Ключевые слова: Arduino, скетч, плата, GPS, программирование, приёмник, эфемериды, NMEA.
Первые микропроцессоры своим появлением дали начало новой эре в развитии микропроцессорной техники. Большинство системных устройств, объединенных в одном корпусе, сделало микроконтроллер подобным обычному компьютеру. Их первичное название — однокристальные микро-ЭВМ [1]. В настоящее время, существуют информационно-управляющие системы, к которым относится Arduino.
Отечественный рынок ПАКов за последние годы характеризуется взрывным ростом спроса в условиях ограниченного предложения. Текущий рост в немалой степени связан со стремлением участников рынка обеспечить первоочередные требования Постановления Правительства РФ № 1912 «О порядке перехода субъектов критической информационной инфраструктуры Российской Федерации на преимущественное применение доверенных программно-аппаратных комплексов на принадлежащих им значимых объектах критической информационной инфраструктуры Российской Федерации».
Наблюдается увеличение количества и качества отечественных программно-аппаратных комплексов, которые пытаются конкурировать с западными. Российский рынок активно развивается в рамках политики технологического суверенитета и импортозамещения.
Arduino — это программируемая плата с открытым исходным кодом, которая может быть интегрирована в самые разные простые и сложные проекты. Эта плата содержит микроконтроллер, который может быть запрограммирован для обнаружения и контроля объектов в физическом мире. Реагируя на датчики и входы, Arduino может взаимодействовать с большим количеством выходов, таких как светодиоды, двигатели и дисплеи. Из-за своей гибкости и низкой стоимости Arduino стал очень популярным выбором для очень большого числа желающих создавать интерактивные проекты [1] (погодная станция, роботизированная рука, системы умного дома и т. д.).
Arduino — это торговая марка, под которой выпускаются официальные платы и программное обеспечение. Платформа Arduino включает в себя платы и среду разработки. Аппаратный комплекс Arduino представляет собой несколько моделей отладочных плат. Отладочная плата — это печатная плата, сердцем которой является микроконтроллер серии ATmega от производителя AVR. Помимо микроконтроллера, на отладочной плате находятся дополнительные компоненты — обвязка, необходимая для её работы: кварцевый генератор, задающий частоту работы процессора, конденсаторы и резисторы, выполняющие фильтрующие и подтягивающие функции.
Разработчики Arduino ставили своей целью упростить процесс сборки, повысить удобство работы и реализовать концепцию модульности, тем самым преобразовав разработку электронных устройств в мощный универсальный конструктор. Для достижения этой цели на плату к микроконтроллеру добавили «программатор» для загрузки прошивки, USB-порт и стабилизатор питания.
Также для комфортной работы с Arduino разработана бесплатная официальная среда программирования Arduino IDE, работающая на операционных системах Windows, Mac OS и Linux. Данная среда программирования значительно упрощает загрузку новой программы в Arduino. Для неопытного пользователя это не составит труда, для этого нужно лишь подключить плату к компьютеру через USB.
Плата Arduino программируется на языке, похожем на C++, и к ней можно подключить до 8 датчиков и до 20 устройств вывода. В качестве питания можно использовать обычный блок питания от телефона или даже пальчиковые батарейки.
GPS модуль VK16E
Устройство состоит из GPS-приемника VK16E на чипсете SIRF III и керамической антенны, размещенной на второй стороне печатной платы. Предназначено для работы в составе приборов и комплексов, оснащенных интерфейсом UART. Модуль GPS VK16E определяет координаты объекта, скорость движения с помощью системы глобального позиционирования GPS. Также модуль GPS VK16E применяется в часах с очень точным отсчетом времени [3].
Универсальный асинхронный приёмопередатчик (Univsersal Asynchronos Reciever-Transmitter) — это физическое устройство приёма и передачи данных по двум проводам. Оно позволяет двум устройствам обмениваться данными на различных скоростях. В спецификацию UART не входят аналоговые уровни, на которых ведётся общение между устройствами, UART это протокол передачи единиц и нулей, электрическую спецификацию на себя берут другие стандарты, такие как TTL (transistor-transistor logic — транзисторно-транзисторная логика). На данный момент в микроконтроллерах используется в основном TTL (или точнее CMOS) UART для соединения не более двух устройств. Его часто называют последовательным портом.
Обзор и анализ аналогов программно-аппаратных средств российского производства.
Плата Iskra Uno
Плата Iskra Uno — это российский аналог Arduino Uno.
По качеству и начинке платформы практически идентичны. Они включают микроконтроллер ATmega328P, имеют одинаковую распиновку, расположение портов и размеры. Единственное техническое отличие — другой USB-мост CH340. Можно смело использовать Iskra Uno в проектах, созданных для Uno, без необходимости доработок. Инструментарий, примеры кода и платы расширения остаются привычными [4].
Особенности:
— Полная аппаратная и программная совместимость с Arduino Uno.
— Более мощный регулятор напряжения выдаёт ток до 300 мА на шине 3,3 В.
— Произведено в России с соблюдением высоких технических норм.
Iskra — это собственный бренд компании «Амперка» и достойная замена Arduino. Компания дает официальную гарантию и оказывает поддержку, при этом контроллеры обладают рядом аппаратных преимуществ. Например, некоторые модели предлагают больше возможностей для подключения периферии.
Платформы Iskra JS — особые контроллеры с JavaScript-интерпретатором Espruino, которые отличаются более гибкой и дружелюбной средой разработки. Iskra JS тоже плата российского производства. Программируется на языке JavaScript в среде Espruino IDE (расширение для браузера Google Chrome). При этом Iskra JS полностью совместима с шилдами для Arduino. Микроконтроллер ARM Cortex-M4 работает на частоте 168 МГц — этого вполне достаточно для управления сложной автоматикой, системой умного дома и т. д. [5].
Продается плата по цене 1800 рублей за штуку.
ELBEAR
Как пишет официальный сайт компании «Элрон» — ELBEAR: самая российская Arduino-совместимая плата на отечественном микроконтроллере MIK32 АМУР (Микрон). Компания занимается разработкой и производством программно-аппаратных комплексов (ПАК) и систем ПАКов разной степени сложности, разрабатывает программное обеспечение для ПАКов, внешних устройств (ПК, мобильные устройства, серверы), разрабатывает и производит устройства интернета вещей, разрабатывает и производит электронные модули, выполняет работы по разработке 3D, 2D моделей, визуализации и конструкторской документации. [6]
ООО «Элрон» является резидентом Новосибирского Научно-технологического технопарка Академгородка, действующим членом Ассоциации российских разработчиков и производителей электроники. [6]
Платы ACE-UNO ELBEAR с микроконтроллером АМУР выпускаются в модификациях:
AC VER — версия платы предназначена для использования в среде Arduino IDE и работы с Arduino Shield;
DEV KIT — версия для работы в качестве отладочной платы для MIK32 АМУР. В комплекте идет программатор.
Платы отличаются стартовым комплектом оснащения, и могут использоваться и как Arduino-совместимые платы, и как отладочные платы для MIK32 АМУР
MIK32 АМУР (АО «МИКРОН») — первый полностью отечественный микроконтроллер с ядром на открытой архитектуре RISC-V — предназначен для устройств промышленной автоматизации и интернета вещей, беспроводной периферии, интеллектуальных сетей, охранных систем, сигнализации, телеметрии, мониторинга, умного дома и управления климатом, освещением и других инфраструктурных систем. [6]
Целевая аудитория изделий:
— вузы, школы, обучающие центры для обучения программирования, в робототехнике;
— Дизайн-центры — для задачи ознакомления с функционалом микроконтроллера MIK32 АМУР (К1948К018);
— Промышленность — для управления исполнительными механизмами.
Стоимость на OZON (на официальной странице производителя) от 7500 рублей за штуку
Vostok
Отечественные программируемые контроллеры Vostok UNO-VN035, разработанные российской технологической платформой Vostok.
Контроллер является одним из элементов технологической платформы Vostok, разрабатываемой одноимённым центром разработки, созданном в 2019 году и базирующимся в Дальневосточном Федеральном Университете. Центр специализируется на разработке программно-аппаратных решений на российских контроллерах, процессорах и электронной компонентной базе, а также на развитии технологий в области микроэлектроники, программного и аппаратного обеспечения. [8]
Платформа Vostok призвана продемонстрировать, что российские технологические решения могут конкурировать с иностранными разработками по своим потребительским свойствам и функционалу. Платформа предлагает единое программно-аппаратное решение как для образовательной робототехники, так и для промышленных систем, бортовой аппаратуры и транспорта. В основе платформы лежат многофункциональные контроллеры, предназначенные для решения сложных задач управления, обработки данных и поддержки большого набора интерфейсов.
Производитель утверждает, что Vostok UNO-VN035 более чем в 10 раз производительнее классических решений платформы Arduino и предназначен для использования в качестве управляющего контроллера в робототехнических и промышленных системах, где требуется реализация сложных математических алгоритмов управления. Платформа Vostok UNO-VN035 pin-to-pin совместима с существующими платами расширения для платформы Arduino UNO.
Vostok UNO-VN035 поставляется с уже предустановленным в память микроконтроллера загрузчиком, упрощающим загрузку новых программ без использования внешних программаторов.
Стоимость на OZON (на официальной странице производителя) и Linux Center по цене от 5851 до 8580 рублей за штуку
Приёмник GPS/GLONASS/BDS v3 (Troyka-модуль)
Модуль со встроенной антенной на керамической подложке получает данные с навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС/BeiDou, может комплектоваться выносной активной антенной.
Особенности:
— модуль версии v3 построен на энергоэффективном чипе Neoway G7A-B1 с потреблением до 30 мА в активном режиме.
— поддержка спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС и BeiDou диапазона L1.
— встроенная керамическая антенна для компактных сборок. [9]
Процессор Neoway G7A-B1 осуществляет расчет географических координат (широты, долготы, высоты над уровнем моря), текущего времени, а также скорости перемещения. Полученные данные передаются на управляющую плату по протоколу UART со скоростью 9600 бод.
Точность позиционирования позволяет определять координаты с погрешностью до 3 метров, а скорость движения — с погрешностью до 0,1 м/с.
Процессор совместим с навигационными системами GPS, ГЛОНАСС и BeiDou гражданского диапазона L1. Он характеризуется низким энергопотреблением: до 30 мА в рабочем режиме и до 10 мкА в режиме сна.
Стоимость такого модуля 1340 рублей (с выносной антенной 2490 рублей)
Система Ориент S Lite
Профессиональный двухчастотный ГНСС-модуль с точностью определения координат до 2 см. Готовый комплект ГНСС-модуля и интерфейсной платы с основными портами.
Стоимость на официальном сайте не указана. Покупка только под заказ. [10]
Заключение
В результате выполнения работы был описан программно-аппаратный комплекс Arduno совместно с модулем GPS VK16E, сформулированы задачи и этапы работы, сделан обзор и анализ аналогов программно-аппаратных средств российского производства.
В ходе данной работы было выяснено, что на российском рынке присутствуют аналоги программно-аппаратного комплекса Arduino. Однако высокая цена, низкая доступность, длительные сроки доставки, продажа только по предзаказу или оптом делает затруднительным широкое использование данных платформ.
Литература:
- Уроки Arduino [Электронный ресурс]. URL: https://alexgyver.ru/arduino_lessons/ (дата обращения 12.10.2024).
- Аппаратная платформа Arduino [Электронный ресурс]. URL: http://arduino.ru/Hardware (дата обращения 24.10.24).
- Амперов. Антенны GPS. Принцип работы и характеристики. [Электронный ресурс]. URL: https://amperof.ru/elektropribory/antenna-gps.html (дата обращения 21.11.23);
- Iskra Uno Амперка [Электронный ресурс]. URL: https://amperka.ru/product/iskra-uno (дата обращения 24.10.24).
- Аналоги Arduino совместимые и несовместимые [Электронный ресурс]. URL: https://роботехника18.рф/лучшие-аналоги-ардуино (дата обращения 24.10.24).
- Arduino-совместимая плата с АМУР — ELRON — Электронные устройства [Электронный ресурс]. URL: https://elron.tech/russian-arduino-compatible-board/ (дата обращения 20.10.24).
- О компании — ELRON — Электронные устройства [Электронный ресурс]. URL: https://elron.tech/kompanija/ (дата обращения 20.10.24).
- Российский аналог Ардуино Vostok Uno-VN035 [Электронный ресурс]. URL: https://tenchat.ru/media/1028239-rossiyskiy-analog-arduino-vostok (дата обращения 20.10.24).
- Приёмник GPS/GLONASS/BDS v3 (Troyka-модуль) Амперка [Электронный ресурс]. URL: https://amperka.ru/product/troyka-gps-glonass (дата обращения 20.10.24).
- ГНСС-модули OEM от SinoGNSS [Электронный ресурс]. URL: https://orsyst.ru/ (дата обращения 20.10.24).
