Pułapki dobrej praktyki inżynierskiej

Projektowanie bazujące na wyczuciu inżynierskim i doświadczeniu jest korzystne dla projektantów, gdyż inaczej już dawno zostaliby oni zastąpieni przez komputery, jednak coraz częściej mam wątpliwości, czy oparcie się w pracy na regułach i założeniach nie tworzy z drugiej strony barier ograniczających rozwój technologii. Zbyt wiele ważnych odkryć powstało właśnie wtedy, kiedy ktoś wyszedł poza utartą ścieżkę postępowania, a doskonałym przykładem może być chociażby niebieski laser półprzewodnikowy.

To ile umieścić kondensatorów odsprzęgających zasilanie, jak prowadzić masy w układach analogowo-cyfrowych, czy też z drugiej strony, w jaki sposób pisać, komentować i dokumentować oprogramowanie, z pewnością można zaliczyć do bezpiecznej dobrej praktyki inżynierskiej. Ale nawet to, czy ekran wielożyłowego kabla podłączyć do masy tylko na jednym końcu, jak mówią reguły, czy też na obu, nie tylko nie jest już oczywiste, ale i nie raz okazało się źródłem problemów.

Zmieniają się czasy i rzeczy, a szybki rozwój technologii powoduje, że to co jeszcze wczoraj wydawało się pewne i bezdyskusyjne dzisiaj może być nieaktualne. Doskonałym przykładem może być tutaj standard łączności bezprzewodowej ZigBee, błyskawicznie zyskujący popularność na rynku. Elementy wchodzące w skład takiego systemu, na przykład czujniki temperatury, zasilane są z baterii guzikowej, która starcza na 10 lat pracy. Od strony układu konstrukcja bazuje na specjalizowanym wydajnym mikrokontrolerze, który obrabia sygnał z sensora i obsługuje transmisję radiową. Duża wydajność przetwarzania gwarantuje, że zadania te zajmują mu tak mało czasu, że prawie zawsze znajduje się w stanie uśpienia.

Okazuje się, że przedłużenie czasu pracy dla takiego czujnika z obecnych 10 lat do 20-30 na jednej baterii, najłatwiej można zrealizować odchodząc od jednej z najważniejszych reguł projektowych ostatnich lat związanej z mikroprocesorami. Zasada ta zakładała maksymalizowanie wykorzystania mikrokontrolera w układzie, zgodnie z którą obecnie jak najszybciej zamienia się sygnał analogowy z czujnika na postać cyfrową i dalej obrabia go w mikrokontrolerze. Filtracja, linearyzacja, kalibracja i inne operacje dokonywane są na drodze cyfrowej, gdyż nie tylko upraszcza to układ, ale zapewnia doskonałą stabilność i powtarzalność konstrukcji.

Trudno znaleźć bardziej czytelną zasadę projektowania, jednak przeprowadzone badania na uniwersytecie MIT wykazały, że z punktu widzenia minimalnego poboru mocy centralny procesor zajmujący się całą obróbką sygnału wcale nie musi dobrym rozwiązaniem. Ten sam czujnik z układem obróbki sygnału wykonanym tradycyjne, poza procesorem, działał dwa razy dłużej. Przetwarzanie danych na drodze cyfrowej zdaniem naukowców nie jest optymalne od strony energetycznej, czyli innymi słowy procesor zużywa zbyt wiele energii na obróbkę sygnału, co po zastanowieniu wydaje się naturalne, gdy porówna się stopień komplikacji filtrowania za pomocą dwójnika RC i filtru cyfrowego.

Pracujące 10 lat z jednej baterii czujniki ZigBee tylko przez chwilę będą wyznaczały punkt odniesienia dla niskiego poboru mocy, jednak nikt nie ma wątpliwości, że cel do którego dążymy znajduje się znacznie dalej. Docelowo chodzi o to, aby zasilać takie urządzenia wyłącznie energią wolnodostępną, co wymaga obniżenia poboru mocy dwu- a nawet trzykrotnie. Takiego wyzwania nie da się pokonać trzymając się reguł i zaleceń projektowych, które w coraz większym stopniu będą okazywać się hamulcem rozwoju. Dlatego może warto czasem przejrzeć stare książki i rozwiązania, które wyszły z użycia i tam szukać inspiracji?