда увидел. Подумал, что хочу гибрид флиппера и этого щупа :)

                              +3
                              Я лично, отказался бы от софт-тача. Не знаю как у других, но у меня все «софт-тач» гаджеты через определенное время превращались в липкие, мерзкие штуки. Приходилось оттирать это покрытие спиртом.
                                0
                                Я не совсем верно выразился, не покрытие, а фактура софт-тач. А так-то да, полностью согласен. У меня мышки так же пооблазили
                                  0
                                  Тогда вопросов нет.
                                0
                                Знатоки, подскажите существует ли в природе компактный мулитул для итшника, с обжимкой. Сколько искал — не нашел. Для садовника мулититул есть, для плотника и сантехника и то есть.
                                  0
                                  Круто! Я пока дошел только до объединения пультоскопа, тестера деталей, функционального генератора, термометра под термопару и 18b20, логического анализатора и UART-терминала в корпусе Nokia 3330.
                                  Заголовок спойлера
                                  image
                                    0
                                    С этого же и я начинал)
                                      0
                                      Я такую штуку сделал, статью написать пока руки не доходят: github.com/iliasam/uProbe
                                      Это в первую очередь логический пробник, с возможностью измерять напряжение, частоту, автоматическое определение Baudrate, ну и медленный осциллограф — смотреть наличие импульсов на линии, и прочие вещи.
                                      0
                                      Нужная вещь. Если не космических денег стоить будет, возьму.
                                        0
                                        Так ли принципиально наличие своего маленького экрана если можно все оперативно отображать на смартфоне?
                                          +2
                                          Все же удобнее пользоваться инструментом полноценно. Смартфон скорее как дополнительная фича. Да и осциллограф гораздо шустрее работает на устройстве.
                                            0
                                            Так же, как и мультиметр с даталоггером. Штука полезная, но в режиме «надо найти проблему» очень хочется не искать телефон и не запускать программу.
                                            0
                                            Пока не накопил на С1-64 использовал такое:
                                            static.auction.ru/offer_images/2017/04/17/12/big/V/VxLdpONGwLl/ilz_01_indikator_logicheskij_znakovyj_novyj.jpg
                                              0
                                              Судя по фото — классный дисплей, я много перебрал экранчиков для самоделок, а такого не видел. Не подскажете модель?
                                                +1
                                                Брал здесь. Один из лучших по цветопередаче
                                                +1
                                                Чтобы еще больше отстроиться от обычных мультиметров, можно ввести режимы, которые могут упростить какие-то стандартные операции, которые бывают у электронщика.

                                                Навскидку:
                                                — поиск нужного номинала. Бывает, надо найти в горсти или на плате (SMD или плохо видно или долго разбираться) конденсатор или резистор той или иной емкости. Неудобно каждый раз смотреть на экран, считывать глазом показания. Можно ввести нужный номинал или диапазон и дальше работать уже не глядя на экран: когда прибор обнаружит нужный номинал, он пискнет (а еще лучше подаст вибросигнал);

                                                — определение сопротивления параллельно соединенных резисторов (последовательно соединенных конденсаторов). То есть замеряешь последовательно «отдельно лежащие» резисторы — один, затем другой (если надо — третий и т.д.) — а на экране отображается расчетное общее сопротивление. Для особо далеких от арифметики — можно считать и последовательное сопротивление.

                                                Можно эти фишки или реализовать сразу, или сделать какой-то полуоткрытый интерфейс для возможности «допрограммирования».
                                                  0
                                                  Первая мысль прям обязательна! Вот прямо в субботу таким и занимался. Заколебался перебирать 0402 кондеры. Все в кучку ссыпались, пришлось сортировать вручную штук 500. Отличная идея!
                                                  0
                                                  Я бы купил. Буду отслеживать ваши посты :)
                                                  Удачи в развитии
                                                    0
                                                    Спасибо. Буду стараться!
                                                    +1
                                                    Уже года три болею проектом пультоскопа, всё пытаюсь для себя сделать примерно то же, что у автора, практически те же запросы, только у меня в задании ещё и минимальная трудоёмкость для повторения и стоимость комплектующих. Ну и размер поменьше. Но AVR я только сейчас постигаю, а ESP, наверно, в следующей жизни.
                                                      +1
                                                      ESP под arduino совсем немногим сложнее. Хватит что бы освоить буквально одного урока. Советую начать с этого
                                                        0
                                                        Спасибо, надо попробовать.
                                                      0
                                                      Интересно, почему в современном промышленном дизайне превалируют две крайности: цвет корпуса либо белый, либо (чаще всего) черный.
                                                      Первый слишком маркий, на втором слишком хорошо заметна оседающая пыль.
                                                      Куда подевался старый добрый мышиный серый/серебристый цвет? Универсальный компромиссный вариант, на мой взгляд.
                                                        0
                                                        Производители авто скупили всю серебристую краску :D
                                                        +1
                                                        Блиииин! Я о такой штуке мечтал еще с 1995 года! Делал схему на базе десятка 7-сегментных индикаторов, в попытке «слепить» их них примитивный экран осциллографа (для индикации формы сигнала, с разверткой на 10 шагов). Когда схему доделал, понял, что… такого монстра не потянуть, да и неудобен он будет…
                                                        I'm in!
                                                          +1

                                                          Прям ностальгия :) Когда то давно в 98 году кажется делал курсовой — "осцил" на АЛ306 5*7 точек + 8051. Были даже мысли собрать но несложилось.

                                                          0
                                                          1) литье в сталь не нужно. SLA хрупкий, а тот, что не хрупкий, привередливый и дорогой, пробовали. Возьмите литье в силикон, коль у вас тиражи до сотни пока, это можно отдать на аутсорс за смешные деньги. Корпус будет дороже, но не в этом суть. Стальная пресс-форма загонит вас в минуса, с закладыванием в цену корпуса даже с краудфандингом корпус будет золотым. Краудфандинг это не просто сбор денег, это растянутая продажа. Пресс-форма, размазанный на 10к пользователей будет дешевая, пресс-форма, размазанная на 100-300 человек(а именно столько вы привлечете в текущем виде) — дорогой. А что вы людям за $70 предложите? Десять пустых корпусов насыпать?
                                                          А закладывать окупаемость пресс-формы на пять лет — это становиться заложником дизайна, в который обязательно что-то в следующей ревизии не влезет. Или просто новые идеи появятся, а реализовать не получится.
                                                          2)сделайте что-то рабочее и обкатайте решение на реальных людях, получите первые продажи. Накидывание придуманных собой функций в железку — путь в никуда. После кастдева станет гораздо яснее, куда двигаться, если хочется сделать из хоббийного проекта бизнес.
                                                          3)сделайте простой лендинг и оцените кривую спроса, чтобы понять, где у вас экономика сходится, и сходится ли вообще. Не у знакомых, не на хабре, а вот прям тупо налить трафика из контекста и посмотреть, сколько нажмут кнопку купить. Сразу станет понятно, во сколько вам будет обходиться клиент, это надо закладывать в экономику.
                                                            0
                                                            Ну я особо опыта не имею. Варианты есть. Насчет матрицы, тут не поспоришь, но что касается SLA, то надо будет еще оценить качество.
                                                            0
                                                            На мой взгляд такое устройство должно быть выполнено в виде измерительного пинцета, со всеми измерительными функциями как на ссылке. Если изготовите такое — возьму два, или даже три, и порекомендую коллегам. :-)

                                                            PS: Есть возможность отливать небольшие корпуса из АБС на ВЛМ не сильно заморачиваясь с изготовлением пресс-форм, но цена за отливку будет выше. Пишите в личку если интересует.
                                                              +1
                                                              Ну пинцет несколько иной инструмент. Им не так удобно измерять ток и напряжение. А мне важны в первую очередь эти параметры
                                                                0
                                                                В том, то и дело, что в процессе отладки изделия производить измерения пинцетом существенно более удобно, особенно на мелких SMD компонентах.
                                                                  0
                                                                  Не всегда есть возможность оба щупа расположить в пределах их геометрических позиций. При отладке, чаще я цепляю второй щуп на удобную землю, а первым тыкаю в нужные места
                                                              +1
                                                              Жму краба! Давно вынашивал и проектировал идею универсального как ручка мультиметра.
                                                              Есть наподобие у mustool, как на картинке выше, но это не то. При таких типоразмерах, должен уметь измерять напряжения, ток, емкости и сопротивления с диодами, кондерами, все как взрослый его брат, только еще чтобы были банановые входа для подключения термопары или токовых клещей или нормальных щупов, вот это была бы песня!
                                                                +1

                                                                Очень красивые рендеры! Не подскажете как делали или какие туториалы смотрели?

                                                                  0
                                                                  Спасибо. На самом деле в 3D графике у меня опыт лет 15, так что тут туторы что я смотрел уже устарели). Я этим профессионально занимаюсь
                                                                  0

                                                                  корпус все равно стремный какой-то; вариант когда дисплей вдоль платы (на видео) смотрится даже интересней; а зачем круглый делать — вполне себе и плоский неплохо — заодно не будет ненужных спекуляций ;-)

                                                                    +1
                                                                    Классная работа! отличный пробничек-показометр получился… я б такой приобрел…
                                                                      +1
                                                                      Понравилась идея и реализация! Спасибо автору. Сам не замахнусь, ибо корпус мне ни вжись не осилить :)
                                                                      Поэтому с удовольствием бы взял готовый…
                                                                        +1

                                                                        С удовольствием бы приобрёл хоть готовый, хоть DIY набор, причем не один.
                                                                        Автору — огромный респект, и да, чувствуется рука Мастера!

                                                                          0
                                                                          Спасибо. В течении максимум двух месяцев я открою предзаказы. Буду держать вкурсе и здесь и на ютубе )

                                                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                        Самое читаемое