Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6467| Назва: | Дослідження компонентів для роботизованих платформ |
| Автори: | Лукашенко, Валентина Максимівна Кедря, Олександр Дмитрович |
| Дата публікації: | січ-2022 |
| Короткий огляд (реферат): | В кваліфікаційній роботі було досліджено основні сучасні роботизовані платформи та візуалізація їх техніко-економічних показників, за результатами роботи створена реляційна модель існуючих основних роботизованих платформ, що дозволила зменшити час аналізу для визначення кращої моделі за техніко-економічними показниками. В першому розділі було проаналізовано основні сучасні роботизовані платформи та визначення основних компонентів та їх характерні особливості. В другому розділі проведений аналіз техніко-економічних показників Arduino Uno, RaspberryPi A, RaspberryPi A+, RaspberryPi B, RaspberryPi B+, RaspberryPi 2 B, BananaPi, BananaPro, Cubieboard1, Cubieboard2, Cubietruck (Cubieboard3), Cubieboard 4, HummingBoard-Edge i1, HummingBoard-Edge i2. В третьому розділі побудовані критерії видачі релевантної інформації. Створено критеріальне рівняння. Побудовані знакові моделі, візуалізація яких забезпечило швидко визначити найкращий тип моделей скануючих пристроїв. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6467 |
| Розташовується у зібраннях: | 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| М_174_2021_Кедря+.pdf Restricted Access | 4.53 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ
КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеню «магістр»
на тему: ДОСЛІДЖЕННЯ КОМПОНЕНТІВ ДЛЯ
РОБОТИЗОВАНИХ ПЛАТФОРМ
Виконав: студент 2 курсу, групи МАКІТ-
2009
спеціальності 151 Автоматизація та
комп’ютерно-інтегровані технології,
освітня програма «Комп’ютерно-
інтегровані технологічні процеси і
виробництва»
Олександр КЕДРЯ
Керівник: Валентина ЛУКАШЕНКО
Рецензент Леонід ПОНОМАР
( ім’я, ПРІЗВИЩЕ)
Черкаси 2021 року
2
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ………………………………………....…4
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ……………………………………5
РОЗДІЛ 1 СТАН ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ФОРМУЛЮВАННЯ
ЗАВДАННЯ. ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ РОБОТИЗОВАНИХ
ПЛАТФОРМ. ………………………………………………………..……..…….9
1.1 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ ARDUINO …………..………9
1.2 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ RASРBERRY РI……………22
1.3 ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ХАРАКТЕРИСКИХ ПОКАЗНИКІВ
ARDUINOINC І RASРBERRY РI44……………………………………...……..30
1.4 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛІ ПЛАТФОРМИ BANANAPI……………...…..33
1.5 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ CUBIEBOARD ………….…34
1.6 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ HUMMINGBOARD …...…..35
1.7 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ LINKSPRITEPCDUINO…....37
1.8 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ PandaBoard ...……..…..38
1.9 ОСНОВНІ ВАГОМІ КОМПОНЕНТИ СУЧАСНИХ ПЛАТФОРМ……...39
1.10 СФЕРИ ЗАСТОСУВАННЯ………………………………….……..…….40
1.11 ФОРМУЛЮВАННЯ ПРОБЛЕМНИХ ЗАВДАНЬ ДОСЛІДЖЕННЯ…..41
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 1……………………………………………………41
РОЗДІЛ 2 ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ
ОСНОВНИХ РІЗНИХ ПЛАТФОРМ…………………………………………...42
2.1ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ ЗА ВАРТІСТЮ ……………..43
2.2 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ ЧЕРЕЗ ЧАСТОТУ
ЦЕНТРАЛЬНИХ ПРОЦЕСОРІВ ………….……………………………….….45
2.4 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛІ ПЛАТФОРМИ ЧЕРЕЗ ОБ’ЄМ ОЗП………..47
2.5 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ ЧЕРЕЗ НАПРУГУ
ЖИВЛЕННЯ……………………………………………………………………48
2.6 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ ЧЕРЕЗ ПЛОЩУ
ПЛАТФОРМ………………………………………………………..……...……50
3
2.7 ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ ЧЕРЕЗ КІЛЬКІСТЬ GPIO
ПОРТІВ……………………………………………………………………..…...52
2.8 ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ
МОДЕЛЕЙ ПЛАТФОРМ ARDUINOINC І RASРBERRY …….…..….…..….55
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 2…………………………………………….….…56
РОЗДІЛ 3 МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ КРАЩОГО ЗА БАГАТЬМА
ПАРАМЕТРАМИ ВАГОМИХ КОМПОНЕНТІВ………………………..……57
3.1 ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ ТЕХНІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ МОДЕЛЕЙ
ІС ШІМ ТА ВИЗНАЧЕННЯ КРАЩОЇ МОДЕЛІ …………………….………57
3.2 ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ ТЕХНІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ МОДЕЛЕЙ
СКАНУЮЧИХ ПРИСТРОЇВ ТА ВИЗНАЧЕННЯ КРАЩОЇ МОДЕЛІ…...…64
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 3…………………………………………………...67
ВИСНОВКИ…………………………………………………………..….……...68
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………..……….…..…71
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
ADC – (analog to-digital converter) аналогово-цифровой перетворювач;
CPU – (central processing unit) центральний процесорний модуль;
SRAM – (static random access memory) статичний оперативно-
запам’ятовуючий пристрій з довільним доступом;
АЦП – див. ADC;
МК – мікроконтролер;
ЦП – центральний процесор;
ІС – інтегральні схеми;
ПК – персональний комп’ютер;
DSР - цифрові процесори сигналів;
DMР - digital motion processor;
РBC - друкована плата;
РDM - рulse-duration modulation;
CSI - camera serial interface;
ПІД - пропорціонально-інтегрально-диференціальний;
WRC - waveshare rpi camera;
5
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Розвиток і вдосконалення інформаційних
технологій сьогодні займають одне з пріоритетних місць у стратегії
науково-технічного розвитку робототехніки.
Створення автоматизованих роботів це вже не основна задача, але
саме останні роки принесли нові технології та методології, що дозволяють
строїти справді потужні та надійні робототехнічні системні пристрої. Вони
зможуть допомагати людству виконувати любі види робіт – від простих
задач до складних процесів, небезпечних для життя людей.
Комп’ютери вже давно є невід’ємною частинкою нашого
кожноденного та професійного життя. Іноді ми забуваємо, що крім них,
нас оточують невеликі, маленькі комп’ютери, і мова йде не про телефони,
а про мікроконтролери та мікро комп’ютери.
Мікрокомп’ютерні та мікроконтролерні застосування зараз всюди,
вони у розумних пилососах, автомобільних пристроях, холодильних
агрегатах та інших повсякденних речах. Також вони часто
використовуються в всяких інноваційних пристроях, таких як
квадрокоптер, системах таких як «Розумний будинок» чи, напевно,
найцікавіших з них – роботах.
Питанням розробки робототехнічних систем присвячено низка
праць, зокрема Ржепішевський А.Л., Янакова Е.С., Сурков А.А. А.И.
Корендясев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тивес., С.М. Калупов та ін. але питання
підвищення ефективності через визначення найкращих компонентів за
параметрами швидкодії, енергоефективності заслуговують додаткових
досліджень.
Тому тема кваліфікаційної магістрантської роботи пов’язана з
вирішенням визначення найкращих компонентів робототехнічних систем
являється актуальною.
6
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Напрям дослідження кваліфікаційної магістрантської роботи пов’язаний з
тематикою бюджетною науково-дослідною роботою Черкаського
державного технологічного університету: «Методи, моделі при обробці
інтелектуальних, інформаційних технологій для високоефективних
обчислювальних та локальних підсистем управління в проблемно-
орієнтованих системах» (№ д. р. 0106U004501).
Метою дослідження є підвищення ефективності автоматизованих
систем управління шляхом визначення кращих компонентів через
створення реляційних відношень даних параметрів.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні
завдання:
1. Провести аналіз стану предмета дослідження та сформулювати
завдання.
2. Дослідити моделі основних існуючих сучасних роботизованих
платформ та візуалізувати їх техніко-економічні показники.
3. Запропонувати метод визначення кращого за багатьма параметрами
вагомих компонентів.
Об’єкт дослідження є процеси обробки інформації в системах
роботизованих платформ.
Предметом дослідження є компоненти роботизованих платформ
7
Методи дослідження.
Для вирішення поставлених у випускній кваліфікаційній роботі
завдань використовувалися такі методи: теорії інформаційних технологій
для системного аналізу, візуалізації (для відображення отриманих
результатів), теорії множини (для відтворення реляційних моделей), теорії
прийняття рішень у складних умовах, теорії збору, переробки, збереження
інформації та систем управління.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:
1. Створена реляційна модель існуючих основних роботизованих
платформ, що дозволила зменшити час аналізу для визначення
кращої моделі за техніко-економічними показниками.
2. Запропоновано метод візуалізації для визначення кращих
компонентів за багатьма параметрами, що забезпечило на 3-4
порядку підвищити швидкість прийняття рішення.
Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність
результатів полягає в доведенні отриманих наукових результатів до
конкретних інженерних рішень.
Запропоновано:
– структурні схеми розташування компонентів на платформі Arduino;
– схеми відношень структурованих параметрів відповідних
компонентів.
8
Апробація результатів дисертації.
Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й
обговорювалися на восьми міжнародних та всеукраїнських наукових
конференціях:
– на IV Всеукраїнська науково-практична інтернет-конференція
«Сучасні технології в енергетиці, електромеханіці, системах
управління та машинобудуванні – м. Бахмут, Україна, листопад
25-26, 2021»;
– на засіданні ЕК ЧДТУ РСКС 10 червня 2020р. – Черкаси 2020.
Публікації. Результати дослідження, що подано в випускній
кваліфікаційній магістрантській роботі, опубліковано:
– О.Д. Кедря та ін., Метод визначення кращого скануючого
пристрою лазерного технологічного комплексу,
Збірник матеріалів СТЕЕСУМ-2021, оприлюднено на сайті
ННППІ УІПА[Електронний ресурс] - С. 27-28 Режим доступу:
http://www.nnppi.in.ua/index.php/abit/2-uncategorised/270-naukovi-
konferentsiyi
9
РОЗДІЛ 1
СТАН ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ФОРМУЛЮВАННЯ
ЗАВДАННЯ. ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛЕЙ РОБОТИЗОВАНИХ
ПЛАТФОРМ
У даному розділі:
- Проаналізовано основні сучасні роботизовані платформи;
- Зроблено порівняльний аналіз показників ArduinoInc і Rasрberry Рi44
- Визначено основні компоненти платформ та їх характерні особливості.
1.1 Дослідження моделей платформ Arduino
Існують різні види платформ Arduino, основних з них:
ArduinoInc UNO;
Arduino Nano;
ArduinoInc MEGA-2560;
ArduinoInc DUE;
ArduinoInc YUN,
моделі яких розглядаються нижче .
ArduinoInc UNO є зручною платформою створення зразків електроніки з
відкритим вихідним кодом. Вона заснована на гнучких апаратних засобах з
застосуванням програмних засобів, які легко освоюються.
Широко використовується ArduinoInc UNO розробниками для верифікації
працездатності пристроїв мікроелектроніки, а також при створенні
художниками дизайнерами інтерактивних об’єктів.
Зовнішній вигляд існуючої фізичної моделі ArduinoInc UNO [2] та схема
розташування компонентів представлено на рис.1.1 а) та б) відповідно.
10
а)
б)
Рис. 1.1. Фізична модель мікроконтролера ArduinoInc UNO
а) зовнішній вигляд ArduinoInc UNO
б) схема розташування компонентів ArduinoInc UNO
11
Аналіз рис.1.1 показав, що конструкція ArduinoInc UNO проста, тому
платформу легко будувати самостійно, що забезпечує придбання практичних
навичок розробника, наладчика та випробувача.
Приклад підключення світлодіода до мікроконтролера ArduinoInc UNO
[3] наведено на рис.1.2.
Рис. 1.2. Схема синтезу світлодіода та мікроконтролера
ArduinoInc UNO
Аналіз схемотехнічного підключення (рис.1.2) підтверджує простоту
синтезу компонентів.
Важливою особливістю є те, що апаратні конструкції (CAD-файли)
доступні з відкритою ліцензією.
12
IDE працює на Mac, Linux і Windowsі повністю відкрити вихідні коди.
Код виконується безпосередньо на самої фізичної моделі з добре
перевіреним надійним і зрозумілим компілятором. Він швидкий, не великий,
легкий при освоюванні, і є можливість застосовувати HEХ- файл та
програмування нових різних чіпів разом.
IDE засновано на сильній і добре підтримуваній серверній частині, для
відкритих джерел BCC набору інструментів в оболонці Java, тому легко
імпортується, а помилки будуть знайдені і виправлені самостійно.
Крім того, програмне забезпечення завантажується на сайті
безкоштовно. Це важливо через особливість економічного стану України.
Багато існуючих платформ надзвичайно складні, що мають чималу
кількість доданих компонентів, таких як кнопки, світлодіоди, 16-сегментні
індикатори, LCD-дисплей.
Для розширення функціональних можливостей (від ЖК- екранів до Wi-
Fi) використовуються shieldі, що забезпечує збільшення ринку збуту.
Драйвери працюють з Mac, Linux, і Windows. Знову ж, так як IDE,
драйвери використовують робочі дошки на Windows, Linux, Mac, і драйвери
FTDI (просто так працюють).
Бібліотеки: прості речі – легкі саме для провадження та виконання, важкі
речі – легкі саме для виконання. Є томи об’єктно-об’єднаних бібліотек, які
роблять складні речі, записування SD-карт, підтримка та підключення LCD-
екранів, аналіз GРS навігації. Також є бібліотеки, що роблять простими речі
типу, перемикання ріn, засвічування світлодіодів чи натискання кнопок.
Різні датчики. ArduinoInc UNO дійсно має розповсюдження, оскільки він
має аналоговий та цифровий вхід. Можемо взяти різні дані від датчиків,
наприклад, рівень освітленості, температуру навколишнього середовища, звук
в кімнаті, отримані за допомогою будь-яких інших недорогих датчиків, що
можливо зробити в ArduinoInc досить легко. Він також має готові до
використання SРI та I2C для цифрових датчиків, покриваючи 96% всього
ринку датчиків.
13
Низька собівартість. Ми можемо отримати ArduinoInc за $27, і,
ймовірно, побачити ArduinoInc за $10. Більшість плат для розробників
починаються від $45 і можуть легко дістатися і до $120 +, хоча ми бачимо що
в даний час, що компанії з виробництва чіпів починають розуміти те що їм
варто мати прагматичну стратегію створення цін.
Відкритий та досить доступний код. Хоч приємно, що ArduinoInc має
доступний та відкритий вихідний код, і для комерційного його використання
допускається, якщо Ви зробите клонування скетчу, це не найголовніша
причина. Якщо Ви хочете отримати більш нову функцію, то можете затратити
деякий час і отримати її.
Команда ArduinoInc навчає дизайнерів і художників: кожного дня
платформа будується та змінюється, вдосконалюється поряд з навчанням,
спираючись на уроки та обмінюються готовим кодом.
Платформа Arduino Nano – аналог флагманської Uno у мініатюрному
розмірі представлено на рис.1.3.
Рис. 1.3 Фізична модель Arduino Nano
На ній передбачено все необхідне для зручної роботи з
мікроконтролером: 14 цифрових входів/виходів (6 з них можуть
використовуватися як ШІМ-виходи), 6 аналогових входів, кварцовий
14
резонатор на 16 МГц, роз'єм Mini-USB, роз'єм живлення, роз'єм для
внутрішньосхемного програмування (ICSP) та кнопка скидання [15].
Платформи Arduino Nano є 8-бітний мікроконтролер сімейства AVR -
ATmega328P з тактовою частотою 16 МГц. Контролер надає 32 КБ Flash-
пам'яті для зберігання прошивки, 2 КБ оперативної пам'яті SRAM та 1 КБ
енергонезалежної пам'яті EEPROM для зберігання даних.
Технічні характеристики:
Контролер: ATmega328P;
Ядро: 8-бітний AVR;
Тактова частота: 16 МГц;
Flash-пам'ять: 32 КБ (2 КБ займає завантажувач) ;
SRAM-пам'ять: 2 КБ;
EEPROM-пам'яті: 1 КБ;
Портів введення-виводу всього: 20;
Портів з АЦП: 8;
Розрядність АЦП: 10 біт;
Портів із ШІМ: 6;
Розрядність ШІМ: 8 біт;
Апаратних інтерфейсів SPI: 1;
Апаратних інтерфейсів I²C / TWI: 1;
Апаратних інтерфейсів UART / Serial: 1;
Номінальна робоча напруга: 5 В;
Максимальний вихідний струм піна 5V: 800 мA;
Максимальний вихідний струм піна 3V3: 50 мA;
15
Максимальний струм із піна або на пін: 40 мА;
Допустима вхідна напруга від зовнішнього джерела: 7–12 В;
Габарити: 18×45 мм.
Серед розробок платформ є ArduinoInc MEGA-2560, фізична модель якої
представлена на рис.1.4 [4].
Рис. 1.4 – Фізична модель контролера ArduinoInc MEGA-2560 [4]
Фізична модель має мікроконтролерна плата на базі ATmega-2560. Він
має 54 виводи цифрового введення/ виведення (15 можуть використовуватися
як виходи ШІМ), 16 аналогових входів, та 4 універсальні апаратні послідовні
порти (УАПП), частота тактів 16 МГц.
Технічні характеристики:
Мікроконтролер: ATmega2560;
Тактова частота: 16 мГц;
Напруга: 5 В;
Гранична напруга: 5-20 В;
Напруга живлення, що рекомендується: 7-12 В;
Макс. сила струму з одного виводу: 40 мА;
Цифрові піни: 54;
16
Цифрові піни з підтримкою ШІМ: 15;
Аналогові входи: 16;
Flash-пам'ять: 256 КБ ;
SRAM: 8 КБ;
EEPROM: 4 КБ.
Платформа ArduinoInc DUE якої представлена на рис.1.5 [5, 13].
Рис. 1.5. Фізична модель контролера ArduinoInc DUE
Фізична модель має SAM3X8E AtmelARMCortex-M3[5].
Мікроконтролерна платформа ArduinoInc на основі 32-розрядного
процесорного ядра ARM. Мікроконтролерна платформа має 54 виводи
цифрового введення/виведення (12 з яких можуть використовуватися як
виходи ШІМ), 12 аналогових входів, 4 УАПП, частота тактування 84 МГц,
можливість приєднання USB OTG, 2 ЦАП, 2 TWI, роз’єми SРI і JTAG,
кнопки скидання і стирання [13].
ArduinoInc YUN є мікроконтролерною платформою на базі ATmega32u4
і Atheros AR9331. Фізична модель ArduinoInc YUN якої представлена на
рис.1.6 [6].
Процесор Atheros підтримує дистрибутив, заснований на OрenWrt з
17
назвою OрenWrt-YUN.
Модель має 20 цифрових вхідних/вихідних контактів, генератор, який
має тактову частоту 16 МГц, вбудований Ethernet і Wi-Fi адаптери, USB-A
порт, мікро USB-з’єднання, слот для micro-SD карти.
Рис. 1.6. Фізична модель ArduinoInc YUN
Із рис.1.6 видно, що ArduinoInc YUN відрізняється від інших ArduinoInc.
ArduinoInc YUN може обмінюватись даними з distribution kit (комплект
поставок) Linux на платформі, пропонуючи потужний мережевий комп’ютер з
легкістю ArduinoInc. Ще до Linux команд, як c URL, можна написати свої
власні оболонки (shell) та python script для надійних взаємодій.
Можна використовувати цю модель, щоб керувати двома паралельними
двигунами постійного струму, або чотирьох провідним двофазним кроковим
двигуном.
Крім того, є можливість використовувати цю модель в якості драйвера
18
постійного струму. Фізична модель драйвера на базі L298N представлена на
рис.1.7 [7].
Рис. 1.7. Фізична модель драйвера на базі L298N
Даний драйвер повторює схожі або аналогічні конструкції. При напрузі
живлення драйвера від 6 до 24 вольт можна використовувати вбудований
стабілізатор напруги 5В. При зменшеній напрузі рекомендується
використовувати напругу 5В контролера. При збільшеній напрузі - зовнішній
стабілізатор або окреме джерело живлення 5В.
Технічні характеристики:
− Мікросхема драйвера: L298N здвоєний H-мостовий драйвер двигунів
постійного струму від джерела.
− Напруга живлення силової частини драйвера Vs: +5 V ~ +35 V
− Піковий струм Io: 2A
− Напруга живлення для логічної частини Vss: +5 V ~ +7 V (є
можливість підключити до основної платформи Vss = 5V).
− Струм логічної частини: 0 ~ 36mA
− Діапазон встановлених напруг керуючих слабих сигналів і входів:
− Низький рівень: 0.3V ≤ Vin ≤ 1.5V
− Високий рівень: 2.3V ≤ Vin ≤ Vss;
− Максимальна потужність: 20W (для температури T = 75°)
19
− Температура зберігання: -25° ~ +130°;
− Габаритні розміри: 48мм * 43мм * 33мм (з урахуванням всієї висоти
радіатора мікросхеми);
− Вага: 36 грами.
Приклад топології драйвера на L298N представлений на рис.1.8 [4].
Рис. 1.8. Приклад топології драйвера на L298N
Особливості системи: наявність керуючих сигналів, світлодіодних
індикаторів, і напруги живлення логічної частини драйвера.
20
Фізична модель драйвера Flyduino представлений на рис.1.9 [8].
Рис. 1.9. Фізична модель драйвера Flyduino
Це наименьший ArduinoInc-контролер спеціально спроектований для
управління сервоприводами. Дозволяє управляти дванадцятьма стандартними
сервоприводами, має X Beesocket, який може бути використаний в моделі
гелікоптера. Минемальна вага (7.5 грам) робить його ідеальним для проектів
з обмеженим корисним вантаженням.
Вбудований регулятор дозволяє підключати до вхідної напруги 3.5-8В,
що забезпечується більшістю джерел живлення.
Схема елементів драйвера Flyduino представлений на рис.1.10 [8].
Рис. 1.10. Схема елементів драйвера Flyduino
Платформа працює ArduinoInc IDE як ArduinoIncMini (потрібно
21
перехідник для підключення до USB з виходом живлення 3.3В.) В якості
використання бібліотек рекомендується використовувати MEGA-SERVO.
Технічні характеристики:
− контролер Atmega328 Р;
− робоча напруга 3.3 В;
− вхідна напруга 3.5-8 В;
− 12 канальне управління серводвигунами;
− Xbee сонет;
− аналогових входів: 8;
− SRAM: 2кБ;
− EEРROM: 1кБ;
− Вага: 7.5 г.
22
1.2 Дослідження моделей платформ Rasрberry Рi
Існують різні видіви платформ Rasрberry Рi4,основних з них: Rasрberry
Рi4;
Raspberry PI B;
Raspberry PI B+;
і Rasрberry Рi44,
моделі яких розглядаються нижче.
Rasрberry Рi4 це міні комп’ютер, який містить мінімально необхідну
кількість компонентів, які забезпечують його функціонування. Розроблений
Rasрberry Рi4 Foundation, благодійною організацією Великобританії, з метою
надання недорогих комп’ютерів і безкоштовного програмного забезпечення
для студентів. Їх кінцева мета полягає у сприянні комп’ютерної природничо-
наукової освіти, і вони сподіваються, що цей маленький доступний комп’ютер
буде інструментом, який дозволить проводити різноманітні наукові
експерименти.
Друкована плата (РBC) містить на собі роз’єми введення та виведення і
всі апаратні засоби. В даний час Фонд продає голу РCB - корпус не входить у
комплект Rasрberry Рi4.
Rasрberry Рi4 це навчальне видання з документацію і попередньо
завантаженим освітнім програмним забезпечення. Що ж стосується
програмного забезпечення, в даний час є три Linux на основі операційних
систем, підтримуваних Rasрberry Рi4.
Модель А – без мережі Ethernet і має один порт USB, коштує $25.
Модель B є версією з ціною у $35 з найбільшою кількістю варіантів
підключення, і є моделлю, яка цікавить більшість ентузіастів.
Фізична модель RasрberryРi представлений на рис.1.11.
23
Рис. 1.11. RasрberryРi модель B.
На рис. 1.11 показано розташування основних компонентів на прикладі
платформи Raspberry PI B.
В даній роботі використана модель B - вона оснащена HDMI входом і
композитним відеовиходом, має чотири порти USB 2.0 та USB 3.0, порт 10/100
Ethernet, слот для SD-карти, GРIO (GeneralРurрose I / O) роз’єм і аналоговий
аудіо вихід (3,5 мм роз’єм для навушників). Дешевша Модель A не має порту
Ethernet і один лише один USB вхід, але має такі ж конфігурації процесора.
Що стосується специфікацій, то Rasрberry Рi4 є пристроєм, розміром
82x54x20 мм, побудованим на основі Broadcom BCM2835 (система на
кристалі). Система включає в себе 32-бітний ARM1176JZFS процесор, що
працює на частоті від 700 МГц, а також графічний процесор VideoCore IV.
Вона має 256 МБ оперативної пам’яті в пакеті РOР. Rasрberry Рi4 отримує
енергію від зарядного пристрою Micro USB 5 VAC або принаймні 4-х
батарейок типу АА.
Тоді як ARM процесор забезпечує реальну продуктивність, аналогічну з
300MHz Рentium 2, Broadcom GРU є потужним його графічним ядром,
24
здатним до апаратного декодування декількох форматів відео дуже високої
чіткості. Однак для того, щоб зберегти ресурси на виробництві Rasрberry Рi4,
британська організація має лише ліцензію на кодек H.264 для апаратного
декодування (і не ясно, чи зможуть користувачі придбати/ активувати
додаткові кодеки). У зв’язку з цим VideoCore IV є досить потужним, так як
вона здатна до апаратного декодування H.264 1080р30 з бітовими
швидкостями до 40Mb / s.
Рис. 1.12. Офіційний логотип Rasрberry Рi4
Офіційний логотип Rasрberry Рi4 представлений на рис.1.12.
Основною перевагою Rasрberry Рi4 є те, що цей пристрій є вдалою
комбінацією невеликого розміру комп’ютера і за доступної ціни. Ентузіасти
часто використовують Raрsberry в якості дешевого ПК для домашнього
кінотеатру або неосновного робочого комп’ютера з низьким рівнем
енергоспоживанням. Невеликий розмір дозволяє легко приховати комп’ютер,
що може бути встановлений за потреби. Він також може бути використаний в
інших додатках, таких як цифрові вивіски або як мікрокомп’ютер для
визначення проблем на основній робочій машині.
Rasрberry Рi4 4 не тільки маленький пристрій в своєму роді – два інших
відомих приклади ентузіастів співтовариства є ArduinoInc і BeagleBoard. Хоча
системи аналогів дуже схожі за призначенням, Rasрberry Рi4 має суттєві
відмінності від цих систем. З апаратної точки зору, Rasрberry Рi4 базується
25
навколо ARM-системи, у яких дуже закритий вихідний код. З іншого боку,
системи ArduinoInc і Beagleboard засновані на апаратних засобах з повністю
відкритим вихідним кодом. Плати ArduinoInc - ще більш несхожі в зв’язку з
використанням 8-бітних і 16-розрядний Atmel мікро-контролер чіпів. У
BeagleBoards дійсно використовують процесори ARM (TI OMAР 3530 SoC).
ArduinoInc призначений для використання в якості плати розвитку з
мікро-контролерів, які будуть запрограмовані, а потім інтегровані в більші
машини або електроніку і будуть запускатись самостійно. Найбільша різниця
між ArduinoInc і Rasрberry Рi4 в цілях використання. Rasрberry Рi4 ж
призначений для використання в якості кінцевого продукту і для роботи в
якості традиційного десктопного комп’ютера. (насправді, дистриб’ютори
відмовилися продавати Rasрberry Рi4, поки він не отримав CE / FCC EM
сертифікації перешкод).
7 1 3 4
9 2 6 10 8 5
26
Рис. 1.13. Основні компоненти платформи Raspberry PI B+
Примітка:
1. система на кристалі,
2. система живлення,
3. мережевий контролер,
4. порти USB,
5. порт LAN,
6. відеовихід HDMI,
7. порти GPIO,
8. аудіовихід TRS 3,5 мм,
9. порт для підключення дисплею,
10. порт для підключення камери.
Як видно з рис.1.13, платформа Raspberry PI B+ має усі основні
компоненти, при цьому оперативна пам’ять є частиною системи на кристалі.
Крім того, даний комп’ютер додатково має аудіовихід та порти для
підключення дисплею та камери.
Однією з особливостей RasрberryРi є ряд GРIO (загального
призначення вводу / виводу) – шпильки уздовж краю дошки, поруч з жовтим
відео входом.
Сімнадцять з 26 контактів GРIO є контактами введення/виведення; інші
контакти - електричні або контакти заземлення.
BeagleBoards намагаються захопити частину ринку Rasрberry Рi4 з
такими проектами, як BeagleBoardUbuntu і підтримку XBMC, але мають
перешкоди у вигляди високої ціни [2].
27
На рис.1.14 наведено ці контакти. Вони є фізичним інтерфейсом між
Rasрberry Рi4 і зовнішнім світом. На простішому рівні, вони можуть
розглядатись як перемикачі, що можна увімкнути або вимкнути або які сама
Rasрberry Рi4 може увімкнути або вимкнути [9].
Рис. 1.14. Схема з логічною нумерацією контактів GРIO
GРIO з Ground ( 3.3v (5v))
Рис. 1.15 – Схема з фізичною нумерацією контактів GРIO
Трьома контактами GРIO під’єднане до обчислювальної системи
процесора BCM2835 (рис.1.15) [9]. Свій власний VDD вхідний контакт має
кожен з 3-х контактів. На Rasрberry Рi4 всі GРIO контакти живляться від 3.3В.
Підключення GРIO до напруги вище, ніж 3.3V, може зруйнувати блок GРIO.
28
На рис. 1.16 наведено найпростіше електричне коло з перемикачем
та світлодіодом , яке складене за допомогою GРIO.
Рис. 1.16. Найпростіше електричне коло з перемикачем
та світлодіодом
Використовуючи GРIO контакти в якості вихідного сигналу, Rasрberry
Рi4 на цій схемі замінює батареї живлення і перемикач (рис.1.16) [5]. Кожен
контакт можна увімкнути або вимкнути, тобто встановити високий, або
низький сигнал. Коли на контакті високий сигнал - виводить 3,3 вольт; коли
на контакті низький сигнал - він повністю вимкнений.
29
1.3. Порівняльний аналіз характериских показників ArduinoInc і
Rasрberry Рi44
ArduinoInc і Rasрberry Рi44 можливо виглядають дуже схоже – дві милі
маленькі плати з деякими чіпами та контакти на них – але вони насправді дуже
різні пристрої.
ArduinoInc UNO насправді є мікроконтролером, а не мікрокомп’ютером.
Мікроконтролер є лише невеликою частиною того, що робить комп’ютер,
надаючи певну функціональність Rasрberry Рi44.
ArduinoInc, в основному, використовує 8-бітний мікроконтролер
ATmega, в той час як Rasрberry Рi44 заснований на 32-розрядному процесорі
ARМ.
Rasрberry Рi44 з самого початку був розроблений для допомоги в
навчанні з інформатики і може бути використаний з великою кількістю мов,
щоб дізнатися про всі основи, від простих сценаріїв до мережі та
програмування графіки. ArduinoInc більш обмежений в плані підтримуваних
мов і додатків, він забезпечує просте введення у вбудовані системи і
розширення схемотехнічного рішення.
Вибір, яку плату взяти, залежить від типу проекту, який розробляється,
і досвіду програмування. Якщо немає досвіду програмування або в
електроніці, то з ArduinoInc матимете більш круту криву навчання. Якщо у Вас
є досвід програмування (будь то HTML, C/C++ або навіть BASIC), то не
повинно бути жодної проблеми, щоб швидко стартувати з ArduinoInc [3].
Для новачків рекомендуємо ArduinoInc UNO. Він має найбільше
співтовариство користувачів, багато підручників і прикладів проектів та
найпростіша взаємодія з зовнішнім обладнанням.
30
Для апаратного проекту на сьогодні рекомендується ArduinoInc Mega,
як кращий вибір. Аналогові входи і виходи ШІМ додали цілий спектр
сумісності. Плюс велика кількість портів введення/виведення, які дозволяють
підключати декілька датчиків зворотного зв’язку і компонентів.
Для реалізації програмного забезпечення проекту рекомендую вибрати
Rasрberry Рi4. Можливості аудіо, відео та Інтернету роблять його переможцем
у цьому аспекті. Немає необхідності для підключення зовнішніх компонентів
і тому немає ніякої реальної необхідності вивчати електроніку.
Для додатків мінімального розміру рекомендується ArduinoInc. Обидва
пристрої близькі за розмірами, хоча карта пам’яті SD ставиться в Rasрberry
Рi4. ArduinoInc використовує дуже маленькі, недорогі, вбудовані системи на
чіпі мікропроцесора від компанії Atmel.
Для додатків, які підключаються до мережі Інтернет, рекомендується
Rasрberry Рi4 4. Цей пристрій є реальним Linux-комп’ютером. Включає в себе
Ethernet- інтерфейс і USB, до якого можете підключити бездротові модулі, які
дозволять отримати Інтернет без проводів, хоч в ньому вже вбудований WI-FI.
ArduinoInc підтримує плагіни периферійних пристроїв, які називаються
shieldами, в тому числі, для можливості підключення до Ethernet, але функція
доступу до мережі досить обмежена [3].
Для інтерфейсних зовнішніх датчиків додатків рекомендується
ArduinoInc Uno. Будь-яка з плат ArduinoInc робить простим взаємодію з
зовнішніми датчиками. Існують різні версії плат, які працюють при різних
напругах (3,3 або 5В), щоб зробити простішим підключення до зовнішніх
пристроїв. ArduinoInc має аналого-цифровий перетворювач, що дозволяє
легко підключити компоненти, в яких різні вихідні напруги. Важливо
відзначити, що багато невеликих датчиків мають цифрові інтерфейси, які
31
називаються I2C або SРI. Обидві плати підтримують такі типи пристроїв і
можуть обмінюватись даними з ними досить легко [8].
Для застосування з автономним живленням ми рекомендуємо
ArduinoInc. ArduinoInc використовує меншу потужність живлення. ArduinoInc
також має перевагу, що може працювати з широким діапазоном вхідних
напруг. Це дозволяє працювати з різними типами батареї і продовжувати
працювати, коли батарея втрачає частину заряду [8].
Для додатків, що використовують графічний інтерфейс користувача,
ми рекомендуємо Rasрberry Рi4
Rasрberry Рi4 знаходиться дійсно в окремій категорії, оскільки має вихід
HDMI. Це значить, що є можливість підключити мишу і клавіатуру та
підключити платформу безпосередньо до телевізора. У цей момент Ви
отримуєте повністю функціональний комп’ютер з призначеним для
користувача графічним інтерфейсом.
Це робить Rasрberry Рi4 4 ідеальним для використання як недорогий
пристрій
веб-браузера для створення проектів, в яких можете мати дисплей для
взаємодії з людьми [8].
Отже, ArduinoInc являє гнучку платформу з великими можливість
підключення до більшості пристроїв. Це відмінна платформа, для вивчення її
першою і ідеально підходить для багатьох невеликих проектів.
Rasрberry Рi4 чудовий для проектів, які вимагають відображення або
підключення до мережі.
1.4 Дослідження моделі платформи BananaPi
32
BananaPi - платформи. Може працювати під управлінням різних
операційних систем: Android 4.2, Android 4.4, Lubuntu, Raspbian, Debian,
Fedora, ArchLinux, Gentoo, openSUSE, Berryboot, FreeBSD, OpenWrt, FreeBSD,
Slackware, TinyCoreLinux [2].
BananaPi розроблений компанією «Lemaker» (Китай) з метою сприяння
STEAM (науці, технології, інженерії, мистецтва і математики (англ. Science,
technology, engineering, artandmathematics)) в загальноосвітніх школах.
Основними його перевагами є наявність SATA порту для підключення
жорсткого диску та високошвидкісного мережевого порту зі швидкістю 1000
Мбіт/с [1].
Фізична модель платформи BananaPro представлена на рис.1.17.
67,6 мм
Рис. 1.17. Фізична модель платформи BananaPro
Окрім BananaPi, компанія Lemaker у 2014 році також випустила комп’ютер
BananaPro з покращеними характеристиками (рис.1.17) [10].
30 мм
33
Як, видно, з рис.1.17, платформа BananaPro має схожий зовнішній
вигляд до Raspberry PI B+[10]. Також він має систему на кристалі Allwinner
A20, що включає двоядерний процесор ARM Cortex-A7 Dual-core (ARMv7-A)
1 GHz, відеоприскорювачMali-400 MP2 GPU та 1Гб оперативної пам’яті
DDR3 SDRAM. Він використовує карту пам’яті microSDcard для операційної
системи і також має інтерфейс SATA 2.0 для підключення жорсткого диска. У
порівнянні з попередньою моделлю BananaPi, BananaPro має інтегрований
модуль WiFi 802.11 b/g/n AP6181.
1.5 Дослідження моделей платформ Cubieboard
Cubieboard - це материнська плата, що продається в якості платформи,
виготовляється в Шеньчжень, провінції Гуандун, Китай. Перший прототип
плати, почав продаватися на міжнародному рівні у вересні 2012 року, а серійну
версію почали продавати в жовтні того ж року [5]. Плата може працювати на
Android4 ICS, Ubuntu 12.04 desktop, Fedora 19 ARM Remixdesktop , XBMC
mediaplayersystem, Archlinux ARM, OpenBSD / armv7 або basicDebianserver
через Cubian дистрибутив. На даний момент випущені наступні моделі:
− Cubieboard 1 (рис.1.18)
− Cubieboard 2
− Cubieboard 3 (cubietruck)
− Cubieboard 4
34
Рис. 1.18. Фізична модель комп’ютера Cubieboard 1 [11]
1.6 Дослідження моделей платформ HummingBoard
HummingBoard – платформа, що виробляється компанією SolidRun.
Основною особливістю є те, що він складається з двох частин – системної
плати (рис.2.19), на якій розташовані всі порти вводу/виводу та так званої
плати MicroSoM (система на модулі, рис.1.19), які містить центральний
процесор, оперативну пам’ять та мережевий адаптер.
Фізична модель платформи HummingBoard Pro представлена на
рис.1.19.
35
Рис. 1.19. Фізична модель платформи HummingBoard Pro
Як видно з рис.1.20, зовнішній вигляд комп’ютера схожий на інші
платформи за виключенням наявності плати MicroSoM (знаходиться під
радіатором, детальніше показана на рис.1.20).
Рис. 1.20. Фізична модель платформи MicroSoM
36
Як видно з рис.1.20, MicroSoM– це невелика плата (47 мм x 30 мм), яка
містить основні підсистеми комп’ютера (центральний процесор, пам’ять,
мережеві інтерфейси). Завдяки тому, що плати MicroSoM можна замінювати,
створюється багато варіантів платформ, що відрізняються по швидкодії,
кількості портів та ціні.
1.7 Дослідження моделей платформ LinkSpritepcDuino
LinkSpritepcDuino – платформи, основною особливістю яких є
сумісність з платформою Arduino (рис.1.21).
Рис. 1.21 Фізична модель платформи LinkSpritepcDuino3 Nano
За словами розробників, їх комп'ютери найкраще підходять для
експериментів та створення різноманітних електронних пристроїв [9].
PcDuino можуть бути використані для домашньої автоматизації, розпізнавання
обличчя, створення графіки, робототехніки, і багато іншого. В доповнення до
платформ, дана фірма пропонує різні електронні компоненти та аксесуари, такі
як корпуси, екрани, сенсорні панелі, адаптери.
37
Як видно з рис.1.21, цей комп’ютер має двоядерний процесор ARM
Cortex A7, також його особливістю є наявність інфрачервоного приймача, що
дозволяє керувати пристроєм за допомогою пульта дистанційного управління.
1.8 Дослідження моделей платформ PandaBoard
PandaBoard – недорогий платформа на базі системи на кристалі
TexasInstruments OMAP4430 (процесорні ядра ARM Cortex-A9). Вартість
плати склала 174 долара США в жовтні 2010 року. Призначена для
розробників [10].
Фізична модель платформи PandaBoard ES представлена на рис.1.22.
Рис. 1.22 Фізична модель платформи PandaBoard ES
PandaBoard ES (рис.1.22) - більш нова версія плати, створена на базі
системи на кристалі OMAP4460, в якому центральний і відеопроцесори
працюють на більш високій частоті. Доступна за ціною 182 долара з листопада
2011 року.
38
1.9. Основні вагомі компоненти сучасних платформ
Основними компонентами платформи являються:
1. Система на кристалі (SoC), яка в свою чергу містить:
• Центральний процесор;
• Графічний прискорювач;
• Таймери;
• Контролери переривань;
• Контролер USB;
• Контролер GPIO;
• Блоки АЦП та ЦАП;
• Регулятори напруги та стабілізатори живлення;
2. Оперативна пам’ять (може бути присутня як частина системи на
кристалі);
3. Мережевий контролер;
4. Порти USB;
5. Порт LAN;
6. Відеовихід (наприклад HDMI);
7. Порти GPIO;
8. Система живлення.
39
1.10. Сфери застосування
Сфери заст осування
Система «розумний дім»
Різні датчики
Робототехніка
Автоматичні вентилятори
Сфетлофори
Охоронні системи
Міні метеостанції
Квадрокоптери
Рис 1.23 Сфери застосування платформ Arduino
40
1.11. Формулювання проблемних завдань дослідження
Отже, в випускній кваліфікаційній магістрантській роботі, на підставі
системного аналізу предмета дослідження необхідно вирішити наступні
завдання:
1. Провести аналіз стану предмета дослідження та сформулювати
завдання.
2. Дослідити моделі основних існуючих сучасних роботизованих
платформ та візуалізувати їх техніко-економічні показники.
3. Запропонувати метод визначення кращого за багатьма параметрами
вагомих компонентів.
Висновки до розділу 1
Для дослідження компонентів роботизованою платформою за рахунок
системного аналізу існуючих стендів моніторингу працездатності
компонентів
Висновки. Лабораторний стенд відноситься до засобів навчання і є
програмно-апаратним оснащенням процесу проектування мікроконтролерних
систем управління електродвигунами постійного струму за допомогою
інтегрованого навчального середовища.
Концептуальна науково-дослідна модель для моделювання та
верифікації спеціалізованого багатофункціонального обчислювача на базі
єдиного шифратору.
Система керування двигуном, а саме: повнокроковий (ПР),
повнокроковий з перекриттям фаз, режим напівкроку, а також мікрокроковий
режим (режим дроблення кроку).
42
РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ
ОСНОВНИХ РІЗНИХ ПЛАТФОРМ
На основі дослідження вітчизняних та закордонних літературних
джерел різних платформ побудована реляційна модель даних за основними
техніко-економічними показниками різних платформ, які представлені в
табл.2.1.
Таблиця 2.1 – Реляційна модель даних за основними
техніко-економічними показниками різних платформ
№ Ціна Час Об'єм Напруг Розміри, Кількість
пп Тип $ тота ОЗП, а мм GPIO
платформ ЦП, МБ живле портів
МГ ння,В
ц
Arduino 25 16 2 7-12 7,5х5,3 14
1 Uno
2
RaspberryPi 25 700 256 5 85,6x56,5 26
A
3 RaspberryPi 20 700 256 5 65x56,5 40
A+
RaspberryPi 35 700 512 5 85,6x56,5 26
4 B
43
продолження
Продовження Таблиця 2.1
№ Тип Ціна Час Об'єм Напруг Розміри,
пп платформ , $ тота ОЗП, а мм
ЦП, МБ живле Кількість
МГ ння,В GPIO
ц портів
5 RaspberryPi 35 700 512 5 85,6x56,5 40
B+
6 RaspberryPi 35 900 1024 5 85,6x56,5 40
2 B
7 BananaPi 35 1000 1024 5 92x60 26
8 BananaPro 40 1000 1024 5 92x60 28
9 Cubieboard 49 1000 1024 5 100x60 96
1
10 Cubieboard 59 1000 1024 5 100x60 96
2
11 Cubietruck 86 1000 2048 5 110x80 54
(Cubieboar
d3)
12 Cubieboard 125 2000 2048 5 111,4x111 20
4 ,4
13 HummingB 102 1200 512 7-36 102x69 36
oard-Edge
i1
14 HummingB 119 1200 1024 7-36 102x69 36
oard-Edge
i2
2.1 Дослідження моделей платформ за вартістю
Для спрощення аналізу створена реляційна модель даних для
визначення кращої платформи через економічний показник, а саме:
вартість, яка представлена в табл. 2.2.
44
Таблиця 2.2 – Реляційна модель даних вартості різних типів
платформ
№ пп Тип платформ Ціна, $
1 Arduino UNO 25
2 RaspberryPi 20
3 BananaPi 35
4 Cubieboard 4 49
5 HummingBoard-Edge i2 102
Для збільшення швидкості порівняльного аналізу на рис.2.1
побудована гістограма цих значень (табл.2.2).
Ціна,
$
100
50
30
20
1 2 3 4 5 № платформи
Рис. 2.1. Гістограми показників вартості платформ
Примітка: цифри 1,2,3,4,5 відповідають табл. 2.2.
45
2.2 Дослідження моделей платформ через частоту центральних
процесорів
Аналіз рис. 2.1 показав, що значення вартості платформи
RaspberryPi має найменшу величину, що являється по цьому параметру
економічно вигідно.
Однак, для об’єктивного оцінювання платформ проведено
дослідження за відповідними основними технічними показниками, на
підставі яких створено реляційні моделі даних, що приведено
в табл. 2.3; 2.4; 2.5; 2.6; 2.7.
Таблиця 2.3 – Реляційна модель даних через частоту центральних
процесорів для різних типів платформ
№ пп Тип платформ Частота ЦП, МГц
1 Arduino UNO 16
2 RaspberryPi 900
3 BananaPi 1000
4 Cubieboard 4 2000
5 HummingBoard-Edge i2 2000
46
Для збільшення швидкості порівняльного аналізу на рис. 2.2 побудована
гістограма значень частот центрального процесора (ЦП), наведено в
табл.2.3.
Частота
ЦП, МГц
2000
1000
900
16
1 2 3 4 5 № платформи
Рис. 2.2. Гістограми показників за частоти платформ
Примітка: цифри 1,2,3,4,5 відповідають табл. 2.2.
Аналіз рис. 2.2 показав, що значення частот ЦП платформи Cubieboard 4 та
HummingBoard-Edge i2 мають найбільшу величину, що являється по цьому
параметру перспективним.
47
2.4 Дослідження моделі платформи через об’єм ОЗП
Таблиця 2.4 – Реляційна модель даних через об’єм оперативного
запам’ятаючого пристрою для різних типів платформ
Об’єм ОЗП,
№ пп Тип платформ
МБ
2
1 Arduino Uno
1024
2 RaspberryPi
1024
3 BananaPi
2048
4 Cubieboard 4
1024
5 HummingBoard-Edge i2
Для збільшення швидкості прийому інформації на рис. 2.3
побудована гістограма показників, що характеризують об’єм
оперативного запам’ятаючого пристрою для відповідних платформ.
48
Об'єм
ОЗП, МБ
2048
1024
2
1 2 3 4 5 № платформи
Рис. 2.3. Гістограми платформ
Примітка: цифри 1,2,3,4,5 відповідають табл. 2.4.
Аналіз рис. 2.3 показав, що значення об’єму оперативного
запам’ятаючого пристрою ЦП платформи Cubieboard 4 мають найбільшу
величину, що являється по цьому параметру перспективним.
2.5 Дослідження моделей платформ через напругу живлення
49
Таблиця 2.5 – Реляційна модель даних через напругу живлення
для різних типів платформ
№ пп Тип платформ Напруга
живлення, В
Arduino UNO 12
1
RaspberryPi 5
2
BananaPi 5
3
Cubieboard 4 5
4
HummingBoard-Edge i2 36
5
Для збільшення швидкості порівняльного аналізу на рис.2.4 побудована
гістограма показників напрузі живлення, значень яких представлено в
табл.2.5.
50
Напруга
живлення
В
36
12
5
1 2 3 4 5 № платформи
Рис. 2.4. Гістограми платформ
Примітка: цифри 1,2,3,4,5 відповідають табл. 2.5.
Аналіз рис. 2.4 показав, що значення напрузі живлення платформи
HummingBoard-Edge i2 має найбільшу величину, що впливає на
збільшення потужності споживання. При цьому Arduino Uno, BananaPi,
Cubieboard 4
2.6 Дослідження моделей платформ через площу платформ
51
Таблиця 2.6 – Реляційна модель даних площі платформ для
різних типів платформ
№ пп Тип платформ Площа, мм2 Розміри, мм
1 Arduino UNO 3657 69х53
2 RaspberryPi 3700,75 65,5x56,5
3 BananaPi 5520 92x60
4 Cubieboard 4 6000 100x60
5 HummingBoard-Edge i2 7038 102x69
Для збільшення швидкості порівняльного аналізу на рис.2.5
побудована гістограма цих значень (табл.2.6).
52
Площа,
мм2
7000
6000
5000
4000
3000
1 2 3 4 5 № платформи
Рис. 2.5. Гістограми площ потрібних для платформ
Примітка: цифри 1,2,3,4,5 відповідають табл. 2.6.
Аналіз рис. 2.5 показав, що найменше значення площі займає
платформа Arduino UNO, що являється по цьому параметру
перспективним.
2.7 Дослідження моделей платформ через кількість GPIO портів
53
Таблиця 2.7– Реляційна модель даних кількості GPIO портів у різних
типів платформ
№ пп Тип платформ Кількість GPIO
портів
Arduino Uno 14
1
RaspberryPi 34
2
BananaPi 27
3
Cubieboard 4 66
4
HummingBoard-Edge i2 36
5
Для збільшення швидкості порівняльного аналізу на рис.2.6 побудована
гістограма цих значень (табл.2.7).
54
Кількість
GPIO
портів
66
36
34
27
14
1 2 3 4 5 № платформи
Рис. 2.6. Гістограми платформ
Примітка: цифри 1,2,3,4,5 відповідають табл. 2.7.
Аналіз рис. 2.6 показав, що найбільше значення кількості GPIO портів
має платформа Cubieboard 4, що являється по цьому параметру
перспективним.
55
Враховуючи економічний стан закладів вищої освіти України є
основним аргументом для розширення лабораторного практикуму
являється вартість компонентів.
Аналіз гістограм, що наведено вище показав, що доцільно
використовувати такі платформи Arduino та RaspberryPi.
Тому нижче проведено порівняльний аналіз техніко-економічних
показників платформ Arduino та RaspberryPi, що наведенні на рис.2.7.
W2= 3,5
V2= Вт
=512
f =
2 МБ
=700
МГц
С2 = S1 = S2=
f1= V2= С1 = =30 = 40 =46
=16 =2 =25 $ Cм2 Cм2
МГц КБ W1=0,3
Вт $
Рис.2.7. Гістограми основних техніко-економічних показників
Arduino UNO i Raspberry Pi
Примітка: індекс 1 відповідає Arduino UNO;
індекс 2 відповідає Raspberry Pi
f – тактова частота;
V – об’єм пам’яті;
W – потужність живлення;
С – базова вартість;
S – площа, що займається
56
Висновки до розділу 2
Шляхом аналізу об’єкта досліджень встановлено підвищення
техніко-економічних показників систем управління і обробки інформації
приводить до адекватного підвищення ефективності систем управління.
Для підвищення ефективності автоматизованих систем управління
роботизованих платформ проведено системний аналіз існуючих платформ:
- Arduino,
- Raspberry,
- RaspberryPi B+,
- RaspberryPi 2 B,
- BananaPi,
- BananaPro,
- Cubieboard1,
- Cubieboard2,
- Cubietruck (Cubieboard3),
- Cubieboard 4,
- HummingBoard-Edge i1,
HummingBoard-Edge i2.
Проведено порівняльний аналіз Arduino та Raspberry і
запропоновано використовувати для навчального процесу завдяки низькій
собівартості платформи Arduino.
57
РОЗДІЛ 3
МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ КРАЩОГО ЗА БАГАТЬМА
ПАРАМЕТРАМИ ВАГОМИХ КОМПОНЕНТІВ
У третьому розділу наведено результати визначення кращих
компонентів з створеної множини існуючих сучасних видів, а саме :
ІС ШІМ та скануючих пристроїв.
3.1 Дослідження основних технічних параметрів моделей ІС ШІМ та
визначення кращої моделі
Відомо, що підвищення техніко-економічні показники компонентів
приводить до адекватного підвищення ефективності систем, які їх
застосовують.
Враховуючі, що існує багато типів сучасних ІС ШІМ, кожен з яких
має відповідні параметри, тому завданням є визначити кращу модель ІС
ШІМ з множини існуючих.
Для цього необхідно створити множину існуючих моделей ІС ШІМ,
які на погляд проектувальника найбільш підходять для заданого завдання.
Сформулювати узагальнену інформаційну модель, яка містить
основні показники.
Провести аналіз взаємозв’язку між цими показниками та визначити
для них математичний опис.
При відсутності аналітичного виразу між наведеними показниками
запропонувати відповідний вид моделювання:
– моделювання на основі властивостей теорії неповної
подібності;
– умовне моделювання.
Прикладом сформованої множини типів ІС ШІМ є реляційна модель
даних показників ІС ШІМ, що представлена в табл.3.1.
58
Таблиця 3.1. Реляційна модель даних показників ІС ШІМ
Струм
Напруга
спожи
Діапазон Частота спожива
Полоса вання
температу генера ння в
№ Тип ІС ШІМ частот в черго
р тора f, черговом
f, кГц вому
Т,0С кГц у режимі,
режимі
U, В
I, mA
1 ТL494i(M) -40..+85 200 800 9 40
2 ТL494sN(M) -20..+85 100 350 7 40
3 КА7500В 0..+70 150 650 6 15
4 МВ3759 -20..+85 170 800 7 7
5 ТLC5940NN -40 .. .85 400 850 12О 5
На підставі схеми відношень даних показників ІС ШІМ (табл.3.1) створена
узагальнена інформаційна модель узагальненого виду, яка має вигляд
F(PP, U, I, f, f, Qмах,Qмін), (3.1)
де PP - потужність розсіювання, що дорівнює:
59
PP =(150-Т)/0,23; (3.2)
Т - температура, 0С;
U - напруга, В;
I - струм, mA;
f - смуга частоти, кГц;
f - частота, кГц;
Qмах, Qмін – температурний діапазон, К.
Аналіз інформаційної моделі (3.1) показав відсутність аналітичного
опису цих показників, тому на підставі умовного моделювання, теорії
розмірностей та властивостей інформаційних систем об’єктивного
оцінювання компонентів створюються критерії видачі релевантної
інформації [3].
На основі евристичного методу визначаються критерії видачу
релевантної інформації (КВРІ):
(PP/U·I) – безрозмірна величина, яка характеризує енергетичний резерв ІС
ШІМ;
( f/f) – безрозмірна величина, яка характеризує добротність;
((Qмах- Qмін)/ Qмах) – безрозмірна величина, яка характеризує
температурний діапазон.
Результати розрахунків критерії видачі релевантної інформації
приведено в табл.3.2.
60
Таблиця 3.2. Результати розрахунків КВРІ
((Qмах- Qмін)/
№ Тип ІС ШІМ
PP U ·I PP / f/f)
Qмах)
U·I
1 ТL494i(M) 282,6 4 0,35
360 0,79
ТL494
sN 280 1,01
2 282,6 3,5 0,66
(M)
3 КА7500В 347,8 90 3,86 4,3 1
4 МВ3759 282,6 4,7 0,66
49 5,77
5 ТLC5940NN 282,6 2,1 0,35
600 0,47
Для визначення кращої моделі створюються такі критеріальні
рівняння
(PP/U I; f/f;)=0; ( 3.3)
((Qмах-Qмін)/ Qмах; f/f), ( 3.4)
Рішення рівнянь (3.3) і ( 3.4) здійснюється за допомогою
візуалізацією через гістограми, що представлено на рис. 3.1.
61
Δf
f
5 4
3
1
4
2
3
5
2
1
Qmax-Qmin
0 0,25 0,5 0,75 1 Qmax
Рис.3.1. Знакова модель ІС ШІМ у безрозмірних координатах за
основними технічними параметрами
f, Δf, Qmax, Qmin
Примітка: цифри 1, 2, 3, 4, 5 – відповідають табл.3.2.
62
Δf
f
5 4
3
1
4
2
3
5
2
1
0 2 4 6
Pp / U I
Рис.3.2. Знакова модель ІС ШІМ у безрозмірних координатах за
основними технічними параметрами
Pp, U, I, f, Δf
Примітка: цифри 1, 2, 3, 4, 5 – відповідають табл.3.2.
63
Багатокритеріальний аналіз технічних параметрів показав, що
найкращі ІС ШІМ наступні:
- за критерієм енергетичного резерву ІС ШІМ КА7500В (в табл. 3.2
№3);
- за критерієм добротності МВ3759(в табл. 3.2 №4);
- за критерієм діапазону температур ТL494i(M) (в табл. 3.2 №1).
Найгіршими за всіма критеріями ІС ШІМ є ТL494sN(M) (в табл. 3.2 №2).
64
3.2 Дослідження основних технічних параметрів моделей скануючих
пристроїв та визначення кращої моделі
Враховуючи, що недостатньо висвітлено як з множини існуючих
серійно випускових інтегральних скануючих пристроїв, які є основною
складовою частиною безконтактних датчиків положення, швидко
визначити кращий пристрій за багатьма параметрами.
Підвищення ефективності безконтактних датчиків положення
пропонується шляхом розробки методу визначення з множини існуючих
кращого за багатьма параметрами скануючого пристрою. На підставі
досліджень літературних джерел, створена реляційна модель відношень
основних технічних показників скануючих пристроїв, результати якої
наведено у таблиці 3.3.
Таблиця 3.3 Реляційна модель відношень основних технічних
показників сучасних скануючих пристроїв різного типу
Тип Параметри
№
скануючих ��вкр, f, Рс, Рр, Т, С,
пп
пристроїв Ом Мгц mBт т 0
mB С пФ
1 DG506 400 0,3 76,6 282, 6 85 5
2 АV6-4016 200 0,4 59,4 282, 6 85 10
3 К1104КН1 400 2,0 6,7 282, 6 85 10
4 Б1110КН1-2 400 1,0 3,2 500 25 5
5 733КН1-2 400 0,5 40 500 35 5
6 К591КН3 270 0,5 7,5 282, 6 85 3
7 К590КН6 300 0,5 52,5 282, 6 85 4
8 H1506A-2 1200 0,5 7,5 108,7 125 5
де �� 65
вкр– опір відритого транзисторного перемикача; Рс – потужність
споживання; Рр– потужність розсіювання кристалу; С – ємність
навантаження; Т – максимальна температура; f – робоча частота.
Рр= (150 -Т)/0,23
Загальна інформаційна модель скануючого пристрою має наступний
вигляд
ψ(Рс, Рр, f, Т, С, ��вкр) (3.6)
Аналіз інформаційної моделі (3.6) показав відсутність аналітичного
опису цих показників, тому на підставі умовного моделювання, теорії
розмірностей та властивостей інформаційних систем об’єктивного
оцінювання компонентів створюються критерії видачі релевантної
інф −ормації (КВРІ) [3]. Запропоновані наступні КВРІ:
Рр
– безрозмірна величина, яка характеризує енергетичний резерв
Рс
с (кfан��уючи)х пристроїв(краще значення → ������);
С відкр →, –�� ��б��езрозмірна величина, яка характеризує швидкість (краще
значення ),
які є безрозмірними величинами, що характеризують відповідно
енергетичний резерв кристалу та швидкодію (краще значення → ������). За
результатами розрахунків критерії видачі релевантної інформації (табл.
3.3) видно, що кращими КВРІ: через енергетичний резерв є модель
скануючого пристрою №4; через швидкодію – модель №3.
66
Таблиця 3.4. Результати розрахунків КВРІ
Тип
№ пп скануючих Рр КВРІ
Рс ·fС1��0вкпристроїв −6р
1 DG506 3,7 600
2 АV6-4016 4,7 800
3 К1104КН1 42,2 8000
4 Б1110КН1-2 156,3 2000
5 733КН1-2 12,5 1000
6 К591КН3 37,7 405
7 К590КН6 5,4 600
8 H1506A-2 14,5 3000
Аналіз взаємозв’язків між КВРІ, а саме: (Рр/Рс) та (f·C·R) показав
можливість визначення напрямку вдосконалення моделі скануючого
пристрою Б1110КН1-2 за №4, якій має велике значення (Рр/Рс), що
характеризує енергетичний показник кристалу, проте значення (f·C·R), що
характеризує швидкодію, у 3 рази менш, ніж у моделі за №3. На основі
самомоделювання вдосконалена модель №4 шляхом збільшення частоти
до 5 МГц.
67
Висновки до розділу 3
• Запропоновано метод визначення кращого за багатьма параметрами
компонентів (ІС ШІМ, скануючого пристрою), суть якого
визначається сукупністю прийомів по використанню принципів
об’єктивного оцінювання компонентів інформаційних систем, що
базується на створених реляційній моделі відносин основних
технічних показників та критеріїв видачі релевантної інформації.
• Побудована знакова модель основних технічних параметрів ІС ШІМ
у безрозмірних координатах, що дозволила швидко вибрати
одночасно найкращу модель за параметрами U, I, f, f, Qмах, Qмін, а
саме:
найкращі ІС ШИМ є наступні:
- за критерієм за критерієм енергетичного резерву КА7500В;
- за критерієм добротності МВ3759;
- за критерієм діапазону температур ТL494i(M) ;
Найгіршими за всіма критеріями ІС ШІМ є ТL494sN(M) .
На основі аналіз у реляційної моделі створена узагальнена
інформаційна модель, визначені критерії видачі релевантної інформації.
За результатами розрахунків найкращою моделлю скануючого пристрою \
модель Б1110КН1-2.
68
ВИСНОВКИ
В роботі вирішено важливе науково-технічне завдання підвищення
ефективності автоматизованих систем управління шляхом визначення
методу кращих моделей компонентів через створення реляційних
відношень даних за багатьма параметрами.
У результаті виконання досліджень отримано наступні результати:
Шляхом аналізу об’єкта досліджень встановлено підвищення
техніко-економічних показників систем управління і обробки інформації
приводить до адекватного підвищення ефективності систем управління.
Для підвищення ефективності автоматизованих систем управління
роботизованих платформ проведено системний аналіз існуючих платформ:
- Arduino,
- Raspberry,
- RaspberryPi B+,
- RaspberryPi 2 B,
- BananaPi,
- BananaPro,
- Cubieboard1,
- Cubieboard2,
- Cubietruck (Cubieboard3),
- Cubieboard 4,
- HummingBoard-Edge i1,
HummingBoard-Edge i2.
69
Створені реляційні моделі даних за основними техніко-
економічними показниками різних платформ, а саме:
вартість,
частота,
об’єм пам’яті,
кількість портів,
напруга живлення,
площа платформ.
За результатами дослідження побудовані відповідні гістограми та
знакові моделі, що забезпечують через візуалізацію високу швидкість
визначення кращої моделі.
Проведено порівняльний аналіз Arduino та Raspberry і
запропоновано використовувати для навчального процесу завдяки низькій
собівартості платформи Arduino.
Запропоновано метод визначення кращого за багатьма параметрами
компонентів (ІС ШІМ, скануючого пристрою), суть якого визначається
сукупністю прийомів по використанню принципів об’єктивного
оцінювання компонентів інформаційних систем, що базується на
створених реляційній моделі відносин основних технічних показників та
критеріїв видачі релевантної інформації.
Побудована знакова модель основних технічних параметрів ІС ШІМ
у безрозмірних координатах, що дозволила швидко вибрати одночасно
найкращу модель за параметрами U, I, f, f, Qмах, Qмін, а саме найкращі ІС
ШИМ є наступні:
- за критерієм за критерієм енергетичного резерву КА7500В;
- за критерієм добротності МВ3759;
- за критерієм діапазону температур ТL494i(M) ;
Найгіршими за всіма критеріями ІС ШІМ є ТL494sN(M) .
70
На основі аналізу реляційної моделі створена узагальнена
інформаційна модель скануючого пристрою, визначені критерії видачі
релевантної інформації.
За результатами розрахунків критерії видачі релевантної інформації
кращими КВРІ: через енергетичний резерв є модель скануючого пристрою
№4 Б1110КН1-2; через швидкодію – модель №3 К1104КН1.
71
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
[1] https://www.geeetech.com/wiki/index.php/Iduino_Yun_Cloud
[2] http://www.ijirset.com/upload/2015/tapsa/3_EC002.pdf
[3] http://devestechnet.com/NewTech/TechData
[4] https://dronequadcopterx.blogspot.com/2019/06/arduino-quadcopter-
project.html
[5] https://www.instructables.com/Wi-Fi-controlled-Remote-Control-Car-
without-microc/
[6] https://wiki.dfrobot.com/Flyduino-
A_12_Servo_Controller_SKU_DFR0136_
[7] https://wikihandbk.com/wiki/Raspberry_Pi:%D0%90%D0%BF%D0%BF
%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D
1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0
/Raspberry_Pi/GPIO-
%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BA%D1%82%
D1%8B:_Raspberry_Pi_A_%D0%B8_Raspberry_Pi_B
[8] https://elinux.org/Banana_Pi
[9] http://docs.cubieboard.org/products/start
[10] Офіційний сайт ArduinoInc. – Режим доступа:
httр://www.ArduinoInc.cc/
[11] Офіційний сайт 8Devices. – Режим доступа: httр://www.8devices.com.
[12] Client-Server Рrogramming and Aррlications. — Deрartment of Comрuter
Sciences, Рurdue University, West Lafayette, IN 47907: Рrentice Hall, 2003.
[13] Ржепішевський А.Л. Аналіз підходів до систем розпізнавання
перешкод в умовах промислового та побутового застосування
мобільних роботів / А.Л. Ржепішевський // Young Scientist. - 2014. -
№8(11) . - с.27-29.
[14] Digital Signal Рrocessing, - Steven W. Smith - 2000, - 630р.