Introduction to Rapid Prototyping: Internet of Things

Internet of Things, or IoT for short, is one of the new big trends in technology, in brief, it is about making everything and anything connected to the cyberspace of the internet, so you can access your home via your smartphone, or make your car talk to you or to other cars, from the smallest temperature sensor on top of your house to the biggest data centers and servers everywhere are going to be connected, though the matter of data security is still in debate but undoubtedly IoT will help to improve many services.

In this article, we will continue the discussion about different platforms for low-cost rapid prototyping, but we will be more specific and target only platforms suitable for IoT applications, compare them from price and technical perspectives. Mainly an IoT platform needs two features:

-        Internet connectivity, the platform must be equipped with some sort of a connectivity interface to the internet via a wired Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth or at least with a USB that is connected to PC or a modem to connect it to the internet or any other sort of networks.

-         Web service: an IoT platform in most cases is required to have an onboard web server, not necessarily an advanced one; in many cases just a light weight web server is more than enough to communicate the data to other peers/terminals.

First let’s start with most common low-cost development kits that support network/internet connectivity via Ethernet and Wi-Fi, though they are quite handy for controls applications, compact form factor applications, home appliances and others but requires a lot of work on the low-level programming side, hardware wiring and packaging:  

-        Arduino YÚN: 66.36$

CPU: Atmega32U4 8-bit RISC.

Connectivity interfaces: wired Ethernet, Wi-Fi and USB

Development environment/IDE: Arduino IDE (C -like programming language).

Website:

http://store.arduino.cc/index.php?main_page=product_info&cPath=11_12&products_id=313

-        Arduino Blend: 32$

CPU: Atmega32U4 8-bit RISC.

Connectivity interfaces: Bluetooth.

Development environment/IDE: Arduino IDE (C -like programing language).

Website: http://redbearlab.com/blendmicro/

-        Tiva C Connected LaunchPad: 20$

CPU: 32-bit ARM Cortex-M4/120 MHz

Connectivity interfaces: wired Ethernet, USB (host or device).

Development environment/IDE: TI Code Composer Studio (C/C++), Energia IDE (the Arduino IDE equivalent for TI Launchpad kits, C –like programming language).

Website: http://www.ti.com/tool/ek-tm4c1294xl

-        SimpleLink Wi-Fi CC3200 LaunchPad: 30$

CPU: 32-bit ARM Cortex-M4.

Connectivity interfaces: Wi-Fi

Development environment/IDE: TI Code Composer Studio (C/C++), Energia IDE (the Arduino IDE

equivalent for TI Launchpad kits, C –like programming language).

Website: http://www.ti.com/tool/cc3200-launchxl

-        Intel Edison: 50$

CPU: 32-bit Intel Quark/100 MHz.

Connectivity interfaces: Wi-Fi, Bluetooth.

Development environment/IDE: Edison Arduino IDE.

Website: http://www.intel.com/content/www/us/en/do-it-yourself/edison.html

Note: Requires Arduino expansion kit for development and prototyping purposes.

-        Microchip Comm Demo Board: ~50$

CPU: Microchip 32-bit MIPS

Connectivity interfaces: Wi-Fi.

Development environment/IDE: MPLAB IDE and C32 compiler.

Website:

http://www.microchip.com/Developmenttools/ProductDetails.aspx?PartNO=DV102411

-        PIC32 Ethernet Starter Kit-I and -II: 75$ and 89$

CPU: Microchip 32-bit MIPS/80 MHz.

Connectivity interfaces: wired Ethernet, USB (host & device).

Development environment/IDE: MPLAB IDE and C32 compiler

Website:

http://www.microchip.com/DevelopmentTools/ProductDetails.aspx?PartNO=DM320004

http://www.microchip.com/Developmenttools/ProductDetails.aspx?PartNO=DM320004-2

Particle Core (formerly Spark Core): 39$
     CPU: ARM Cortex-M3/72 MHz.
     Connectivity interfaces: Wi-Fi.
     Development environment: Web-based IDE using REST API.
     Website: https://www.particle.io/

NodeMCU: ~7-13$
    CPU: 32-bit Xtensa LX3 Architecture (A.K.A. ESP8266).
    Connectivity interfaces: Wi-Fi.
    Development environment: Lua, ESPlorer, Arduino IDE.
    Website: www.nodemcu.com
    Arduino package for NodeMCU: https://github.com/esp8266/Arduino

HC-05 and HC-06 (Serial (UART) to Bluetooth module): ~3.5-5$
   CPU: N/A.
   Connectivity: Bluetooth and UART.
   Development environment: There is no standard development environment for the HC modules, they can be easily integrated with any system that supports standard UART interface.
   Datasheet:
   http://www.tec.reutlingen-university.de/uploads/media/DatenblattHC-05_BT-Modul.pdf

These platforms aren’t specifically designed for IoT applications but they support it through general purpose operating system (Android, QNX, Linux…etc) they operate on, the main advantage of such platforms is the high computational power they offer in comparison to other platforms mentioned previously like advanced webserver/web hosting, running complicated algorithms and multitasking, however, they aren’t suitable for low-power or battery powered applications:

                                                                              

-        Raspberry Pi Model A+: 20$

CPU: ARM11/700 MHz/256 MB.

Connectivity interfaces: USB (host), ability to connect to Wi-Fi or Bluetooth via USB Wi-Fi adapters.

Website: http://www.raspberrypi.org/raspberry-pi-model-a-plus-on-sale/

-        Raspberry Pi Model B+: ~38$

CPU: ARM11/700 MHz/512 MB or 1GB.

Connectivity interfaces: wired Ethernet, USB (host), ability to connect to Wi-Fi or Bluetooth via USB Wi-Fi adapters.

Website: http://www.raspberrypi.org/introducing-raspberry-pi-model-b-plus/

-        BeagleBone Black: 55$

CPU: Texas Instruments AM335x ARM Cortex A-8/1 GHz.
Connectivity interfaces: wired Ethernet, USB (host), ability to connect to Wi-Fi or Bluetooth via USB adapters.

Website: http://beagleboard.org/black

-        Intel Galileo: ~64$ (G1), ~75$ (G2)

CPU: 32-bit Intel Quark SoC X1000/400 MHz.

Connectivity interfaces: wired Ethernet, USB host and device.

Development environment: Arduino IDE, Linux port is available for this platform.

Website: http://arduino.cc/en/ArduinoCertified/IntelGalileo

http://www.intel.com/content/www/us/en/do-it-yourself/galileo-maker-quark-board.html

Other platforms designed specifically for IoT

-        Kinoma: 149$

Description: A JavaScript powered IoT construction kit

CPU: ARM/800 MHz.

Connectivity interfaces: Wi-Fi, Bluetooth, USB OTG.

Development environment: Kinoma Studio.

Website:  http://kinoma.com/

-        Wunderbar: 199$

Description: Wi-Fi enabled sensor modules (Humidity, Temperature, Light/Color, Motion…etc).

CPU: Freescale ARM Cortex-M4 MK24

Connectivity interfaces: Wi-Fi, Bluetooth.

Website: https://relayr.io/wunderbar

-        1sheeld: 55$

Description: a platform that uses smartphone as an Arduino shield via a Bluetooth breakout board for connectivity purposes.

CPU: N/A; depends on the smartphone connected.

Connectivity interfaces: Bluetooth.

Website: http://www.1sheeld.com/

Update (December, 2014):

Your data to the Cloud:
Cloud platforms for IoT offer internet connectivity & communication, data visualization,  activity monitoring and remote access services for IoT devices/nodes; you can connect your device through any of these platforms to a personal/corporate emailing system, home automation, public access and many other applications, most known cloud platforms to date of the article:
- Exosite: http://exosite.com/ : For data visualization, logging and node's remote control.
- Temboo: http://www.temboo.com/ :data visualization, activity logging, node's remote control, communication via email and other social networking platforms, data storage...etc.
- Nexmo: https://www.nexmo.com/ : For communicating via Short Text Messages (SMS) with your node.
- IBM IoT Foundation: https://internetofthings.ibmcloud.com/ : For data visualization, logging and node's remote control.
- PubNub: http://www.pubnub.com/ :data visualization, activity logging, remote control.

Last but not least, we all know technology advances rapidly, and all these kits and platforms we reviewed as the latest trend might get obsolete in the near future and something else will come up to replace them, all what I wanted is to give you the first step to get through the door of IoT electronics but my advice is keep developing yourself, update yourself with the latest and don’t wait.

   

The author would like to thank Hesham Omran, a multimedia researcher, for his input and contribution to the article.

--

Karim El-Rayes

Nov. 12, 2014

Vancouver, Canada

An example of a wireless controlled robotic arm over home Wi-Fi network using Texas Instruments Tiva C Connected LaunchPad development kit:

Introduction to Rapid Prototyping

Most of the time when a hardware engineer, hobbyists or technical instructor/tutor come up with an idea it takes him/her ages to realize it and build a proof of concept, in this article we are going to list as many of hardware platforms, CAD and software development tools required to accelerate prototyping and realize your idea in a shorter period of time.  

Basically, almost all hardware designs and products include one microcontroller unit (MCU) or more depending on complexity of the design, and usually MCU circuit might get complicated especially if you don’t have a full, clear image of the project, so a development kit would be the best solution, it takes away the burden of building MCU hardware and provide you with generic features to use for testing and prototyping like GPIO headers and easy wiring, LEDs, connectors (USB, DB-9…etc), so, here is a list of most popular low-cost MCU platforms:   

- Arduino platforms: a series of MCU platforms based on Atmel 8-bit and 32-bit microcontrollers, the cheapest one is Arduino Uno for 25$, development environment required: Arduino IDE (free). Website: http://arduino.cc/

- Texas Intsruments LaunchPad (LP) series: another low cost MCU kits based on Texas Instruments 16-bit and 32-bit microcontrollers, LP kits prices range from 10$ to 30$, development environment required: Energia (free) or Code Composer Studio (lite version is available for free).

TI LP series website: http://www.ti.com/ww/en/launchpad/launchpad.html?DCMP=mcu-launchpad&HQS=launchpad

Energia IDE: http://energia.nu/

- STM32VL Discovery kit: a low cost MCU kit based on STMicroelectronics ARM Cortex-M0 32-bit microcontroller, kit’s price: 15$, development environment required: IAR embedded workbench. Website: http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM116/SC959/SS1532/PF250863?sc=stm32-discovery#

- Cypress PSoC 4 CY8CKIT-049 4xxx: a very low cost MCU kit (for 4$ only) based on Cypress PSoC4 microcontroller platform, development environment required: PsoC Creator (available for free on Cypress semiconductor website).

Website: http://www.cypress.com/?rID=92146

If you are looking for a low cost connectivity platform for home automation, data acquisition, controls, IoT (Internet of Things), remote access/sensing and computer interfacing applications then these are my recommendations:

MCU kits with Wi-fi connectivity:

- Texas Instruments CC3200 Launchpad (30$)

- Texas Instruments CC3100 (20$) and CC3000 (35$) boosterpacks (i.e. expansion boards) for Texas Instruments Launchpad Kit.

- Arduino wi-fi shield.

MCU kits with wired Ethernet connectivity:

- Arduino Ethernet, price: 51$.

- Texas Instruments Tiva C connected Launchpad, price: 20$.

- PIC32 Ethernet Starter Kit, price: 75$

MCU kits with USB connectivity:

- Texas Instruments MSP430F5529 Launchpad, low cost and very powerful platform for 13$ only.

- Texas Instruments Tiva C (for 13$) and Tiva C Connected Launchpad (20$) kits.

- PIC32 USB Starter Kit II, price: 55$.

But if you have your mind set to add USB connectivity to your design directly then you can use chipsets with standalone USB peripheral controller like:

- FTDI USB chipsets and modules (USB to UART/RS232, RS485, I2C, JTAG, SPI).

- Maxim Integrated MAX3420E USB peripheral controller with SPI.

Or use an MCU with built-in USB module like Microchip PIC18F4550 and PIC18F4553 microcontrollers, but they don’t come pre-programmed with USB stack, you will have to compile the USB stack and program MCU yourself.

For motor control and lighting related applications you will need an MCU with plenty PWM pins and capable of handling real-time control, like Texas Instruments C2000 LaunchPad  for 17$, but usually low cost kits don’t come with power drivers on-board, you will have to build additional circuit for this purpose or buy an expansion board for the kit that provides power drivers.

Note: power drivers are H-bridge circuits, power switches, power transistors.

If you are willing to build your own power driver circuit and control it from an MCU kit then these are my recommendations for chipsets (easy to use, their circuitry aren't complicated):

- L298: Full bridge IC (maximum current: 2A).

- L293B: quad push-pull driver for motor and actuators control (maximum current: 0.5A per channel).

- ULN2803: darlington pair array (8 pairs, each 500mA).

- ULN2069: darlington pair array (4 pairs, each 1.5A).

- L297: Stepper motor controller.

If you want to go more advanced to develop mobile applications and embedded operating systems for entertainment, display (with displays, touch screens or projectors via HDMI), gaming, standalone web-services and connectivity applications using any of the popular embedded operating systems (Android, embedded Linux, Windows mobile/CE, QNX OS) but you don’t want to spend a lot then I would recommend you these kits:

- BeagleBone Black (55$).

- Raspberry Pi (35$).

Second phase, if you are good at hardware and not afraid to build your own boards or willing to learn, these tools are quite useful for schematic capture and PCB layout (i.e. drawing schematics and printed circuit board layout/wiring):

- DipTrace: schematic capture and PCB layout tool, demo version is available for free.

Website: http://diptrace.com/downloads/download-diptrace/

- PCB Artist: PCB layout tool, free.

Website: http://www.4pcb.com/free-pcb-layout-software/

- Eagle PCB: schematic capture and PCB layout tool, free.

Website: http://www.cadsoftusa.com/

Now your design is ready and you want to build it, you have two options, to build your PCB yourself YouTube is full of videos and tutorials on how to do it OR you can send your design to a professional PCB fabrication/manufacturing services like:

- Seeed Studio: http://www.seeedstudio.com/service/index.php?r=pcb

- AP Circuits: http://www.apcircuits.com/

Important note: depending on local preferences and availability choose your PCB fabrication/manufacturing, these aren't the best or the cheapest but the most convenient to me, might be different for you or where you are.

Hardware and software go hand-in-hand in most of modern designs, you can’t develop an MCU based design with writing a firmware for it, and these are my recommendations for software development tools you might need to speed up prototyping for your project:

C/C++ compiler and IDE (all free):

- Visual Studio (VC++) express edition: http://www.visualstudio.com/en-us/products/visual-studio-express-vs.aspx

- Bloodshed Dev-C++: http://www.bloodshed.net/devcpp.html

- NetBeans C++: https://netbeans.org/features/cpp/

Other useful software libraries:

- DISLIN: C/C++/Fortran library for 2D/3D plotting and GUI design (free for academic and non-commercial use): https://www.mps.mpg.de/dislin/

- Basic4Android: for Android mobile apps development, free trial for 30 days is available: http://www.basic4ppc.com/
- Processing: A programming language and IDE used for rapid prototyping, supports development for both PC and Android OS (free): https://processing.org/
- MoSync: C/C++ Software Development Kit (SDK) and IDE for Android development, useful for rapid prototyping Android apps (free): http://www.mosync.com/

- VISA IVI: C/C++ library for communication with external devices over USB, TCP/IP, serial and PXI/VXI (free): http://www.keysight.com/en/pd-1985909/io-libraries-suite-162?nid=-33330.977662.00&cc=CA&lc=eng&cmpid=zzfindiosuite
OR from: http://ivifoundation.org/shared_components/Default.aspx

- SDL: C++ library for gaming and graphics (free): http://www.libsdl.org/

- GNU Scientific Library: C/C++ numerical library (free): http://www.gnu.org/software/gsl/

- HIDAPI: C/C++ library for communication with USB-HID devices (free): http://www.signal11.us/oss/hidapi/

Introduction to Arduino from El-Rayes

--
Karim El-Rayes
Vancouver, Canada
September 24, 2014

Quick USB Tutorial - Build your own USB device with PIC18F4550

Since I'm a big fan of USB technology, and I'd to share my experience about how to build your own USB device with everyone, so will introduce you a short tutorial about how to build a USB interface and where you can get the hardware and software required.

Before you start you will better comfortable with microcontrollers, C programming language and basic electronic circuits.

Why USB?

Because it’s a recent modern technology, you can find everywhere in all computers and handheld devices as well.

How to build a USB Interface?

- You need the hardware: a USB interfacing chip or a microcontroller with a built-in USB module.

- If you are using a microcontroller with a built-in USB module, then you will need the firmware that includes the “USB stack” to be downloaded on it, so the internal CPU can communicate over the USB.

- On the PC side, you will need a library that will communicate with the USB device, and it is dependent on the USB device "class" you decided to use, like if your hardware will appear as an USB HID class then you will need a C/C++/C#/Java...etc library to communicate with it, if you are using USB CDC class it is easier cause you can use COM (serial) port APIs to communicate with it.

Why I prefer USB CDC class interface devices more than other USB device classes?

- Because the microcontroller or the USB chip will appear to your PC as a virtual COM (serial RS-232) port, which ease the development of the application on your computer side to communicate with the USB device you designed, you can use the same APIs in C++/C#/Java or even Python to communicate.

Examples:

• “MAX3420” USB chip from Maxim Integrated.
• “FT2232” USB-to-Serial chip from FTDI.
• Microchip “PIC18F4550”, a microcontroller with built-in USB module.

A ready-made USB projects for this microcontroller and others can be found inside "Microchip Application Libraries": 

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2680&dDocName=en547784

Building USB interface with PIC18F4550 microcontroller:

I will share with you my experience about" how to build a USB interface" using PIC18F4550 microcontroller from Microchip, this tutorial is intended for people who are little experienced in Microchip microcontrollers.

First to know, USB is a mix between hardware and software stack, unlike PC parallel or serial ports interfaces which rely more on the hardware.

USB devices are categorized into classes, i.e. each group of USB devices that have similar features are grouped under what is called "Class", we have many USB classes like:

• HID class for USB mice and keyboards.
• Printer class for USB printers.
• CDC class for USB-to-Serial converters and COM port communication.
• Mass storage class for USB flash drives and HDD's.

In this tutorial I will show how to build USB-CDC class based device with the PIC18F4550 microcontroller, first download and install in sequence the following:

- MPLAB IDE from Microchip official website, registration required, its for free: http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en019469&part=SW007002

- C18 C-compiler from Microchip, Academic version is for free:

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en536656

- Microchip application libraries, group of open source, ready-made projects developed by Microchip corporation that supports a wide range of their products, all projects developed in C: http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2680&dDocName=en547784

After you finish installing everything, go to this path on your hard drive:

"C:\[Microchip Solutions Directory]\USB\Device - CDC - Basic Demo\Firmware\USB Device - CDC - Basic Demo\C18 - PICDEM FSUSB” project file.

Open project file "USB Device - CDC - Basic Demo - C18 - PICDEM FSUSB", this is a USB - CDC firmware for PICDEM development kit from Microchip Technologies, this kit is based on the PIC18F4550 microcontroller.

Build the project then burn it to your microcontroller, when you connect your microcontroller to a PC, a "New device found" wizard will pop-up, browse the device driver file in:

C:\[Microchip Solutions directory]\USB Device - CDC - Basic Demo\inf

After installation is done, open your device manager, you will find under "COM & LPT" your microcontroller installed as virtual COM port, from here you can interact and communicate with your microcontroller with the usual API's for COM port in any programming language you prefer.

This is a simple tutorial about how to build an application to interface COM in Win32 API's: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ff802693.aspx

and this a free and easy to use IDE and C/C++ compiler to develop your applications on the PC side: http://www.bloodshed.net/dev/devcpp.html

Continuing the discussion, you can modify the source code of the "CDC - Basic Demo - Firmware" project since its open source.

To add new headers to the code, search for headers files declaration in the code and add yours to them.

To add and declare new variables to the code search in the beginning in the code for a comment "Variables", under you can declare and initialize your variables.

To configure and enable modules of the PIC18F4550, you can do this in the "main( )" function, but take care not to configure any module inside the "while(1)" loop.

To add any I/O interacting process related to the microcontrollers I/O, you can add them inside the "while(1)" in the "main()" function or in "ProcessIO()" function, both ways are fine.

USB Interface circuit using PIC18F4550 microcontroller

Bill of Materials (BOM):
U1: PIC18F4550 8-bits microcontroller.
X1: 20 MHz crystal.
C1, C2: 18 pF capacitors.
C3: 470 nF tantalum capacitor.
R1: 1 K Ohm resistor.
PB1: push button.

Update (May 2014): 

Microchip has a newer version of the PIC18F4550 microcontroller, the PIC18F4553, its identical to the PIC18F4550 but with a better resolution built-in Analog to Digital converter (A/D) which is  12-bits (the old one is 10-bits only), to configure the USB stack to work with the new PIC18F4553 microcontroller please follow the instruction in this link: http://www.eee.metu.edu.tr/~design/lib/exe/fetch.php?media=lecture_notes:tutorial_1_-_implementation_of_a_usb_based_pic-to-pc_communication.pdf

Update (July 2016):
A copy of a USB-CDC firmware demo project for PIC18F4550 microcontroller based on Microchip Application Libraries is available on GitHub, read "ReadMe.txt" file first before setting up your project: https://github.com/kelray/USB-CDC-stack-for-PIC18F4550


If you are not familiar with Microchip development tools for PIC microcontrollers here is a simple starter guide how to use MPLAB IDE and C18 compiler from Microchip Inc. to develop applications and code for various PIC microcontroller in general and PIC18F4550 in specific as an example in this tutorial.

Introduction to MPLAB IDE from El-Rayes

Note: 

links and websites in the article might change or get outdated, so rely on google if  the link is not working.

This is an example project using PIC18F4550 microcontroller as a dual channel USB data-logger/oscilloscope:

التجربة الكندية 3: التطوير للجميع, ممكن؟

حضرت من فترة, بحكم عملي في مجال الهندسة و ابحاث الالكترونيات, مؤتمر قصير لمدة وم واحد بمدينة تورنتو عقدته احد شركات الالكترونيات المشهورة و و آتى معها مجموعة من الشركات الصغيرة تستخدم مكونات من إنتاج الشركة الاولى في صناعة منتجاتها لعرضها, و كانوا قد عرضوا علينا اخر ما توصلوا إليه من منتجات و افكار, و الاهم عرضوا علينا اهم أدوات تصميم و تطوير بعض من هذه المنتجات و الكثير منها كان يعتمد على تقنيات حديثة للغاية كنا نعتقد ان الحصول عليها او الدخول الى نطاق تطويرها يتطلب الكثير من الإمكانيات, لكنهم يتيحوا لنا الفرصة ان نتعلم هذه التقنيات و الأدوات.

و في نهاية اليوم قال وجدت صديقي الالماني الذي حضر معي فعاليات هذا المؤتمر لاول مرة "إن ما رأيناه اليوم مبهر", صمت لبرهة و تذكرت كل المؤتمرات و المناسبات من نفس النوع التي حضرتها في كندا في الثلاثة اعوام الاخيرة و تذكرت ان كلها كانت مفيدة للغاية و في احيان كانت "مبهرة" مثلما قال صديقي, في هذا المقال سأحكي عن هذا النوع من المؤتمرات و بعض الظواهر النتائج المرتبطة بها و سأترك للقارئ رحلة الوصول إلى الاستنتاجات و الانعكاسات على صاحب التجربة.

التدريب و المؤتمرات

جزء لا بأس به من الشركات العاملة في مجال التكنولوجيا و تقنيات المعلومات بجميع فروعها يعتمد في جزء من سياسته الدعائية و الإنتشار على "الجامعات", اي ان يذهب الى الجامعات لتقديم عرض بسيط عن منتجات الشركة امام الطلبة و الاساتذة, و لا مانع من أن تقدم الشركة تدريب لمدة يوم او اكثر للطلبة "بدون مقابل" على احد منتجاتها لا سيما المنتجات التي تستطيع أن تخدم المجال الاكاديمي و العملي في نفس الوقت, و في احيان كثيرة تقدم هذه الشركات عينات من منتجاتها هدية للمشاركين على أمل أن يقرر احد الطلاب إستخدامها في مشروع خاص به او يوصى بها لزملاء آخرين او مستقبلا يوصى بها للشركة التي سيلتحق بها بعد ان ينهي دراسته. 

  

العينات

في دول العالم الاول شركات كثيرة في مجال تخصصي, الالكترونيات, تقدم العديد من العينات و الهدايا المجانية من منتجاتها, في المقابل يطلبوا من الشخص بيانات الاتصال به (الاسم, المهنة, التليفون او اي وسيلة اتصال آخرى), و يحتفظوا بها في قاعدة بياناتهم, ثم بعد فترة ما يبدأ مندوبي الشركة في الاتصال بالعملاء الذين حصلوا على عينات و هدايا ليسألوهم عن رأيهم و إن كان عندهم اي خطط مستقبلية لشراء منتجات الشركة و إستخدامها.

مهندس التطبيقات

تعرفت منذ سنوات قليلة على منصب غريب جدا موجود في اغلب الشركات العاملة في مجال إنتاج التقنيات المتقدمة و تقنيات المعلومات و البرمجيات, الا و هو منصب "مهندس تطبيقي" Application Engineer و هو منصب لم اسمع به عندما كنت اعمل بمصر, و ان كان بدء يظهر مؤخرا على استحياء في بعض الشركات, و لكن لم اعرف أهمية هذا المنصب الا بعد سفري لكندا, اكتشفت أن اغلب الشركات العاملة في المجال قد تمتلك إدارة كاملة من مهندسي التطبيقات, و مهام هذا النوع من المهندسين هو الذهاب في رحلات عمل لزبائن الشركة لتدريبهم على المنتج الذي اشتروه من الشركة, او الذهاب لزبائن محتملين للشركة او الذهاب للجامعات لعقد سلاسل التعريف و التدريب على منتجات الشركة, و مهندس التطبيقات يختلف في مهامه و اسلوبه و نوعية الخبرة المطلوبة من عن مهندس المبيعات Sales Engineer, حيث يكون يجب ان يتمتع بالقدرة على الشرح و توصيل المعلومة, الخبرة العملية و قدرة حل المشكلات للتواصل مع افكار العميل و تطلعاته في إستخدام منتج شركته ضمن مؤسسته.

نعود للموضوع الاساسي, مهندسي التطبيقات هم من رأيتهم يطوفون كندا لتقديم التعريف و التدريب و المشورة لطلبة الجامعات و و الاكاديميين و المهندسين من خلال المؤتمرات العملية القصيرة او المحاضرات و الندوات و غيرها.

لماذا تفعل الشركات كل هذا؟....ما هي مكاسبهم؟.....ما هي الانعكاسات التي تراها على المجال التقني من انتشار هذه الثقافة؟....في رأيي هذه الاسئلة تستطيع ان تحدد جوانب الإستفادة.

اكتب مقالاتي بشكل موجز حتى لا اصيب القارئ بالملل او الضجر, حيث اني لا اتمتع بمهارات كتابية عالية و اي استفاضة مني في الموضوع قد تضعف الاستفادة منه, و اشكرك على القراءة في جميع الاحوال.

كريم الريس

وواترلو, كندا

يوليو 5,

2012

التجربة الكندية 2 : المسؤلية الاجتماعية

لن اتحدث في هذا المقال عن المسؤلية الاجتماعية و أهمية العمل التطوعي او غيره من الانشطة الاجتماعية فقد تحدث الكثيرون قبلي عنها و أشهر من تحدث عن هذا الموضوع هو د. شريف عبد العظيم مؤسس جمعية رسالة بشكل اكثر تفصيلا و تحليلا و لكن سأسرد في المقال ما قابلته في كندا من حكايات و مواقف وبعض الاستنتاجات فيما يتعلق بالمسؤلية الإجتماعية و سأترك للقارئ التحليل و إستنتاج الدروس المستفادة.

عندما سافرت الى كندا للدراسة في بداية 2010, و كانت اول تجربة سفر لي خارج الحدود, بدأت بالاحتكاك مع المجتمع الكندي و لكن لم تتح لي الفرصة في البداية غير الاحتكاك و التفاعل مع طلبة جامعيين في مثل سني و ظروفي, و لكن بعد مرور بعض الوقت بدأت في التفاعل اكثر مع اشخاص من فئات عمرية و خلفيات عملية و ثقافية مختلفة, و قد لاحظت ان هناك البعض يشارك في بعض الانشطة بالمدرسة الابتدائية القريبة من منزله مثل القراءة للأطفال, و البعض يجمع الكتب و يرسلها "للمساجين", وجدت في الجامعة من يتطوع لمساعدة الطلاب الاجانب لتحسين لغتهم الانجليزية  بل و الاغرب, من وجهة نظري آنذاك, وجدت داخل الجامعة مكتب مختص بإدارة و توجيه الطلاب للأنشطة التطوعية تحت اسم WPIRG و عرفت انه يوجد مكتب مثله في كل الجامعات الكندية, و قابلت طلبة مدارس في المرحلة العمرية 8 ل 12 سنة يبيعون الشيكولاتة على ابواب المتاجر او في الشوارع الرئيسية لجمع تبرعات لمدارسهم, هناك من يجمع المعونات و الملابس القديمة للفقراء و ملاجئ المشردين او إرسالها الى احد الدول المنكوبة, احد المواقف التي أثارت انتباهي بشدة يوم انقطعت الكهرباء عن اغلب المدينة التي اعيش بها لعدة ساعات و كنت عائد في طريقي للمنزل لأرى واحد من سكان المنطقة يلبس "صديري فسفوري" و ينظم المرور في التقاطع القريب من المنزل نظرا لتعطل "إشارة المرور" نتيجة لإنقطاع التيار الكهربي.

الحكاية المذكورة كانت جزء من ملاحظاتي للأنشطة التطوعية في محيط المدينة التي اقطن بها, استنتجت أنه من الطبيعي او المعتاد أن تشارك في اي عمل تطوعي خلال اي مرحلة من عمرك, إذا عندما يرى الطفل الصغير الكل من حوله يشارك فيتعلم من الصغر المشاركة و التفاعل في العمل التطوعي, فالأمر اصبح له "بديهيا" الى حد ما.

داخل المؤسسات الكندية  "فكر" او ثقافة تعرف "بالمسؤلية الاجتماعية "Social commitment للمؤسسة, و هو يحدد و يؤسس لدور المؤسسة في التفاعل و خدمة المجتمع سواء على المستوى الوطني او المجتمع الموجود في المحيط الجغرافي للمؤسسة, حيث تنص اغلب قواعد المؤسسات الصناعية و الاقتصادية في كندا على مسؤليتها تجاه المجتمع الكندي و مشاركتها فيه, و ترد الحكومة الكندية على هذا التفاعل الاجتماعي بشكل ايجابي يتمثل في تخفيض ضريبي "مميز" لهذه المؤسسات حسب تفاعلها مع المجتمع و تقديمها مساعدات, بل و تقديم الشكر و التقدير لهذه المؤسسة و تقديم خدمات و تسهيلات عملية و مالية لهذه المؤسسة في حال تعرضها لأزمات.

في جامعة وواترلو, حيث درست, وجدت "عرف" او اسلوب متبع ليس فقط بهذه الجامعة و لكن باغلب الجامعات الكندية, خريجي الجامعات هنا فخورين جدا بالجامعات او المعاهد  التي درسوا بها و على اتم استعداد ان يقدموا يد العون للجامعة او المعهد الدراسي في اي وقت في شكل تبرعات, محاضرات و لقاءات مع طلاب الجامعة, التعاون مع الفرق البحثية و الانشطة الطلابية بالجامعة و دعمها من خلال المؤسسات التي يعملون بها, و الاهم, تحرص عليها إدارة الجامعة على بناء شبكة قوية للمساعدة في توظيف طلابها إما اثناء الدراسة فيما يعرف عندنا بالتدريب الصيفي او التدريب العملي لتنمية خبرتهم العملية و العلمية على حد سواء و مساعدة طلبة الجامعة بشكل غير مباشر في بناء شبكة علاقات تساعدهم في ايجاد وظائف بسهولة مستقبلا بعد تخرجهم, و إبقاء هذه الدائرة و الشبكة مستمرة و متشعبة.

عندما يصل اي من خريجي هذه الجامعات الى منصب مهم في الصناعة و مجالات السوق الآخرى في احيان كثيرة يتبرع اما هو شخصيا او عن طريق المؤسسة التي يعمل بها, عادة ما تكون هذه التبرعات في شكل معدات و ادوات معملية و هندسية غالية لا يقدر الطلاب على شراؤها, معامل كاملة التجهيز, نشرات علمية متطورة لا يستطيع العامة الحصول عليها, او تقديم الإستشارات العلمية و الفنية لطلاب.

هنا يأتي السؤال: "لماذا يتطوع هؤلاء؟......و ما مكاسبهم من العمل التطوعي؟".....كان هذا هو السؤال الذي طرحه عقلي وقتها حيث ولدت و عشت في بلد ثقافة العمل التطوعي بها نوع "شغل وقت الفراغ" و رفاهية عند اغلب الناس.....برغم مشاركتي في بعض الاعمال التطوعية البسيطة من قبل في مصر إلا إني لم أكن اعتبرها نوع من "الالتزام" او المسؤلية, لكن هنا النظرة مختلفة و الكل جاد, هنا جاء وقت التساؤل داخل نفسي و البداية لتغيير بعض من أفكاري تجاه هذا الموضوع.

كتبت هذه المقالة في فبراير 2012 و نشرت في شهر يونيو من نفس العام.  

كريم الريس

وواترلو, كندا

يونيو 12
2012

التجربة الكندية 1: الجامعة

تعريف موجز بكاتب المقال, مهندس مصري حاصل على درجة الماجستير في الهندسة الكهربية من جامعة وواترلو بكندا, حيث عمل بالجامعة باحث و معيدا بها لمدة عامين, و من واقع ما عاصره يحكي لكم عن تجربته الشخصية و ملاحظاته عن التجربة الكندية في تنمية "حب العلم" و التعلم و تطوير ملكات البحث العلمي و الابتكار للنشأ في مرحلة التعليم ما قبل الجامعي و تحديدا للصغار ما بين عمر 7 و 14 سنة.

عندما بدأت دراساتي العليا في يناير 2010 كنت الاحظ من آن لآخر في محيط الجامعة و تحديدا في المباني او المناطق التي بها المعامل و الورش الهندسية الخاصة بالطلبة, حيث ان هناك معامل اخرى مخصصة لفرق الابحاث فقط و تختلف في تطورها و تخصصها عن المعامل المخصصة للطلاب و الانشطة العلمية, زيارات لاشخاص يبدو من اعمارهم انهم ليس من طلبة الجامعة و معهم عادة شباب اصغر سنا (في عمر طلبة المرحلة الثانوية حسب ما استنتجته), و اتضح لي انهم مجموعة من الاهالي مع ابنائهم الذين في غضون سنة او عدة اشهر سينهون مرحلة التعليم الثانوي و بدأوا مرحلة البحث عن افضل الجامعات للدراسة بها, و ان الجامعة تخصص لهم مجموعة من طلابها لإرشادهم داخلها و شرح إمكانيات الجامعة و نظامها التعليمي.

ثم لاحظت في الصيف و تحديدا اثناء الإجازة الصيفية للمدارس ان الجامعة تفتح ابوابها لطلاب المدارس من مختلف المراحل من خلال برنامج تعاون مع المدارس الموجودة في المدينة التي اقيم بها, وواترلو, لتقديم برنامج ترفيهي و تعليمي لهولاء الطلبة من خلال اشراكهم في العديد من الانشطة و التجارب العلمية المبسطة داخل حرم الجامعة, كذلك الذهاب بهم في جولات لفرق الابحاث المختلفة داخل الجامعة و على كل فريق بحث ان يعرض بشكل مبسط و ممتع نشاط الفريق العلمي و إن امكن بعض التجارب العلمية, و قد اتيحت لي الفرصة بشكل شخصي, كأحد اعضاء فريق "الفضاء و الصواريخ", ان اكون موجودا طوال شهر يوليو و اغسطس لمقابلة طلبة المدارس الصغار و شرح نشاط الفريق لهم و اعداد بعض التجارب العلمية المسلية لهم.

و اليوم, حيث انه أخر يوم لي في الجامعة كطالب, كنت متوجها لاحد المعامل التي اعمل بها, وجدت احد المباني ممتلئ باطفال اعمارهم بين السابعة و العاشرة, لاكتشف ان اليوم هو مسابقة "روبوت" شهيرة لطلاب المرحلة الابتدائية, ثم توقفت بعض الوقت لاشاهد جزء من فعاليات المسابقة, و الحق يقال برغم بساطة المسابقة من الناحية التنظيمية و لكن استمتعت برؤية ابتكارات و ابداع هؤلاء الصغار و كيف ان الجامعة تأخذ هذه المسابقة على محمل الجد كجزء من سياستها و مسؤليتها تجاه المجتمع.

هنا ينتهي الجزء الاول من ملاحظاتي خلال العاميين السابقين للتجربة الكندية, أرجو ان تكون مفيدة الى حد ما.

Microcontroller المحكام الدقيق

كان حلم قديم يداعب الإنسان منذ زمن أن يبتكر آلة تقوم ببعض المهام دون الحاجة إلى تدخله وظهرت روايات الخيال العلمي بنهايات وظهرت روايات الخيال العلمي بنهايات القرن التاسع عشر وبدايات القرن العشرين تتنبأ وتصف هذه الآلات الذكية التي توفر الوقت والجهد على الإنسان وتؤمن له الرفاهية المطلقة ثم جاءات روايات الإنسان الآلي لتصف لنا نوع متطور من هذه الآلة الذكية يحاكى الإنسان في قدراته ولكم تنبأت هذه الروايات بأن هذه الآلات ستكون على قدر من الذكاء لدرجة أنها ستسيطر على الإنسان وتحوله إلى عبد لها.

كل هذه كانت أحلام وأفكار دارت بها أقلام الروايتين في القرنين الـ 19 والـ 20، لكن ألقى نظرة حولك لكن ألقى نظرة حولك، هل تنظر إلى ساعة يدك الرقمية أم إلى شاشة هاتفك الجوال، أن تعد طعامك في المطبخ داخل فرن " الميكروويف" أم أنت الآن داخل سيارتك الحديثة هل فكرت ما وراء هذه الأشياء التي تعمل بلمسة واحدة ما الذي يجعلها تقوم بهذه المهام دون الحاجة إلى مراقبة عملها أو مراجعة نتائجها ما الذي يجعلك تثق بها إلى هذه الدرجة سوف نذهب في رحلة وراء شاشة هاتفك المحمول ومقود سيارتك ومشغل الأغاني المتنقل (MP3) الخاص بك هذا الشيء الذي يعرف رغباتنا، وينفذها بهذه الكفاءة والدقة دون الحاجة إلى تدخلنا تمامًا، ما هذا الشيء الذي نجده في كل شيء حولنا إذا اقتحمت جهاز التحكم عن بعد الخاص بتلفازك أو نظرت داخل فرن الميكروويف في مطبخك قد تفاجأ إذا وجدت دائرة متكاملة واحدة أو اثنين على الأكثر، وقد تقابل هذا الموقف مع العديد من الأجهزة الأخرى داخل منزلك أو سيارتك لكن ما هو سر هذه الدائرة المتكاملة البسيطة القادرة على القيام بهذا الكم من المهام والعمليات.

منذ ظهور الحاسب الآلي في أربعينات القرن العشرين ثم ما تلاه من ظهور الحاسبات الشخصية في الستينات والسبعينات القرن العشرين من شركات مثل Intel, Texas instruments,IBM ظهرت الحاجة على الصعيد المدني والعسكري إلى أجهزة تتميزة بصغر الحجم والوزن قادرة على القيام ببعض (أو كل) العمليات التي تقوم بها الحاسبات الشخصية بنفس الكفاءة والقدرة وذلك توفيرًا للوقت والجهد وفتح الباب إلى أنظمة أكثر رفاهية.

إلى أن أعلنت شركة (Intel) في عام 1976 عن معالج جديد (Intel 8048) ذي معمارية تختلف تمامًا عن المعالجات المتعارف عليها وقتها، حيث من المتعارف عليه أن المعالج يعمل بتصميم تحتاج إلى توصيلات خارجية لذاكرة (ROM) أو(RAM) ومهيئات إدخال وإخراج (I/O interfaces) مما يحتاج إلى دائرة ليست صغيرة الحجم ولا يمكن تداولها بسهولة كانت معمارية هذا المعالج الذي أعلنت عنه إنتل يتكون من وحدة معالجةمركزية (CPU) وذاكرة RAM وذاكرة ROM معًا صغيرة الحجم ومنافذ إدخال/ إخراج (I/O Ports) لكن محدودة كل هذا على شريحة واحدة فقط مما يتيح للمبرمجين إنزال البرنامج الخاص بهم على ذاكرة الـ ROM ويستطيع بعدها هذا المعالج أن يتعامل تلقائيًا مع أوامر إدخال/ إخراج البيانات ومعالجتها دون الحاجة إلى تدخل مستقبلي منه كما أتاحت لهم صغر الحجم وخفة الوزن التي لم تكون متوفرة للمعالجات العامة (General purpose Microprocessor) و بالتالي سهولة الحركة والانتقال لحامل الجهاز، لكن كما ذكرنا أن ذاكرة الـ ROM والـ RAM كانت صغيرة المساحة (وذلك لاستطاعة دمجها على نفس الشريحة) إلى جانب أن وحدة المعالجة المركزية (CPU) تعمل بسرعة أقل من المعالجات ذات الأغراض العامة المعروفة وقتها، مما يجعل هذا المعالج غير قادر على القيام ببعض المهام التي يستطيع المعالج العادي القيام بها، لكي تم التغلب على مشكلة السرعة مستقبلاً بتحديد الأوامر التي يستطيع المعالج القيام بها، فيما عرف فيما بعد بمعمارية (RISC) Reduced instruction set computer حاسب ذات معمارية بأوامر مختزلة ووجدوا أن اسم معالج غير مناسبة لهذا الابتكار الجديد فاصطلحت تسمية المحكام الدقيق (Microcontroller) على هذا النوع من المعالجات.

المحكام الدقيق هو عبارة عن حاسب على مرققة (Computer-on-Chip), و من التسمية نفسها نستطيع أن نستنتج بعض الحقائق عنه, كلمة "محكام" تدل على أنه جهاز يستخدم في التحكم او معالجة شئ او إشارة ما, و كلمة "دقيق" تدل على إنه جهاز صغير الحجم, و يطلق على الأنظمة مثل المحكام الدقيق كلمة "أنظمة مدمجة" (embedded systems) نظرا لانها هي و الدوائر المساعدة تكون مدمجة داخل النظام التي تتحكم به المحكامات.

إذا ألقينا نظرة على الرسم التخطيطي للحاسوب الأولى سنجد أن تصميمها الداخلي يتكون من:

1- وحدة المعالجة المركزية والمكونة من وحدة الحساب والمنطق ALU و وحدة تحكم.

2- وحدة الذاكرة الـROM والـ RAMو القرص الصلب.

3- منافذ إدخال (Input Ports) للوحة المفاتيح والفأرة وأي أجهزة إدخال أخرى مثل الماسحات الضوئية (Scanners).

4- منافذ إخراج للشاشة والطابعة وأي أجهزة إخراج أخرى ودائمًا ما تحتاج المعالجات ذات الأغراض العامة إلى دوائر أخرى للعمل جنبًا إلى جنب وحدة المعالجة المركزية فتحتاج إلى وحدات RAM خارجية دائمًا كما إذا نظرنا إلى اللوحة الأم (Mother Board) سنجد العديد من الدوائر الأخرى الخاصة بكل منفذ مثل شريحة خاصة لمنفذ الـ USB وقد نجد وحدة منفصلة تمامًا خاصة بالشاشة مثل (VGA Card) أو للصوت أو المودم.

على الجانب الأخر إذا نظرنا إلى التصميم الداخلي إلى المحكامات الدقيقة (Microcontrollers) فإنها تتضمن وحدات التخزين الرئيسية (RAM, ROM) ووحدات الإدخال/ الإخراج (I/O modules) جنبًا إلى جنب وحدة المعالجة المركزية (CPU) على نفس الشريحة أو الدائرة المتكاملة نفسها، لكن يجب أن نوضح الفروق التي تجعل المحاكم الدقيق مختلف عن المعالج ذي الأغراض العامة وهي:

1- وحدات الذاكرة سواء الـ ROM أو الــ RAMغالبًا ما تكون محدودة المساحة والقدرة والسرعة مقارنة بوحدات الذاكرة في الحاسبات التي تستخدم المعالجات ذات الأغراض العامة.

2- وحدات إدخال/إخراج الخاصة بالمحكام دائما ما تكون بسيطة للغاية, و وحدات الإدخال و الإخراج في المحكام الدقيق تعمل على مستوى البتات (Bit level interface) و غير قادرة او مجهزة للتعامل مع لوحة مفاتيح او شاشة عرض.

3- وحدات المعالجة المركزية الخاصة بالمحاكم الدقيق غالبًا ما تكون محدودة القدرة والسرعة أي أنها قادرة على القيام ببعض المهام التي يستطيع المعالج ذي الأغراض العامة القيام بها، كما أن سرعة المحكام الدقيق محدودة مقارنة بالمعالجات العادية حيث من المعتاد أن يعمل على مذبذبات 4 أو 5 ميجا هرتز على عكس المعالجات العادية التي تعمل عادة على مذبذبات 2 و 3 جيجا هرتز.

ومحدودية المهام هذه جعلت الأوامر الخاصة ببرمجة المحكام الدقيق محدودة وقليلة العدد، وقد أوحت هذه المحدودية الى إنتاج وحدات معالجة مركزية للمحكامات الدقيقة تتميز بالعمل في بيئة الأوامر المحدودة عرفت بــ RISC (Computer Reduced Instruction Set) تتكون من ثلاث وحدات أساسية:

1- وحدة الحساب والمنطق (Arithmetic Logical Unit ALU)

2- وحدة التحكم في إرسال واستقبال البيانات والخطوط (Buses).

3- مسجلات (Registers).

ودور المسجلات داخل أي وحدة معالجة مركزية هام جدًا والمسجلات هي وحدة الذاكرة صغيرة الحجم (عادة ما تكون قادرة على تخزين عدد محدود من البتات) وسريعة للغاية تستخدم داخل وحدة المعالجة المركزية للاحتفاظ بعنوان معلومات او مكان ما فى الذاكرة مرتبط بالنشاط القائم داخل المعالج وعدد المسجلات داخل المعالجات ذات الاغراض العامة كبير نسبياً وذلك نظراً لعدد العمليات القائمة عليها والسهام الموكلة اليها وقد تسبب زيادة عدد المسجلات داخل وحدة المعالجة المركزية فى بطئ المعالج بعض الشئ خاصة مع اوامر المقاطعة (Interrupt ) والتى يجب فيها على المعالج الانتقال من البرنامج الجارى تنفيذه الى حالة انتظار او توقف لاستقبال بيانات من وحدة الادخال والاخراج (Input/Output ) وعند حدوث حالة المقاطعة للمعالج يتم حفظ البرنامج الجارى تنفيذه والمسجلات داخل مكان ما فى الذاكرة على ان يعود المعالج الى البرنامج الجارى التنفيذ واعادة المسجلات اصبح نقلها من مكان الى اخر فى حالة مقاطعة يحتاج الى وقت اكثر مما قد يجعل المعالج البطئ بعض الشئ.

وللتغلب على مشكلة بطئ وحدة المعالجة المركزية او المعالج فى المحاكمات الدقيقة تم تقليل عدد المسجلات الى الحد الادنى وذلك لتقلل الوقت المستخدم فى نقل البيانات بين المسجلات وبعضها او بين المسجلات والذاكرة سواء فى الاحوال العادية او حالات المقاطعة ( Interrupts) كما ذكرنا سابقا. كما يجب على المحكام الدقيق القيام بمهامه بسرعة كافية لإدراك الغرض المستخدم لاجله حيث ان السرعة مطلوبة والا يكون قد خسر ميزة هامة جداً، لذلك كان عامل سرعة الإستجابة للمدخلات هام للعديد من التطبيقات لذلك كانت تركيز الابحاث فى السنوات الاخيرة على زيادة سرعة المحكامات الدقيقة باستخدام اقل الامكانيات، لذا اتخذوا قرار تقليل عدد المسجلات او جعلها فى ادنى الحدود.

و من أهم مميزات المحكامات الدقيقة هي استهلاكها الضئيل للطاقة, خاصة إن وضعت في المقارنة مع المعالجات ذات المهام العامة, مما يجعل المحكامات الدقيقة قادرة على العمل داخل الأنظمة الإلكترونية ذات الإستخدام الضئيل للطاقة (Low power electronics) او الأنظمة التي تعمل على مصادر الطاقة المتنقلة و المحدودة مثل البطاريات و وحدات الطاقة الشمسية, و تعتبر ميزة إستهلاك الطاقة من أهم الأسباب التي جعلت المحكام الدقيق على صدارة المكونات المستخدمة في التصميم الإلكتروني في العالم, مثال على ذلك تستهلك عائلة PIC 16F8x من إنتاج شركة Microchip تقريبا 800 ميلي وات كحد أقصى للإستهلاك.

و قد نرى تطبيقات المحكام الدقيق منتشرة و متوغلة بشكل قوي في حياتنا, عندما ترى اي جهاز يتمتع بنوع من "الذكاء" او التحكم الذاتي تأكد انه يحتوي على محكام دقيق, و من اشهر تطبيقات المحكام الدقيق الموجودة في حياتنا الهواتف المحمولة و التي تستخدم نوع خاص من المحكامات الدقيقة (DSP) او معالجات الإشارات الرقمية لضمان سرعة الإستجابة و معالجة البيانات, كما توجد المحكامات الدقيقة بشكل قوي في السيارات بدءا من انظمة المراقبة و الإنذار حتى منظومة الفرامل تحتوي على محكام دقيق, كما تحتوي اللوحة الأم (mother board) على عدد من المحكامات الدقيقة مع المعالج ذي المهام العامة للعمل على بعض المهام لضمان التكامل في العمل, و عادة تستخدم مع مهايئات المنافذ (I/O ports interface) لتسهيل عملية إخراج و إدخال البيانات إلى المعالج الرئيسي.

كما تستخدم المحكامات الدقيقة في مجال الصناعة و التحكم الآلي في المصانع التي تعتمد على ماكينات التحكم الرقمية (CNC), كما تعتمد أنظمة الإنسان الآلي بشكل أساسي على المحكامات الدقيقة خصوصا و إن كانت أنظمة متحركة او جوالة و ذلك لضمان التحكم الذاتي و القدرة على إتخاذ القرار بشكل سريع.

المحكام الدقيقPIC 16F84 من إنتاج شركة Microchip من أشهر انواع المحكامات الدقيقة المنتشرة بالاسواق و تآتي شهرتها من عدة اسباب منها بساطة المعمارية و سهولة البرمجة و رخص ثمنها, يحتوي المحكام الدقيق على:

· ذاكرة Flash سعة 1 كيلوبايت, و ذاكرة الflash تتميز قدرة الكتابة و المسح عدة مرات بدون ان تتأثر, كما تتميز بسرعة ولوج (access time) اسرع من الانواع الآخرى من ذاكرات الROM, و تستخدم لنقل البرنامج عليها من ذاكرة الROM اليها عند تشغيل الجهاز.

· ذاكرة قراءة فقط (Read Only Memory ROM) من النوع القابل لإعادة البرمجة (EEPROM) سعة 64 بايت.

· ذاكرة تداول إنتقائي (Random Access Memory RAM ) سعة 68 بايت.

· منفذين إخراج/إدخال (Input / Output ports) لعملية إدخال و إخراج البيانات تحت اسم RA و .RB

· كما تستطيع بعض المنافذ القيام ببعض المهام الآخرى غير الإخراج و الإدخال مثل مهام التعداد و التوقيت (counters / timers).

برمجة الـ Microcontroller :

يمكن برمجة المحكام الدقيق بلغات برمجة عديدة لكن كان دائما لغتين اساسيتين لبرمجة المحكام الدقيق وان اللغات الاخرى او طرق البرمجة الاخرى مشتقة عن هاتين اللغتين:

1- لغة Assembly .

2- لغة C (وفى بعض الاحيان تستخدم الـ C++), وتستخدم هاتين اللغتين لعدة اسباب:

1- لغة الـ Assembly من اقرب اللغات الى لغة الالةmachine language وبرنامجها ذى مساحة

صغيرة للغاية مما يسهل عملية تخزينه وتنفيذه.

2- لغة ( C) توفر صغر حجم البرنامج وسهولة تنفيذه لكن ليس بقدر لغة الـ Assembly حيث انها من اقرب لغات المستوى العالى ( High level language ) فى تركيبتها الى لغة الالة ( Machine Language) بعد لغة الـ Assembly كما تتميز لغة الـ C بسهولة اوامرها مقارنة بلغة الـ Assembly التي تتطلب معرفة جيدة بمعمارية وحدة المعالجة المركزية داخل المحكام الدقيق حيث لا تتطلب البرمجة بلغة C معرفة قوية بمعمارية المحكام الدقيق من الداخل.

وقد تختلف بعض اوامر البرمجة من نوع محكام دقيق الى اخر حيث تغير الشركات بعض الاوامر وتستحدث اوامر جديدة خاصة بانتاجها من المحكامات الدقيقة لكن المبدأ العام ومجموعة كبيرة من اوامر البرمجية موحدة بين اغلب انواع المحكامات الدقيقة.

وظهرت فى الاسواق السنوات الاخيرة محكامات دقيقة يمكن برمجتها باستخدام لغة Basic فيما عرفت بـ ( Basic Stamp Microcontrollers ) وان كانت غير منتشرة فى اسواق الشرق الاوسط بكثرة.

ومن اشهر انواع المحكامات الدقيقة PIC من انتاج شركة Microchip و AVR من انتاج شركة Atmel وتتميز انواع عديدة من المحكامات الدقيقة برخص الثمن وسهولة البرمجة خاصة مع توافق العديد من برامج برمجة المحكامات الدقيقة مجاناً على شبكة الانترنت مثل MPLAB من شركة Microchip .

توجد بعض الانواع الخاصة من المحكامات الدقيقة واشهر هذه الانواع الخاصة هو معالج الاشارات الرقمية ( Digital Signal Processor) ويعرف غالباً بالاختصار DSP)) حيث يتميز عن المعالجات العادية بوجود عدد من وحدات الحساب والمنطق على عكس المعالجات العادية التى تحتوى على وحدة حساب ومنطق ( ALU) واحد فقط، وعدد اكبر من المسجلات (Registers) اكثر مما تحتويه وحدة المعالجة المركزية فى المحكامات الدقيقة ويستخدم هذا النوع من المحكامات الدقيقة فى التطبيقات ذات السرعة العالية والتى تتطلب معالجة بيانات فى زمن حقيقى ( Real Time Processing) مثل تطبيقات الاتصالات فى الهواتف المحمولة لمعالجة بيانات انتقال الصوت والصورة بدون تاخير او اضطراب كما تستخدم فى العديد من التطبيقات الاخرى مثل تطبيقات ( Video and Image Processing ) والرادار كما ذكرنا لسرعة استجابتها ومعالجتها للبيانات وفى كروت الشاشة ( VGA) بالحواسب. ومن اشهر الشركات المنتجة للـ DSP شركة Texas Instruments .

نموذج لبرنامج بلغة C لبرمجة احد منافذ محكام دقيق من نوع PIC:

كتبت هذه المقالة في عام 2007 و لكن لم يشاء الله ان اتنشر الا في عام 2011 بعد ان ذكرني بها مقال مشابه نشره احد الاصدقاء, لعله خير.

كريم الريس

مدينة وواترلو, كندا

نوفمبر 13

2011