Timeweb.Cloud

Автор текста: akasaka

Пару месяцев назад я в очередной раз прогуливался по комиссионкам, и моё внимание привлёк стоящий на полке агрегат, чем-то похожий на музыкальный центр Bose.

Однако, взяв его с полки, я обнаружил, что это табло-бегущая строка!

Поначалу я подумал, что оно светодиодное, а зачем оно такое мне? Тем более, что у меня уже есть шикарные плазменные часы дома. Ну и поставил было его на полку обратно. Раздавшийся в этот момент громкий звон дал понять — внутри есть струны, а значит, это самый что ни на есть настоящий ВЛИ!

Поэтому я быстренько подыскал на соседнем стеллаже подходящий кабель питания, проверил, что экран загорается, и потопал на кассу, пока кто-то это чудо не перехватил.

❯ Первое включение

Приносим домой, втыкаем в розетку — убеждаемся, что делает оно всё то же, что и на тестовом стенде в комиссионке. Ну, хотя бы по пути не разбили, значит %)

Включается, говорит, что версия 1.12, а затем в цикле жалуется, что никаких сообщений нет. Значит, надо их как-то туда запихать.

❯ Что это за зверь

Шильдик на задней панели гласит, что девайс произведён Nagano Japan Radio Co. Ltd., и имеет модель NJE-105. Отдельная наклейка поверх утверждает, что версия прошивки — та самая, 1.12.

Сзади есть только выключатель и вход питания, а также некий отсек, закрытый пластиковой крышкой.

Если заглянуть внутрь отсека — там мы находим как раз интерфейсный разъём. С одного конца аж целый DB-25:

А вот с противоположного — нечто, с опознанием чего я затрудняюсь.

Долгие попытки разобраться, что же это за девайс и для чего он предназначался, привели к хитросплетению уже недоступных японских сайтов. Однако, на одном из них он был показан таки "в дикой природе", и оказалось, что этот дисплей... для пейджера!

Продавал такой набор оператор NTT Docomo. То есть, если вам нужно было, например, постоянно в офисе видеть свежие новости — вы покупали пейджер с таким табло и подключали на него подписку на нужные вам каналы. Как только на пейджер придёт сообщение — оно сразу начнёт отображаться на табло.

Или если у вас, к примеру, сеть автобусных остановок — просто устанавливаете такие табло, а пейджеры привязываете к одинаковым номерам, группируя по маршрутам или районам. Затем, в случае какого-то форс-мажора на маршруте, просто отправляете на этот номер сообщение — и все табло сразу начинают отображать его.

В какой-то момент производитель начал продавать табло сам, просто как бегущую строку для компьютера — но софт, судя по всему, нигде не сохранился.

Но, к счастью, обладатель пейджера записал хотя бы часть протокола, вот в такой суровой обстановке :-)

❯ Нужно больше ламповой теплоты!

Снимем переднюю панель и посмотрим, что там внутри.

Чутьё не подвело — это действительно огромный вакуумно-люминисцентный индикатор. Под ним находится лишь блок питания и вентилятор, включённый через термопереключатель на 45 градусов.

Сам дисплей производства фирмы Futaba — они, к сожалению, свернули производство ВЛИ в конце 2021 года.

Второй бит у DIP-переключателя непонятно зачем, а вот первый включает какой-то режим тестирования — скорее всего, для проверки на заводе:

Трёхцветность экрана достигается треугольными субпикселями двух цветов — оранжевого и зелёного:

Оттенки этого дисплея напоминают мне те, что устанавливали в поездах и на станциях, чем он мне и приглянулся.

Оп, моя остановочка!

❯ Протокол

Дальнейший поиск привёл, разве что, к упоминанию о том, что какая-то программа когда-то существовала, но автор удалил её с сайта. К счастью, в интернет-архиве сохранилась другая страница, автор которой смог записать многие управляющие последовательности с оригинального пейджера. Ради сохранения этой информации, ниже привожу вольный перевод описания протокола:

Схема подключения

Судя по всему, распиновка идентична обычному RS-232 25-pin, разве что логические уровни здесь TTL. Изначальный автор применил два инвертера 7414 в качестве буфера, но я бы не рисковал и поставил MAX232. Хотя зачем оно вообще в наше время, когда переходники с TTL UART на USB продаются за сущие копейки :-) — прим. авт.

Формат пакета данных

Передача идёт на скорости 9600 бод, 8N1.

Каждый пакет начинается с \r\n . Дальше идёт текущая дата и время в формате MMDDHHmm (ASCII), например, для 9 марта 16:39 это будет 03091639(hex: 30 33 30 39 31 36 33 39). Зачем это используется, кроме синхронизации внутренних часов табло — непонятно.

После этого — до 128 байт текста в кодировке Shift-JIS. В конце — ещё раз \r\n.

Атрибуты текста

Атрибуты текста задаются в виде двух букв, указывающих цвет и эффект. Если атрибуты вставляются посреди текста, то отбиваются тильдами, например: ~AW~.

Значения атрибутов:

Команды

Большинство команд, будучи распознанными табло, сопровождаются выводом сообщения на экран.

❯ Вывод сообщений

Изначально я купил этот дисплей в расчёте на то, чтобы заменить им кассовый дисплей покупателя, который использую сейчас в диджейских стримах: (сверху на музыкальном центре на фоне, основной движ примерно с 9:48)

Всё же кассовый дисплей для такого слишком маловат.

Однако, как оказалось из описания протокола, этот дисплей работает не как тупой терминал, а буферизует сообщения и показывает их поочерёдно. Поэтому такие анимации создавать уже не получится, а посему идея была заброшена, и решено было сделать очередные часы-метеостанцию.

Так как приковывать табло к столу с компом не хотелось, то в ход пошла очередная ESP32. К сожалению, выход 5 вольт на DB25 не имеет запаса по току, поэтому пришлось вывести наружу 24 вольта с блока питания и преобразовать их самому.

Также оказалось, что на ESP32 не работает функция iconv() — но, к счастью, для Shift-JIS есть отдельная библиотека. На базе этого получилось написать простейшую функцию для отправки пакетов на табло.

Как отображаются произвольные сообщения, записанные просто как текст в порт, мне не понравилось: сначала экран инвертируется, и текст прокручивается один раз, затем прокручивается второй раз уже нормально.

Команды для получения сообщений же позволяют хранить их прямо в памяти табло. Однако, для этого прошивке надо будет знать, какие "слайды" уже заняты, а какие нет.

Поэтому, пишем простенькое подобие "аллокатора" сообщений :-) Таким образом, каждый "виджет" сможет зарезервировать себе "слайд":

mid.number = mgr->reserve(mid.kind);

А когда тот уже не нужен — освободить:

mgr->remove(mid);

В остальном про код мало что можно рассказать — в отличие от тех же плазменных часов, где пришлось свою графическую библиотеку писать, здесь же просто работа с текстом.

Из того, что показывать, было решено вывести:

• Погоду

• "Слово дня" на английском

• Дату и время

• Текущий играющий трек в Foobar2000

• Отправителя и тему входящей почты (IMAP)

Также добавлен проброс с USB-UART у ESP32 напрямую на табло, чтобы впоследствии всё равно хоть как-то интегрировать его с Traktor-OBS-Relay.

Хотелось добавить ещё и свежие твиты для одного из списков в твиттере, чтобы видеть новости от локально живущих товарищей. Однако кое-кто сделал бесплатное АПИ write-only, а для чтения нужно платить 100 баксов в месяц, поэтому идея была отложена в чёрный ящик :-)

До кучи на скорую руку была слеплена и вебморда. Для неё я использовал библиотеку GyverPortal:

(так забавно в ридми у неё смотрится реклама новой версии, отмечающая, что новая работает через интернет и приложение для телефона — как будто это плюсы какие-то)

Дата и время

Ну, тут всё элементарно — резервируем "слайд", и форматируем на него текущее время. Всего кода на 60 строк, и проще его привести здесь, чем описывать.

Единственный подводный камень — в заголовке сообщения атрибут "Статичное отображение" использовать нельзя, табло почему-то просто вешается намертво, а после сброса жалуется на повреждение оперативной памяти. Поэтому пришлось этот атрибут вставить напрямую в текст сообщения.

Погода

Тут тоже всё было довольно элементарно — нужно было просто угнать код для обращения к OpenWeatherMap из часов, которые я делал раньше :-)

Так же как и дату-время, просто форматируем и выдаём на зарезервированный под это дело слайд.

Ключ доступа к АПИ тоже взял из часов — в бесплатном тарифе там столько доступов даётся, что мне одного ключа хватает на все устройства, включая два смартфона и смарт-часы.

Foobar2000

Здесь уже пришлось повозиться — единственным плюс-минус удобным способом вытягивать метаданные из fb2k оказался плагин foo_controlserver.

Был написан простенький клиент, в цикле долбящийся на заданный айпишник и порт. Если подключиться получилось, то он бесконечно слушает входящие строки, и вытаскивает из них события воспроизведения/паузы и название трека.

Формат там напоминает CSV, только разделителем является вертикальная черта. Соответственно, если она есть в названии трека или исполнителя, парсинг развалится и на экране будет чёрт знает что. Не идеально, но и не критично.

Слово дня

Это такая странная вещь, показывающая каждый день случайно выбранное словарное определение. Раньше у меня такой скринсейвер на маке был, вот привычка и осталась.

Недолгие поиски привели к Wordnik API. Дальше всё было тоже элементарно — получаем JSON, парсим его, выводим на экран.

Почта по IMAP

Вносить лишние сущности я не люблю, дома не держу ни сервера, ни даже Разберипай, поэтому и получение почты было решено возложить прямо на микроконтроллер — безо всяких MQTT и прочих промежуточных звеньев.

Казалось бы — протокол древний, строго описанный в RFC, плейнтекстовый: должна быть туча реализаций разного качества, от наколенных поделок до полноценных модулей-комбайнов.

Вот тут-то меня и поджидали анальные пирогенные боли и прочие мозговые страдания!

Первом сюрпризом то, что единственная "микроконтроллерная" библиотека для электронной почты вся кривая, косая и тащит за собой драйвера внешнего флеша, карт памяти, десятка разных видов контроллеров сети, и ещё тучу всякого хлама. Да что там, просто после добавления в проект она даже не собиралась!

Поэтому пришлось интенсивно высирать 600 строк, которые упадут при первой же возможности — но вроде пока что работают.

Дальше просто по колбеку ловим новые заголовки и создаём под каждое письмо новый слайд, а когда оно становится прочитанным или удалённым — удаляем и его.

Вторым сюрпризом оказался всё тот же нерабочий iconv. Я-то думал, что там просто не включили поддержку SJIS, но нет — он мёртвый совсем, даже при попытках конвертации из ASCII в ASCII выдаёт дулю. Поэтому заголовки сообщений поддерживаются только в виде UTF-8, а остальные замещаются просто на текст "Новое сообщение".

❯ Итоговый результат

В остальном исходники можно посмотреть на гитхабе, а пока полюбуемся на готовый результат:

Я считаю, получилось неплохо! Хотя и муторно выключать его руками каждый раз, поэтому, датчик движения, наверное, когда-то таки добавлю.

А дойдут ли до этого у меня руки вы сможете узнать — среди тонн фоток еды, Мику, и прочего хлама из комиссионок — в моём телеграме :-)

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

Автор текста: the_bat

Данное устройство было изготовлено и установлено уже более года назад. Работает отлично и «спасает» от возможных проблем с компрессором. Предыстория такова. Шел март 2023 года, на носу день рождения супруги, полный холодильник продуктов, через пару дней ждем гостей. Открываю дверцу холодильника и понимаю, что в нем нисколько не холоднее, чем в квартире...

Первая стадия – отрицание. Да этого не может быть! Выключаю холодильник на 5 минут из розетки, включаю снова и сажусь ждать. Мое нетерпение не позволяет мне отойти от него надолго. Через каждые десять минут открываю дверцу и ощупываю заднюю стенку в надежде, что произойдет чудо! Сухая и прохладная. Не холодная с мелкими замерзшими каплями, а именно прохладная – наши продукты ее остужают, но не наоборот! Так холодильник работать точно не должен.

Вторая стадия – гнев. Как так? В самый неподходящий момент! Судорожно начинаем искать холодильник во всех известных и неизвестных интернет-магазинах. Цены – ад, доставка через три дня. Это провал! Холодильник 1,8 метра (не знаю сколько уж он в объеме), но столько продуктов за 2 дня точно не съесть, а дальше все начнет портиться. Идет рабочая неделя и близятся выходные.

Третья стадия – торг. А что, если это просто плата управления или пускозащитное реле компрессора? Звоню знакомому по ремонту холодильников, кратко обрисовываю ситуацию. Диагноз «компрессор». Не верю. Бросаю трубку и достаю инструменты. Снимаю панель индикации и управления, чтобы добраться до платы с реле. Реле они такие – подгорели контакты, работы на 5 минут и холодильник как новый. Выпаиваю реле, проверяю – работает. Чертовщина! Выдвигаю холодильник (все еще полный продуктов) и ищу пускозащитное реле. Вторая наиболее частая поломка – это оно. Вижу коробочку рядом с компрессором, ищу, где есть в наличии в магазине, покупаю. Ставлю – не работает.

Четвертая стадия – депрессия. Все. Либо новый холодильник, либо ремонт этого с заменой компрессора. Сидим смотрим варианты холодильников. Перекладываем часть продуктов в морозильную камеру (в нашем холодильнике два независимых компрессора). Ужин прошел в молчании и был как никогда плотным. Спать легли рано, но сон не шел.

Пятая стадия – принятие. Позвонил знакомому, извинился за брошенную трубку. Позвал в гости. Помимо поломки компрессора, оказывается, есть масса неисправностей холодильников. Например, хладогент может утекать через трещины в трубках, которые вмонтированы в заднюю стенку. Такая проблема устраняется путем установки отдельной панели испарителя и выглядит это как на картинке ниже. Стоит эта процедура как треть холодильника и занимает массу времени.

Проверив компрессию, мастер убедился, что трубки в порядке – это немного обнадежило. И после установки нового компрессора, а точнее его аналога, холодильник ожил. Побросав остатки продуктов в холодильник, я спросил, из-за чего могла произойти поломка. После осмотра уплотнительной резинки и не найдя ничего подозрительного, мастер слегка захлопнул дверцу, и она открылась (отскочила) примерно на 1 см. Вот и ответ. Свет в холодильнике не загорается, а через образовавшуюся щель выходит холодный воздух, компрессор молотит постоянно и перегревается. При этом, повторюсь, проблем с самой резинкой нет на первый взгляд, и если она прилепилась, то нужно небольшое усилие чтобы холодильник открыть.

Достал инструкцию к холодильнику и принялся ее читать. На панели есть светодиод «Alarm», и мое предположение было, что датчик открытия двери все-таки есть, но деактивирован. Но нет – этот индикатор отображает наличие каких-то ошибок, но, видимо, не перегрев и выход из строя компрессора.

Лирическое отступление закончено. Я начал думать, как избежать такой проблемы в будущем. Интернет предлагал установить датчик освещенности и мониторить лампочку внутри отсека для хранения продуктов, но ее «концевик» срабатывает при чуть большем открытии. Можно его подпилить, но идея с батарейкой внутри холодильника мне не понравилась сразу, а использовать напряжение на лампочке я просто не захотел. Да и вообще, в плафоне не так много места. Должен быть более простой способ. Тогда на ум пришла идея на реле времени и герконе.

В дверце есть отсек для неиспользуемой петли (чтобы перевесить дверцу, и она открывалась в другую сторону), именно его я и задействовал для своей конструкции.

Приклеиваем плату сигнализации к пластиковому кожуху. Я на всякий случай обвел контур маркером, чтобы потом не искать положение относительно магнита, если вдруг буду снимать устройство.

С другой стороны двери также есть заглушка, в которую необходимо установить магнит. Подбираем его по габаритам (магнитной силе) таким образом, чтобы не было ложных срабатываний.

Пробовал устанавливать различные неодимовые магниты, но все они оказались довольно «сильными». У нормально-замкнутого геркона есть особенность. При приближении магнита он размыкает цепь, а если поднести его еще ближе, то цепь снова размыкается (что равносильно открытию). Методом проб и ошибок был найден подходящий по габаритам и силе магнит.

В общей сложности устройство стоит уже больше года. Батарейку не менял (CR2032), хоть в холодильник залезаем довольно часто. Так как писк прерывистый он не особо раздражает, и в то же время хорошо оповещает об открытом холодильнике. Получилось отличное решение, которое практически не требует вмешательства в конструкцию.

Спасибо за внимание и успехов!

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

22 июня 2024 года исполнилось 114 лет со дня рождения Конрада Цузе, пионера создания вычислительной техники, человека, которому сама судьба пыталась помешать двигать прогресс, но не помешала создать первый язык программирования высокого уровня, один из первых компьютеров и первую книгу по цифровой физике.

Хоть и есть поговорка, что рукописи не горят, Конрад Цузе потерял все разработки, чертежи и записи, посвящённые одному из своих первых компьютеров в военное время. Для того, что-бы эта рукопись никогда не сгорела, автор подготовил для вас, дорогие читатели, аудиоверсию статьи. Приятного прочтения или прослушивания.

Конрад жил в сложное время, он рос в окружении «потерянного поколения», людей, перемолотых Первой Мировой войной, молодость прошла в разрушенной Германии, а в зрелые годы «коричневая чума» поразила его родину, половину мира, а потом была уничтожена. И во всём этом хаосе, в изоляции, Конрад Цузе творил цифровое будущее. И это цифровое будущее предоставило нам доступ к его архиву, этот рассказ о жизни и деятельности Конрада мы проиллюстрируем изображениями, часть из которых ранее не публиковалась в русскоязычном пространстве. Мы будем говорить об изобретениях, компьютерах и языке программирования, не забывая о личности их автора, который достиг признания науки и общественности. Изображение на обложке лонга – монета в 10 евро, выпущенная к столетию со дня его рождения.

Конрад Цузе родился 22 июня 1910 года в Берлине в достаточно обеспеченной семье. Семейный достаток прямо повлияет на всю его жизнь. Он начнёт свои научные разработки в родительском доме и на деньги семьи, а позже будет прямо конвертировать науку в деньги, сделав компьютер инструментом производства.

Ещё в школе он начал заниматься техническими изобретениями, после школы поступил в Технический университет в Берлине. Это особое место в жизни Конрада. В университете царил дух свободы, и Конрад, убеждённый атеист, нередко вступал в конфликты со своими «традиционными» родителями. В университете он получил образование в сфере архитектуры, оттуда ушёл в гражданское строительство.

Профессор математики из Берлинского университета, Рауль Рохас (Raúl Rojas), который на научном уровне изучал жизнь и научное творчество Конрада Цузе (по ссылке – перевод оригинального научного текста Рауля), вспоминал, что именно студентом, осуществляя однообразные математические действия, Конрад понял, что эти действия можно автоматизировать.

Приведём пример из практики работы Конрада в студенчестве.

Его задача была провести статические, повторяющиеся расчёты для мостов или определить нагрузки на материалы машин. Как это делалось?

У инженера есть специальная форма, в которой уже заранее напечатаны все необходимые формулы. Работник должен просто ввести свои данные и следовать по полностью разработанному вычислительному пути.

Именно эту однообразную задачу и хотел решить достаточно молодой Конрад, она легла в основу создания и его компьютера, и первого языка программирования. И эту работу он начал ещё будучи студентом. На дворе 1930-е гг., Конраду слегка за 20, он крайне увлекающаяся натура: рисует, изобретает, работает над социально значимыми проектами, но, из-за особенностей своего времени, определённой изоляции в Германии, он мало знаком с достижениями науки в США и, в частности, с работой Джона фон Неймана. Да и в целом, в кого ни плюнь (не нужно плевать в великих учёных): Джон Эккерт, Джон Мокли (Моучли), Говард Эйкен, Джон Атанасов — все находились «вне зоны доступа» Конрада Цузе.

Именно эту однообразную задачу и хотел решить достаточно молодой Конрад, она легла в основу создания и его компьютера, и первого языка программирования. И эту работу он начал ещё будучи студентом. На дворе 1930-е гг., Конраду слегка за 20, он крайне увлекающаяся натура: рисует, изобретает, работает над социально значимыми проектами, но, из-за особенностей своего времени, определённой изоляции в Германии, он мало знаком с достижениями науки в США и, в частности, с работой Джона фон Неймана. Да и в целом, в кого ни плюнь (не нужно плевать в великих учёных): Джон Эккерт, Джон Мокли (Моучли), Говард Эйкен, Джон Атанасов — все находились «вне зоны доступа» Конрада Цузе.

И это та ситуация, когда изоляция оказалась плюсом, а не минусом! Конрад самостоятельно создал то, над чем «бились» целые институты, с именитыми учёными, которых вы видите выше, причём создал по-своему.

Как у него это получилось?

После окончания института и недолгой работы на авиазаводе (именно эта работа, возможно, спасла ему жизнь в дальнейшем), Конрад решил заниматься бизнесом и создать собственный компьютер. Мастерская в родительском доме, финансовая и техническая помощь друзей позволяют приступить к созданию первого механического компьютера.

Первый компьютер изначально назывался «VersuchsModell 1» или просто «V-1», что означало «экспериментальная модель 1», но после Второй Мировой войны сменил название на «Z-1», немецкие ракеты были плохой рекламой для названия компьютеров. На фотографии ниже вы видите тот самый компьютер Z-1 в гостиной семьи Цузе, справа самого Цузе, а слева его друга, Хельмута Шрайера, без которого вся идея могла не выстрелить, но о нём мы вам расскажем чуть позже.

❯ Что такое Z-1, и что он мог?

Если глобально – это механический калькулятор, работающий в двоичной системе счисления. У этого калькулятора был электрический привод с ограниченной программируемостью (он имел ограниченное количество исполняемых инструкций) и возможность считывать инструкции с перфоленты. Его вполне можно называть компьютером: он имел блок управления, устройство ввода-вывода, мог осуществлять вычисления с плавающей запятой. Он умел осуществлять сложные вычислительные действия: умножать (путём повторного сложения) и делить (путём повторного вычитания). Команды вводились с перфокарт и не хранились в самом компьютере. Кроме того, устройство ввода-вывода умело переводить двоичные числа в десятичные и осуществлять обратную операцию.

Объясним, как примерно это работало.

В основе вычислений лежат логические вентили – элементы, которые могут выполнять элементарные логические операции. В компьютере Цузе такими элементами выступили металлические пластинки, которые могли только сдвигаться линейно чисто механически. Для двоичной системы этого достаточно, чтобы записывать любое число. Для вычислений также используются логические вентили. Это тоже металлические пластинки, которые будут отвечать за более сложные логические операции (И; ИЛИ; НЕ). Эти пластинки должны физически отличаться друг от друга, т. к. они должны напрямую физически взаимодействовать.

Колоссальной сложностью обладал механический монтаж этих компонентов, т. к. движение каждой металлической пластинки должно было быть связано с движением другой металлической пластинки, кроме того, для вычислений должны были быть задействованы многие слои таких пластин. Можно однозначно сказать: механическая конструкция этого калькулятора была значительно сложнее, чем его логическая структура.

И представьте: и механическую конструкцию, и логическую структуру придумал и разработал один человек, Конрад Цузе! Этот механизм в итоге весил 500 килограммов, а полностью понимал его работу только сам Конрад. Его друзья, которые помогали и вырезали сотни пластин, суть работы до конца понять не смогли. Эксперимент оказался успешен, этот компьютер правильно посчитал для нескольких человек матрицы 3 на 3.

При этом из-за колоссальной механической сложности аппарат работал достаточно медленно, активно ломался, но смог доказать, что идея автора реализована! Задача создания этого аппарата выполнена!

Новая задача. Что делает исследователь после достижения цели? Правильно, ставит новую цель, берёт новый рубеж!

Так началась история Z-2, новой машины. Там использовалась всё та же механическая память, но за арифметику и логику управления элементами отвечали электромеханические реле. В отличие от предыдущей модели Z-2 использует 16-битную арифметику с фиксированной запятой, Z-1 использовал 22-битную арифметику с плавающей запятой.

Анимация оригинального реле, которое использовалось в Z-3, к сожалению, от Z-2 не сохранилось ничего:

Но Z-2 имел серьёзное практическое значение, в 1940 году он был представлен перед учёными Немецкой авиационной лаборатории в Берлине – Адлерсхофе (крупнейший научно-технический проект, который существует до сих пор). Во время презентации Z-2 прекрасно выполнил свои задачи, и Конрад получил финансирование на создание следующей машины от правительства Германии. Никаких чертежей, частей или фотографий Z-2 не сохранилось, всё было уничтожено во время войны.

Анимация оригинального шагового переключателя, который использовался в Z-3:

И вот тут стреляет, словно Чеховское ружьё, друг Конрада Хельмут Шрайер. Он предлагает заменить реле на электронные лампы и успешно показывает пример того, как это ускорит работу. Возможно, ситуация бы развивалась совершенно иначе, но власти Германии, к которым обратились за финансированием Цузе и Шрайер, отказались выделять колоссальные средства на создание компьютера на лампах, и Z-3 был создан в 1941 году вновь с использованием электромеханических реле. А в 1943 году компьютер ЭНИАК в США показал, что технология ламп действительно эффективна, но просто чудовищно дорога. Вернёмся в Германию. В компьютерах Цузе лампы тоже появятся, но только через несколько десятилетий.

Наступил 1941 год, Конрад Цузе завершил работу над Z-3. В нём использовалось около 2 000 реле, технически это была куда более совершенная машина. Так, тактовая частота была около 5–10 Гц (у первой версии – 1 Гц), плавающая запятая изменена, появилась возможность обработки исключений (минус/плюс бесконечность и неопределённое). Этот компьютер уже использовался на практике: там осуществлялись некоторые практические расчёты. Немецкий научно-исследовательский институт авиации использовал его для статистического анализа флаттера крыла. Флаттер – это специфические колебания крыльев во время полёта самолёта, которые даже могут его разрушить. Подробнее об этом явлении советую почитать тут.

Об этой части работы Цузе информация несколько разнится, встречаются упоминания специальных машин для вычисления измерений крыльев. На фото, если верить интернет-архиву Цузе, специальная модель S1 для измерения крыльев.

И вот именно сейчас стоит сказать пару слов о личности Цузе.

Ниже можно увидеть рабочее удостоверение 1942 года, во время работы учёного на авиационном заводе. Символика на печатях закрыта ввиду современной ситуации с публикацией архивных документов.

Текст над фото — «Фотография владельца или законного представителя следующей компании». Текст под фото — «собственноручная подпись»; Текст под подписью — «Подтверждение того, что владелец удостоверения личности, идентифицированный по изображению выше, сам подписал документ.

Цузе не был членом партии, вместе с тем не сохранилось никаких сведений о его отношении к работе на нацистскую военную структуру, с учётом того, что его изобретения однозначно использовались в авиации и разработке прототипов ракет.

Автор этого текста считает, что стоит внимания его позднее, уже мемуарное воспоминание. Конрад писал, что «в наше время лучшим учёным и инженерам обычно приходится выбирать: или выполнять свою работу ради более или менее сомнительных деловых и военных интересов в рамках «сделки с дьяволом» или вообще не заниматься своей деятельностью». Это свободный перевод цитаты из его книги «Der Computer – Mein Lebenswerk» 1984 года. Эта мысль, как кажется автору текста, отражает общую дилемму учёных двадцатого века, когда изобретения, даже такие мирные, как большой и сложный калькулятор, могут использоваться для уничтожения людей.

В военное время Конрад работал над созданием следующего компьютера, Z-4, и успешно создал его практически в самом конце войны. Конрада и его технику эвакуировали из Берлина незадолго до конца войны, однако, к союзникам техника не попала, как не пошёл работать на союзников и сам учёный.

Технически компьютер Z-4 впечатлял. Память перешла на 32 бита. Появился специальный блок, который перфорировал ленты с программами (что очень сильно упростило программирование и корректировку программ). Появилась возможность использовать квадратный корень, функции МАКС и МИН. Использовались сменные перфоленты с программами и подпрограммами.

Сделаем небольшое отступление и познакомимся с женщиной, которая за Z-4 работала.

Сохранились уникальные воспоминания первой немецкой женщины-программиста, Урсулы Уолк, которая работала на Конрада Цузе в послевоенное время, про его личность и некоторые аспекты работы.

В 1948 году, когда Урсула, имея серьёзный технический опыт, работала на уборке территории (жизнь в послевоенной Германии тоже такой себе сахар), к ней подошёл сотрудник фирмы Цузе и предложил работу непосредственно за Z-4. При этом он предоставлял медицинскую страховку и небольшую зарплату*.

*Примечание от автора текста. В послевоенной Германии была карточная система, которую отменили в ГДР с 1948 года, а в ФРГ – с 1950-го. Сам факт наличия зарплаты от частной фирмы был однозначным плюсом, как и возможность заниматься в соответствии со своей квалификацией, а не уборкой территории.

Урсула вспоминала, что компьютер стоял в подвале склада муки деревенского пекаря. Условия труда в этом подвале были довольно… временными. Проточной воды не было, и сотрудникам пришлось пользоваться туалетом в соседнем ресторане. Было только одно окно, освещение исключительно электрическое. Местные жители считали компьютер «странной машиной», однако, Цузе смог добиться их расположения и уважения от местных, когда выиграл пари. Пари простое: кто быстрее рассчитает счёт за молоко — молочная ферма или Цузе и его компьютер? Цузе победил.

Сама Урсула выполняла простую работу: она вводила числа в калькулятор и производила их вычисления в соответствии с программой, кроме того, заполняла и чертила документацию самого Z-4, печатала диссертацию Конрада Цузе и отправляла её в университет для защиты. Защита не состоялась, т. к. Цузе не отправил 400 марок, работу просто не приняли в рассмотрение, о чём, если верить Урсуле, Цузе не переживал и периодически на эту тему шутил.

Вернёмся к истории нашего героя.

Компьютер Z-4 был полностью закончен в 1945 году и вывезен из Берлина. В 1946 году Цузе создаёт фирму, которая будет заниматься продажей компьютеров, но коммерческая жилка громко заговорила в 1949 году. Цузе встречает Эдуарда Штифеля, швейцарского математика, который только что вернулся из США, познакомившись с достижениями американской компьютерной техники. Он решил испытать Цузе и его Z-4 дифференциальным уравнением, программу для решения которого Цузе написал в его присутствии. Демонстрация была впечатляющая, и уже в следующему году Штифель покупает у Цузе его компьютер (сделанный на деньги вермахта, но принадлежащий фирме Цузе) для Швейцарского федерального технологического института Цюриха, где работал Штифель.

Наконец-то компьютер Цузе начал выполнять задачи мирного времени. Его купили специально для расчётов строительства плотины Клезон-Диксенс в Швейцарии. В ближайшие два года это будет единственный коммерческий (!) работающий компьютер в континентальной Европе, да и в целом второй работающий компьютер в мире. Он проиграет только американскому компьютеру BINAC, но тот на практике свои задачи и не выполнял, так что Z-4, с некоторой натяжкой, может считаться первым настоящим коммерческим компьютером. В 1954 году Z-4 снова был продан, в этот раз Франко-германскому исследовательскому институту во Франции, где активно работал до 1959 года, пока попросту не устарел. Сегодня оригинал этого компьютера – музейный экспонат, который находится в Немецком музее Мюнхена (Deutsches Museum von Meisterwerken der Naturwissenschaft und Technik).

Бизнес процветал, за Z-4 пошла целая серия компьютеров. На компьютере Z-22 впервые использовались электронные лампы (а ведь эту идею Цузе предложил ещё в 1938 году), а уже Z-23 перешёл на транзисторы, на которых и создавались все остальные компьютеры. Компьютеры продолжали производиться до 1960-х гг., и только тогда Zuse KG (так называлась фирма к этому периоду) просто проиграла конкурентную борьбу. В 1962 году фирма была продана компании Brown, Boveri & Cie., а затем компании Siemens, которая и остановила производство компьютеров серии «Zuse» к концу 1960-х гг. При этом сам Конрад Цузе в фирме остался в должности научного консультанта и не прекращал заниматься наукой до конца своей жизни.

❯ Plankalkül — первый высокоуровневый язык программирования

Наш герой не только «герой» железа, но и создатель первого высокоуровневого языка программирования. Про это нужно рассказывать отдельно, уже когда вы будете знакомы с его железом. Возможно, вы скажете, что первый язык — это FORTRAN, но он первый широко известный и практически применимый. Фортран создавался с 1953 года, а Plankalkül был создан Конрадом Цузе лично ещё в 1942 году (работа над языком продолжалась до 1945 г. и далее), непосредственно во время войны, но… это был теоретический язык.

Сам Конрад не верил, что его язык действительно найдёт применение на практике:

Plankalkül родился исключительно как результат теоретической работы, без всякой связи с тем, появятся или нет в обозримом будущем машины, подходящие к программам на Plankalkül».
Слишком он опережал своё время, да и уровень международного сотрудничества в 1942 году для гражданина Германии был… не самый располагающий к распространению языков программирования.

Само название языка Plankalkül – это два слова немецкого языка со значением «план» и «исчисление». Этот язык был планом счислений для вычислительной системы Z-4. Именно при создании языка Конрад чётко выделил в работе своего устройства аппаратное и программное обеспечение, поставив между ними черту.

Гений Цузе заключался в том, что его язык не был привязан к конкретной вычислительной машине, её архитектуре или набору команд. Это был первый в мире символический язык, привычного понятия «алгоритмичный язык» ещё просто не существовало. В сам язык он ввёл понятие «объект», который мог быть «примитивным», основанным на двоичных числах разной длины, или «составным», т. е. включать структуры, рекурсивно определяемые массивы произвольной размерности и т. д. В этом языке появилась возможность записывать сложные синтаксические конструкции, и, соответственно, осуществлять сложные задачи. Для решения сложных задач Конрад разработал собственный синтаксис. Была реализована возможность работы с массивами и подмассивами, а также использование подпрограмм. Подробнее для специалистов в области программирования советую научную статью про данный язык по QR-коду выше или по первой ссылке из пункта литературы. Мы же продолжим информировать «рядового» читателя.

Конрад Цузе в 1957 году очень красиво и образно выразился о своём языке, что желает, чтобы он «спустя время вернулся к жизни, словно спящая красавица», и оказался прав. Его язык ожил, когда в 2000 году, уже после смерти учёного, написали интерпретатор для языка (на Хабре есть подробный рассказ про интерпретатор) и на практике испробовали его.

Язык не получил распространения и известности в первую очередь из-за того, что руководство по языку было опубликовано только в 1972 году, он просто оставался неизвестным для учёных всего мира. Без сомнений, коммерческая деятельность Конрада оказала на это своё влияние, если он на диссертацию «компьютерную мышь» положил, что ему мешало также положить и на публикацию «теоретического» языка?

Этот язык мог «перевернуть» всю современную ему информатику, ведь пока нигде не были представлены условные конструкции, циклы, массивы, возможность описывать и вызывать подпрограммы, но условия, в которых этот язык был создан, не позволили ему стать всемирно известным, к моменту публикации документации язык уже сильно устарел. Устарел безнадёжно.

Жизнь Конрада Цузе не была простой. Он в одиночку выиграл технологическую гонку у огромных корпораций и групп учёных, однако ни он сам, ни другие учёные об этой гонке не знали. Невероятная тяга к прогрессу, к облегчению монотонного труда позволила создать компьютер, обогнавший своё время. Позже, когда достижения Цузе были признаны европейской научной общественностью, учёные с печалью говорили: «Узнай о них весь мир в своё время, прогресс мог бы сделать несколько шагов намного быстрее». Учёный получил множество почётных степеней, развивал ряд идей теоретического понимания Вселенной, но в итоге наглядно показал, что в современном мире один человек, даже самый гениальный, больше не может соревноваться с целыми научными институтами. Однако чуть больше восьмидесяти лет назад один человек всё ещё мог на равных соревноваться с системой.

Список литературы и источников по теме:

• Raúl Rojas — «Konrad Zuse’s Legacy: The Architecture of the Z1 and Z3», IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 19, No. 2, 1997 (переведена на русский);

• Казакова, И. А. Plankalkül — первый высокоуровневый язык программирования / И. А. Казакова // Прикладная информатика. – 2012. – № 5(41). – С. 128-131;

• Козырев, А. Н. Параллели — Анатолий Китов и Конрад Цузе / А. Н. Козырев // Цифровая экономика. – 2020. – № 3(11). – С. 60-72. – DOI 10.34706/DE-2020-03-07;

• zuse.zib.de — интернет-архив Конрада Цузе;

• Гаков, В. Несумрачный немецкий гений / В. Гаков // Системный администратор. – 2014. – № 10(143). – С. 88-91;

• Дополнительная информация о патентной деятельности Цузе (на немецком языке), которая в пост просто не поместилась — www.dpma.de/dpma/veroeffentlichungen/meilensteine/computer-pioniere/zuse/index.html;

• ИСТОРИЯ КОМПЬЮТЕРА. Роли Конрада Цузе и Джона фон Неймана. (Статья на немецком языке). Некоторый интерес вызывают цитата сына Конрада Цузе и сопровождающие изображения — www.ardalpha.de/wissen/geschichte/historische-persoenlichkeiten/konrad-zuse-computer-rechner-erfinder-102.html.

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

Автор текста: the_bat

Привет, Пикабу!

Хоть название и громкое, но тут почти нет преувеличения. Моя разработка не предполагает ежедневного использования и сделана больше просто ради забавы, но тем не менее она довольно интересная. Владимир Анискин из Новосибирска, например, создал книгу на лавсановой пленке размерами 70х90 мкм, а почему бы и нет? На занесение в книгу рекордов Гиннеса я не претендую, но, если Вы остались заинтересованы, заходите под кат. Не хотел делить статью на части, так что наберитесь терпения.

Идея создания маленькой книги на электронных чернилах родилась уже довольно давно. Для этого даже был приобретен прямоугольный e-ink дисплей 2,13”, но по незнанию заказал версию, которая не поддерживала частичного обновления экрана. Смена страниц происходит только через полное стирание, а это занимает много времени и выглядит некрасиво. Поделка была заброшена на долгое время, но как-то на глаза попался мне дисплей 1,54” (200х200 pix), и я вновь загорелся этой идеей. После недолгих раздумий был заказан уже нужный дисплей. Пока посылка шла положенные три недели я решил сделать макетную плату и запустить старый дисплей, сил терпеть больше не было.

На плате не обошлось без ошибок. Я неверно выбрал ножки SPI для дисплея и чуть-чуть ошибся со схемой подключения CP2102 в режиме автоматического программирования. Несколько перерезанных дорожек и три проводка решили почти все мои проблемы.

Почему именно ESP32.
Во-первых, есть возможность закидывать файлы через Wi-Fi. Во-вторых, для этого модуля есть множество примеров скетчей, в том числе и для работы с e-ink. Также у меня есть одна не реализованная идея, которая потребует наличия беспроводной связи, но об этом не в этой статье (интрига). На самом деле я долго метался между микроконтроллером и модулем, но последний все-таки победил.

Немного по схемотехнике. Так как на момент написания статьи у меня уже была готова схема и pcb новой платы, я буду ориентироваться на нее. Схему включения/выключения книги я реализовал на CD4013.

Ток потребления микросхемы в состоянии покоя порядка микроампера, что меня вполне устраивает. IO4 от ESP32 позволит программно выключать устройство, например, при долгом бездействии. U/D – кнопки для перелистывания страниц. Сигнал OUT_KEY включает общее питание, что видно на следующем куске схемы.

Тут все просто. Питанием управляет CD4013 через полевик, до этого устройство выключено. Сигнал ADC_EN от ESP32 подает напряжение для измерения заряда аккумулятора. Сам зарядник LTC4054. Может стоило поставить что-то более навороченное с измерением заряда и шиной I2C, типа BQ25895, но как уж есть. Вместо LDO (как было на прототипе) для питания и использовал DC/DC. Нога CHARGE нужна для отслеживания окончания зарядки.

Так как используемые мной дисплеи pin-to-pin, схемотехника одна и та же. Все внутренние питания формируются из основного источника 3,3В.

Из таблицы на схеме видно, что можно подключить различные дисплеи. DIP переключатель я убрал и оставил резисторы. Сделано это ради экономии места, так как в данном проекте габариты решают. По этой же причине я не стал ставить SD карту. Памяти для хранения одной книги в txt должно хватить на внутренней SPIFlash.

Аккумулятор буду использовать LiPo 582728 3.7В 400 мАч. Этого достаточно и для недолгой работы в режиме Wi-Fi (проверено), но в крайнем случае, есть разъем microUSB. Из интересного по схемотехнике, пожалуй, все.

После того, как я латиницей вывел свой ник на дисплее, решил попробовать кириллицу. Библиотеки для работы с e-ink использовались «E-Paper_code» — так их можно найти на github. И да, там нет русских букв. Мои руки уже практически опустились. Отдельная благодарность Алексею a3x за помощь в подсчете offset букв (и не только в этом) в таблице ASCII, для правильной интерпретации.

if (char_offset > 1140) char_offset -= 780; // функция DrawCharAt в epdpaint.h

Для отрисовки русских букв нужно две вещи. Первое – это конвертер utf8rus (как пример). И тут все понятно, идем снова на github и находим скетч. Второе – нарисовать буквы в библиотеке. Здесь немного сложнее. В примере есть несколько размеров шрифтов: 8, 12, 16, 20, 24. Шрифт 8 имеет размеры 8х5 pix. Есть один существенный плюс – это 25 строк на странице. Смотрится шикарно, но читать почти невозможно. Шрифт 12 думаю будет самое то. Максимальная высота 10 pix. На дисплее можно отобразить 15 строк по 28 символов.

Какие мог буквы я перенес из английского алфавита (я понимаю, что похожие разноязычные буквы отличаются, как например «К» и «K»). Дальше просто пытался рисовать, но буквы оказывались кривыми и нечитаемыми. Решил воспользоваться программой «GLCD Font Creator». Дело пошло быстрее.

Программа позволяет сконвертировать шрифт в нужное количество точек. Так как для соседних строк нужен отступ библиотека работает с 12 пикселями высоты (12 шрифт). Многие буквы подрезались, некоторые стали нечитаемы, но исправить это куда проще, чем рисовать с нуля. В какой-то момент я еще вспомнил что букв в два раза больше, чем ожидалось (заглавные и строчные). Программа позволяет выгрузить шрифт в массив, но мне он не подошел по структуре. Писать преобразование одного массива в другой я был не готов морально. Пришлось преобразовать все в калькуляторе – то еще занятие. При корректировке нужно не забывать оставлять не менее 1 пикселя справа/слева, чтобы буквы не слипались в тексте. В коде буква выглядит примерно так:

// @ 'ф' (7 pixels wide)
0x00, //
0x00, //
0x38, // ###
0x10, // #
0x7C, // #####
0x92, // # # #
0x92, // # # #
0x7C, // #####
0x10, // #
0x38, // ###
0x00, //
0x00, //

Не скажу, что все буквы идеальны, но вполне читаемы. Если кому-то понадобится библиотека, могу поделиться. После того, как все буквы готовы пробуем вывести на новый дисплей.

Это самый первый вариант, и я его дорабатывал. Для чего вообще я рисовал заглавные твердый и мягкий знаки? Хотя … оказывается есть, например, слово «Ьмх» — это название советского локомотива. Ну и, конечно, можно будет почитать книги на болгарском языке, там есть слова, начинающиеся на «Ъ».

Используя скетч «ESP32_SPIFFS_test» я научился на SPIFlash класть текстовый файл книги. Когда я в первый раз вывел текст, я был огорчен. Как и следовало ожидать, все слова «рвались» на границе экрана. Пока я не сделал нормального форматирования текста пришлось воспользоваться online сервисом.

Помимо переносов по словам, тут есть выравнивание текста по ширине. Результат превосходен! Но и тут появилась новая проблема. Для переноса текста используется символы «CR»«LF». Мой недокод умеет искать только «\n» = «LF». Пришлось находу вычислять offset «CR» и заменять его на пробел, в противном случае на каждой строке справа появлялся символ в виде мусора. Это костыль, но рабочий.

Тут еще некоторые буквы кривые и слипаются. Также в тексте много ошибок в виде пропущенных букв и лишних пробелов в середине слова. Мне нравится читать электронную книгу, у меня для этого есть полноценная версия, но вот ошибки в тексте раздражают.

Ниже функция вывода страницы текста из файла на экран. Строго не судите – пишу код как могу.

void DrawPage(int page) {
if (!SPIFFS.begin(true)) {
Serial.println("An Error has occurred while mounting SPIFFS");
return;
}
if(EEPROM.read(3) == 0) {
file = SPIFFS.open("/book.txt", "r");
if (!file) {
Serial.println("Failed to open file for reading");
return;
}
char temp_qs[56];
while (file.available()) {
file.readBytesUntil('\n', temp_qs, sizeof(temp_qs));
Quantity_string++;
}
Quantity_page = (Quantity_string / 15);
if(Quantity_page > 255) {
EEPROM.write(2, Quantity_page/100);
EEPROM.write(3, Quantity_page%100);
} else {
EEPROM.write(2, 0);
EEPROM.write(3, Quantity_page);
}
EEPROM.commit();
file.close();
Serial.println(Quantity_page);
} else {
Quantity_page = (EEPROM.read(2)*100)+EEPROM.read(3);
Serial.println(Quantity_page);
}
file = SPIFFS.open("/book.txt", "r");
if (!file) {
Serial.println("Failed to open file for reading");
return;
}
if (Quantity_page == 0) {
paint.SetWidth(200);
paint.SetHeight(24);
paint.Clear(UNCOLORED);
paint.DrawStringAt(2, 2, utf8rus("Файл пустой...").c_str(), &Font12, COLORED);
epd.SetFrameMemoryPartial(paint.GetImage(), 50, 20, paint.GetWidth(), paint.GetHeight());
epd.DisplayPartFrame();
} else {
Serial.print("Page number:");
Serial.println(page);
Serial.println("File Content:");
for (int i = 0; i < page * 15; i++) {
int l = file.readBytesUntil('\n', one_string, sizeof(one_string));
}
paint.SetWidth(200);
paint.SetHeight(36);
//PAGE NUMBER
paint.Clear(UNCOLORED);
paint.DrawStringAt(2, 2, utf8rus(String(page_count + 1)).c_str(), &Font12, COLORED);
paint.DrawStringAt(30, 2, utf8rus("из").c_str(), &Font12, COLORED);
paint.DrawStringAt(52, 2, utf8rus(String(Quantity_page + 1)).c_str(), &Font12, COLORED);
paint.DrawRectangle(167, 5, 194, 15, COLORED);
paint.DrawStringAt(168, 5, "'''''", &Font8, COLORED);
epd.SetFrameMemoryPartial(paint.GetImage(), 2, 183, paint.GetWidth(), paint.GetHeight());
//PAGE
int k_line = 2;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
paint.Clear(UNCOLORED);
for (int s = 0; s < 3; s++) {
int l = file.readBytesUntil('\n', one_string, sizeof(one_string));
one_string[l] = 0;
//Serial.println(one_string);
paint.DrawStringAt(0, s * 12, utf8rus(one_string).c_str(), &Font12, COLORED);
}
epd.SetFrameMemoryPartial(paint.GetImage(), 2, k_line, paint.GetWidth(), paint.GetHeight());
k_line += 36;
}
file.close();
page_count++;
}
}

Тут идет чтение текстового файла из памяти ESP32. В переменную «page» я передаю номер страницы из (псевдо) EEPROM – это типа закладки. Для сдвига указателя в файле, сделан первый цикл for. Над этим еще нужно поработать.

Далее я решил формировать нижнюю строку для вывода количества прочитанных страниц из общего количества. Для отображения заряда аккумулятора у меня пока заглушка, нарисованная в 8 шрифте (чтобы не было пересечения при выводе) в рамке. То есть для вывода текста остается 15 строк. Следом формируется сама страница. Тут нужно отдельное пояснение.

int k_line = 2;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
paint.Clear(UNCOLORED);
for (int s = 0; s < 3; s++) {
int l = file.readBytesUntil('\n', one_string, sizeof(one_string));
one_string[l] = 0;
//Serial.println(one_string);
paint.DrawStringAt(0, s * 12, utf8rus(one_string).c_str(), &Font12, COLORED);
}
epd.SetFrameMemoryPartial(paint.GetImage(), 2, k_line, paint.GetWidth(), paint.GetHeight());
k_line += 36;
}
file.close();
page_count++;

Как я писал ранее – этот дисплей поддерживает частичное обновление фреймами. Максимальный размер фрейма в памяти 8192 pix. Заполнение одного фрейма занимает порядка 0,8 с. Сначала я сделал построчно и это занимало около 15 с. После некоторых расчетов стало понятно, что формировать можно по 3 строки за раз: 200х36=7200 (каждая строка 200х12). Тогда это займет порядка 5 с – это намного лучше (4 на текст и 1 на строку состояния). Поэтому внутренним циклом формируются три строки, а внешним вся страница. Здесь нет функции «epd.DisplayPartFrame()» (вывод на дисплей) не случайно. После включения книги пользователь видит последнюю читаемую страницу (ее я стартую в «void setup()»), а я тем временем готовлю следующую (над процессом чтения предыдущей страницы еще нужно подумать).

void loop()
{
if (((digitalRead(KEY_UP) == LOW) && (page_count <= Quantity_page + 2))) {
Quantity_page = (EEPROM.read(2)*100)+EEPROM.read(3);
//SAVE PAGE
Serial.println(page_count);
if(page_count > 255) {
EEPROM.write(0, page_count/100);
EEPROM.write(1, page_count%100);
} else {
EEPROM.write(0, 0);
EEPROM.write(1, page_count);
}
EEPROM.commit();
//LOAD PAGE
epd.DisplayPartFrame();
//PRELOAD NEXT PAGE
DrawPage(page_count);
delay(50);
//LIGHT SLEEP
esp_light_sleep_start();
}
}

В результате этого получается, что пока мы наслаждаемся лого загрузки и чтением первой страницы (5 с + 5 с) у меня готова следующая. По нажатию кнопки я моментально делаю вывод и начинаю формирование следующей, которая готова через ~5 с. Запись закладки в один и тот же адрес EEPROM ни к чему хорошему не приведет, но 10000 страниц я прочитаю. Вопрос в том, сколько страниц я успею прочитать на аккумуляторе 400 мАч. Без режима сна все-таки не обойтись, но это оказалось просто. Добавляем в конец «void setup()» и по нажатию кнопки функцию «esp_light_sleep_start()». Для пробуждения прописываем RTC_GPIO «esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_14, 0)». Итого: в момент «перелистывания» страницы потребление около 38 мА, дальше 5,0 мА. При выключении кнопкой мой мультиметр (UNI-T UT70A) показывает 0 в режиме измерения мкА (думаю, что врет).

На плате добавился еще один проводок для кнопки. Оказывается, не все пины на ESP32 можно задействовать как GPIO.

Пока я «писал код» в производстве была вторая итерация платы. Габариты получились 40х57мм.

Я особо не старался уменьшить размеры, так как решающую роль тут играет аккумулятор и сам модуль ESP32. Также, чем меньше будут габариты, тем нелепее буде выглядеть толщина устройства (аккумулятор 5,8мм). Я широким жестом удалил индикационные светодиоды (осталась только индикация процесса/окончания зарядки), хотя место для них есть, а для отладки они бы пригодились.

Из нереализованного:

1. Переделать запись в EEPROM.

2. Реализовать отправку книги по Wi-Fi.

3. Сделать перелистывание страницы назад.

4. Отслеживать и выводить заряд аккумулятора.

5. Поддержка epub.

6. Научиться писать код.

Не люблю использовать видео в статье, но тут без него не обойтись. Оно наиболее полно отображает работу устройства.

В целом поделкой я остался доволен. Практическое применение, конечно, минимально, но, как говориться, опыт бесценен, а также присутствует моральное удовлетворение. Думаю, я найду в себе силы прочитать пару книг на моем устройстве.

P. S.: Первая книга саги «Ведьмак» занимает 1654 страницы (24810 строк).

Чтение – к мудрости движение.
Спасибо за внимание и успехов!

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

Автор текста: smart_alex

Эта статья посвящена разбору решений по запитке 3,3-вольтовых контроллеров (и их периферии) от литиевых аккумуляторов, напряжение которых меняется в процессе работы от 4,2 В до 3 В и даже ниже, в случае глубокого разряда.

Получить стабильные 3,3 В в этом случае не так-то просто и, кроме этого, задача питания подобной аппаратуры от аккумуляторов выдвигает множество специфических требований, удовлетворить которые тоже непростая задача.

Обо всём этом мы и поговорим далее (решение есть!).

❯ Постановка задачи

Для начала давайте определим требования, которым должно удовлетворять подобное решение. Требования довольно противоречивые, поэтому их трудно учесть в каком-то одном решении (но компании Texas Instruments, похоже, удалось это сделать).

Стабильное напряжение 3,3 В при колебании входного от 4,2 до 3 В (и даже до 2,5 В). Основная сложность тут состоит в том, что входное напряжение может быть как больше, так и меньше выходного и типовые решения UP или DOWN конвертеров не подходят, нужен BUCK-BOOST конвертер.

Энергоэффективность. Поскольку речь идёт о питании от аккумулятора, то решение должно быть энергоэффективным, то есть КПД должен быть более 90% (допускается небольшая просадка в некоторых режимах).

Низкий ток покоя (холостого хода). Конвертер должен обеспечивать низкий ток собственного потребления при отсутствии нагрузки. На мой взгляд, приемлемыми можно считать значения до 50 мкА (судя по даташиту на серию TPS63xxx, инженеры TI тут со мной полностью согласны).

Приличная нагрузочная способность. Конвертер должен обеспечивать приличный ток нагрузки. Мои требования — максимальный ток до 300-400 мА, решения TI обеспечивают токи до 1-3 А.

Это основные требования, кроме них есть ещё множество специфических, наподобие уровня шумов в выходном сигнале, возможность отключения конвертера программным путём, индикация режимов работы и т. п.

❯ Сценарии работы

Меня лично интересуют два сценария работы подобной аппаратуры (у вас могут быть свои требования) и именно по отношению к этим двум сценариям я и буду рассматривать решения TI.

1. Микропотребляющая нода. Это может быть беспроводной датчик, который в основном режиме сна потребляет 5-10 мкА и периодически выходит в эфир, (очень) кратковременно поднимая потребление до 100 мА (например, ATmega328 + nRF24/LoRa). Для этого сценария определяющим является низкий ток покоя конвертера.

2. Функциональная нода. Это может быть модуль ESP8266/ESP32 с передачей данных по Wi-Fi и какими-то дополнительными функциями, или датчик/актуатор, периферия которого может потреблять значительный ток. Здесь на первый план выходит сочетание низкого тока покоя конвертера с его возможностью беспроблемно обеспечивать большой выходной ток в моменты активации периферии (или работы по Wi-Fi).

(Вообще, на этом принципе можно делать какие-то переносные девайсы, наподобие дозиметров или подобного, но эта тема меня пока не особо интересует.)

❯ Серия TPS63xxx

Вообще, существует множество вариантов решения этой проблемы от различных компаний, работающих на различных принципах: UP+DOWN, SEPIC, различные варианты BUCK-BOOST и т. д. В этом смысле серия TPS63xxx от Texas Instruments — это всего лишь один из доступных на рынке вариантов. Возможно не лучший, но после тестирования и практических экспериментов, искать что-то лучшее я не вижу особого смысла — всё, что мне надо там отлично работает.

С практической точки зрения, можно купить сами чипы и развести под них специальные платы (для конечных устройств так и нужно сделать), но для экспериментов и DIY устройств можно сэкономить время и силы и воспользоваться готовыми модулями, которые уже давно разработали и продают наши китайские друзья.

(По принципу: если ты что-то изобрёл, не спеши радоваться — зайди на Али — китайцы это уже придумали, сделали и давно продают.)

На Алиэкспресс доступны модули на основе чипов TPS63000, TPS63020, TPS63030, TPS63070, TPS63802, которые китайцы именуют либо по названию чипа, либо с приставкой «XL»:

XL63000
XL63020
XL63030
XL63070
TPS63802

Это всё вариации на одну тему, с некоторыми различиями как в свойствах микросхем TI, так и в свойствах самих модулей (где-то отдельно выведены контакты включения/выключения чипа, изменения режимов работы, качества выходного напряжения и т. д., а где-то — нет).

Пожалуй, из всего этого стройного ряда выделяется только вариант TPS63070 с входным напряжением до 16 В и напряжением старта 3 В — это может пригодиться в каких-то специфических случаях. Остальные отлично подходят для моих (наших) целей. Для моих уж точно — я не планирую нагружать аккумулятор более, чем на 300-400 мА, даже кратковременно, а ток покоя 50 мкА меня тоже, в принципе, устраивает.

Самым интересным тут выглядит вариант TPS63802 с его 11 мкА тока покоя — насколько грамотно это удалось воплотить китайцам в реальном модуле мы и посмотрим далее.

❯ Модуль TPS63802

Вообще, все эти модули производят неоднозначное впечатление — они сделаны (как бы) в одном дизайне, но при этом имеют разные габариты и разный набор выведенных пинов. То ли разработчики склонны к экспериментированию, то ли эти модули делают разные компании и похожи они только внешне.

Сходу можно сказать, что в реализации модуля TPS63802 допущены как минимум пять косяков:

1. Несовместимость с макетными платами. Прочие модули XL63xxx нормально вставляются в макетные платы, а в TPS63802 приходится НЕ распаивать по одному пину на площадках (чтобы можно было вставить в макетную плату).

2. Отсутствует пин EN. В модуле TPS63802 не выведен пин EN управления его включением/выключением. Для меня это не проблема — я вообще не очень представляю сценарий, когда с контроллеру нужно совершать суицид и самому себе отрубать питание. Но кому-то это может понадобиться.

3. Дорожка EN под микросхемой. Если вы захотите самостоятельно управлять включением TPS63802, то просто так вам не удастся это сделать — придётся отпаять микросхему и уже под ней перерезать дорожку, замыкающую EN на VCC.

4. Светодиод индикации питания. Воистину, дизайн модуля делала ключница — на модуле с 11 мкА тока покоя залудить светодиод индикации питания (!). Это нужно быть совсем «не алё» и похоже, что разработчик вообще был не очень в курсе, что он разрабатывает.

5. Резистор 3К на землю. Светодиода китайскому затейнику показалось мало и он добавил ещё резистор 3К на землю, который постоянно сливает энергию аккумулятора.

Всё это неприятные, но несущественные недостатки — при помощи паяльника и прямых рук решаются за несколько минут. За исключением перемычки под микросхемой — чтобы провернуть такую операцию, — нужно иметь хорошую квалификацию в пайке, острый взгляд, твёрдую руку и стальные нервы (смайл). Благо мне лично пин управления включением не нужен.

Итак, удаляем светодиод и резистор (можно выпаять, а можно и выломать — кому как удобнее), замыкаем перемычку PS (Power Saving, те самые вожделенные 11 мкА без нагрузки) и приступаем к практическому тестированию. Теория теорией, но кто знает что там китайские товарищи напаяли?

❯ Ток покоя (холостого хода, без нагрузки)

С током покоя всё просто: замеряем выходное напряжение без нагрузки, которое ожидаемо оказывается 3,32 В и потребляемый модулем ток, который оказывается 35 мкА (по тестеру UNI-T UT61E+). Это конечно не 11 мкА микросхемы TPS63802 из даташита, но довольно неплохо и более чем приемлемо для наших (моих) целей.

Почему 35, а не 11 мкА? Скорее всего лишнюю утечку дают дополнительные элементы на плате, плюс возможна какая-то погрешность при измерении моим тестером (интересно, а сам чип оригинальный?). Но в целом можно сказать, что этот тест модуль прошёл успешно — 35 мкА это не феноменальный, но более, чем приемлемый результат.

❯ Нагрузочный тест

Теперь посмотрим как модуль справляется со своей основной задачей — поддержанием стабильного выходного напряжения при различных нагрузках и с какой эффективностью он это делает.

Сделаем замеры и построим графики зависимости выходного напряжения и эффективности преобразования в зависимости от тока нагрузки. Тестировать я буду на наиболее востребованном и наиболее интересном мне диапазоне токов от 0 до 0,5 A.

А сами серии тестов проведём для (наиболее актуальных и информативных с точки зрения работы с литиевыми аккумуляторами) диапазонов 4,2/3,6/3,0 вольт входного напряжения.

Нагружаем модуль и проводим замеры входных и выходных напряжений и токов и вычисляем реальную эффективность преобразования.

По численному представлению информации трудно понять как ведёт себя модуль. Для наглядности сведём все эти данные и построим график зависимости выходного напряжения модуля TPS63802 от нагрузки при различных уровнях входного напряжения (характерных для литиевых аккумуляторов).

Из этого графика можно сделать вывод, что модулю вообще без разницы какое напряжение у него на входе — графики линий для 4,2/3,6/3,0 В практически слились в одну. Причём для 4,2 и 3,6 В модуль работает как понижающий, а для 3,0 — как повышающий. Это хорошо, но хуже то, что линия имеет явный наклон и пересекает «психологическую» черту в 3,0 В где-то в районе 500 мА нагрузки и уходит в «маргинальную» область напряжений менее 3 В.

Кстати, TI по какой-то причине не указывает в своих даташитах на серию TPS63xxx графики зависимости выходного напряжения от выходных токов, одни из самых важных, на мой взгляд (стесняется?).

Единственный подобный график от производителя, который мне удалось раскопать — это график для модели TPS63031 и он существенно отличается от полученного мной в реальности.

Чего стесняется TI и почему угол наклона в реальности значительно больше «теоретического» я сказать не могу — возможно дело в методике измерений и используемых инструментах, возможно дело в схемотехнике модуля TPS63802, а возможно в модуле стоит китайский клон TPS63802. И совсем крамольная мысль: поскольку в официальном даташите на TPS63802 нет этого графика — то может он такой кривой и должен быть? (смайл)

Но в любом случае, поскольку лично меня интересуют интервалы от нуля до 400 мА нагрузки при выходном напряжении от 3,3 до 3,0 вольт, то лично меня этот модуль устраивает, а тем, кому нужно больше, можно поглубже покопать эту тему (и сообщить нам о результатах своих изысканий).

Эффективность

Ок, теперь переходим к анализу энергоэффективности модуля TPS63802. Для начала график от производителя, видимо полученный на рефренсном дизайне платы, с рефренсной обвязкой чипа TPS63802, измеренный на рефренсной измерительной аппаратуре инженером TI высшей квалификации.

График из даташита — одно загляденье, но в реальности я наблюдаю несколько иную картину: с ростом нагрузки эффективность падает, но в заветном диапазоне 0-300 мА всё ещё «телепается» в районе более-менее приличных 80%. Причём тут уже видно расслоение графиков в зависимости от входного напряжения — чем ниже входное напряжение тем «труднее» модулю работать и тем меньшую эффективность он демонстрирует.

Аберрации и аномалии в районе нуля — это следствие погрешности измерений. Кстати, в процессе работы с модулем TPS63802 я заметил ещё одну его неприятную особенность: он демонстрирует своего рода «нереентерабельность» — в зависимости от внешних воздействий может впадать в некие устойчивые состояния, которые не нормализуются без полного его обесточивания и ожидания разрядки подключённых ёмкостей — это может сыграть злую шутку, например, когда выходной ток кратковременно превысит допустимый предел, а после этого модуль уже не восстановит нормальную работу. Этот момент нужно учитывать при проектировании устройств на модуле TPS63802 (а возможно и на чипе TPS63802).

❯ Уровень шумов

Уровень шумов в выходном напряжении — это тоже важный параметр, поэтому проведём замеры его в разных режимах работы модуля. Без нагрузки модуль выдаёт шумы в виде пилы амплитудой около 40 мВ. Не сказать, что мало, но и не сказать, что уж очень много.

При добавлении выходного электролитического конденсатора положение значительно улучшается и основная масса шумов укладывается в 20 мВ (с небольшими всплесками до 30 мВ).

Под нагрузкой пульсации возрастают аж до 90 мВ, что явно многовато (хотя на практике, я протестировал, — контроллеры работают с таким питанием без проблем).

Добавление электролитического конденсатора на выход модуля снижает уровень шумов до более-менее приемлемых 40 мВ (если при уровне шумов 90 мВ всё работает нормально, то при 40 мВ уж подавно проблем не будет).

Из этого можно сделать вывод, что и по этому параметру модуль TPS63802 проходит тест, рекомендуется только добавить конденсатор на его выход.

❯ Итого

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что модуль TPS63802, несмотря на некоторые недостатки, вполне подходит для создания энергоэффективных устройств на микроконтроллерах, работающих от литиевых аккумуляторов. Это могут быть беспроводные датчики, устройства на ESP8266/ESP32, а также различные носимые девайсы, наподобие дозиметров и прочего подобного.

Мне лично модуль понравился — он (легко и просто) закрывает целый пласт проблем по питанию от литиевых аккумуляторов. Но совершенство недостижимо и если вы знаете лучшие решения — делитесь ими в комментах — это всем будет полезно.

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.