Всем привет! Я работаю преподавателем, и в последнее время привычные инструменты для симуляции Arduino стали доступны лишь «через раз».
Я работаю преподавателем, и так уже сложилось что привычные и удобные инструменты симуляции ардуино сейчас доступны через раз. Tinkercad заходит через определенный сервис, Wokwi в последнее время тоже нуждается в нем (по крайней мере у меня). В виду такой ситуации решил попробовать начать делать свой онлайн симулятор, так как это банально удобнее для меня.
Задачи что я поставил перед собой выглядели так:
Симуляция должна происходить в реальном времени.
Библиотека компонентов должна содержать все нужные мне элементы.
Интерфейс должен быть достаточно простым.
Сразу оговорюсь: проект сейчас находится в стадии MVP, но его архитектура уже позволяет собирать схемы и писать код. Любая критика, предложения и комментарии категорически приветствуются!
Описание симуляции электрической части
Переход от логической имитации к расчету по методу MNA (Modified Nodal Analysis) стал для проекта фундаментом. Для решения системы я выбрали метод LU-декомпозиции (исключение Гаусса с частичным выбором ведущего элемента). Выбор пал именно на него, так как он обеспечивает идеальный баланс между вычислительной устойчивостью и производительностью в однопоточном JavaScript-окружении, позволяя обсчитывать матрицы умеренной размерности в
В основе симулятора лежит решение системы линейных уравнений вида:
A⋅V=B
Где:
A — матрица проводимостей размерности M×M (M — количество электрических узлов).
V — вектор искомых потенциалов в узлах.
B — вектор источников тока и внешних воздействий.
Реальный мир нелинеен, увы. Светодиоды нельзя описать простым уравнением I=U/R. Для их симуляции используется кусочно-линейная модель (Piecewise-Linear Model).
Симулятор совершает до 10 итераций на каждый тик времени, чтобы найти точку сходимости. Каждый диод может находиться в двух состояниях:
OFF (Закрыт): Моделируется как разрыв.
ON (Открыт): Представляется как последовательное соединение малого внутреннего сопротивления (Ron=10 Ом) и источника ЭДС, равного прямому падению напряжения Vf.
Но это не значит что промежуточных состояний у него нет. Если подключить его к ШИМ (Широтно Импульсная Модуляция) порту и будет менять этот ШИМ, то и светодиод будет менять свою яркость. А так же, если ток, что проходит через светодиод превысит 30 мА, то он будет показан как сгоревший.
Симуляция микроконтроллера
После написания симуляции схемы, время перейти к коду. Я уже имел определенный опыт с другого проекта как добиться выполнения кода написаного в браузере с исполнителем, так что позаимствовал основные идеи от туда. Это позволяет проводить все вычисления сразу на устройстве пользователя, и не иметь сложного бэкенда.
Для связи кода с физикой мы эмулируем регистры через Object.defineProperties с реактивными геттерами и сеттерами.
Компонентная база
Конечно без достаточной компонентной базы все сделаное до этого не имело бы особого смысла. Графику для компонентов было решено делать в виде SVG. Вышло вроде сносно. Среди доступных на текущий момент компонентов есть:
Микроконтроллер Arduino Uno R3.
Макетная плата (Breadboard).
Резистор (Resistor).
Светодиод (LED).
Тактильная кнопка (Push Button).
Потенциометр (Potentiometer).
Ультразвуковой дальномер (HC-SR04).
LCD1602.
Датчик температуры и влажности (DHT-11).
Сервопривод.
Коллекторный мотор (DC Motor).
Двухканальный драйвер моторов.
Этого набора компонентов в теории хватит на простые проекты, чтобы пощупать систему и понять, что стоит дорабатывать, а где уже нормально.
Сама система сейчас выглядит так:
Планы на будущее
Я уже начал пытаться сюда добавить симуляцию отечественного микроконтроллера MIK32 АМУР. Понятное дело буду расширять компонентную базу, усиливать возможности эмуляции кода, и в целом продолжать развивать проект по мере сил.
Мне интересно ваше мнение, насколько это сейчас актуально, и что бы вы хотели увидеть в такой системе. Попробовать проект вы можете по ссылке через тунель https://modeled.cloudpub.ru/.