Programowanie FPGA i Mikrokontrolerów - Precyzja i Szybkość

Dlaczego custom hardware?

Gotowe rozwiązania PLC czy kontrolery przemysłowe są uniwersalne, ale często za drogie lub za wolne dla specyficznych zastosowań. Jeśli potrzebujesz:

• Przetwarzania sygnałów w czasie < 1 mikrosekundy
• 100+ kanałów I/O przy niskim koszcie
• Dedykowanego protokołu komunikacyjnego
• Minaturyzacji (kontroler wielkości pudełka zapałek)
• Produkcji seryjnej (10 000+ sztuk) z niskim kosztem jednostkowym

...to custom hardware na bazie FPGA lub mikrokontrolerów to jedyne sensowne rozwiązanie.

FPGA - Ultra-szybkie przetwarzanie równoległe

Co to jest FPGA?

FPGA (Field-Programmable Gate Array) to układy logiczne, które można "przeprogramować" na poziomie sprzętowym. W przeciwieństwie do procesorów (które wykonują instrukcje sekwencyjnie), FPGA wykonuje operacje równolegle w hardware. To jak posiadanie tysiąca małych procesorów wykonujących różne zadania jednocześnie.

Zastosowania FPGA w przemyśle

• Akwizycja danych wysokiej częstotliwości - Próbkowanie 100 MS/s (mega samples per second), oscyloskopy cyfrowe
• Sterowniki silników bezszczotkowych (BLDC/PMSM) - FOC (Field-Oriented Control) z pętlą 10-20kHz
• Machine vision - Real-time przetwarzanie obrazu 1000+ FPS, detekcja wad na linii produkcyjnej
• Custom protocols - Implementacja zastrzeżonych protokołów komunikacyjnych (np. stare maszyny CNC z proprietarnym interfejsem)
• Software-Defined Radio (SDR) - Komunikacja bezprzewodowa w pasmach przemysłowych

Nasze doświadczenie z FPGA

Pracujemy z czołowymi producentami:

• Xilinx (AMD) - Spartan-7, Artix-7, Zynq SoC (ARM + FPGA)
• Altera (Intel) - Cyclone V, MAX 10
• Lattice - iCE40 (ultra low-power dla IoT)

Języki: VHDL, Verilog, SystemVerilog. Narzędzia: Vivado, Quartus Prime, ModelSim.

Mikrokontrolery - Wszechstronne i ekonomiczne

Najpopularniejsze platformy MCU

1. STM32 (ARM Cortex-M)

To nasza platforma #1 dla profesjonalnych zastosowań przemysłowych. Rodzina STM32 to setki modeli od ultra low-power (STM32L) po high-performance (STM32H7 @ 480MHz).

Przykładowe zastosowania:

• Sterowniki silników (FOC libraries from ST)
• Kontrolery IoT z WiFi/Ethernet (STM32F4 + W5500/ESP-AT)
• Data loggers (STM32L ultra low-power, 2μA w trybie sleep)
• HMI touchscreen (STM32F7 z GPU, TouchGFX framework)

2. ESP32/ESP8266 (Espressif)

Idealne dla IoT - wbudowane WiFi/Bluetooth, niska cena (15-30 zł/szt), ogromna społeczność. Używamy do retrofittingu maszyn, gdzie potrzebny jest szybki prototyp z łącznością bezprzewodową.

3. AVR/PIC - Klasyka dla prostych zastosowań

ATmega328 (Arduino Uno), PIC16/18 - dla bardzo prostych kontrolerów (sekwencer świateł, prosty regulator temperatury). Niska cena, niskie zużycie prądu.

Real-Time Operating Systems (RTOS)

Dla złożonych aplikacji wdrażamy systemy czasu rzeczywistego:

• FreeRTOS - Open-source, najpopularniejszy, świetna dokumentacja
• Zephyr - Nowoczesny RTOS z Linux Foundation, idealne dla IoT
• ThreadX (Azure RTOS) - Certyfikowany dla safety-critical (IEC 61508)
• QNX - Commercial RTOS dla automotive i medical devices

Custom Protocols i Komunikacja

Implementujemy wszystkie popularne protokoły przemysłowe:

• Modbus RTU/TCP - RS485, najpopularniejszy w automatyce
• CAN/CANopen - Automotive, maszyny mobilne
• Profinet/Profibus - Siemens ecosystem
• EtherCAT - Ultra low-latency (< 100 mikrosekundy), ideal for motion control
• OPC-UA - Industry 4.0 standard
• MQTT over TCP - IoT, publish-subscribe model

Jeśli Twoja stara maszyna ma proprietary protocol, robimy reverse engineering i tworzymy adapter/gateway.

GUI i HMI - Interfejsy operatorskie

Do naszych kontrolerów projektujemy profesjonalne interfejsy:

• Qt/QML (C++) - Cross-platform, działa na PC i embedded Linux (Raspberry Pi)
• TouchGFX (STM32) - Dla kolorowych wyświetlaczy TFT bezpośrednio na MCU
• LVGL (Light and Versatile Graphics Library) - Open-source, działa na ESP32/STM32
• Web-based HMI - HTML/CSS/JavaScript, kontroler ma wbudowany serwer HTTP

Case Study: Kontroler testujący falowniki

Problem: Klient (producent falowników przemysłowych) testował gotowe urządzenia ręcznie. Inżynier musiał podłączyć falownik, wpisać parametry, zmierzyć napięcia, prądy, FFT harmonicznych. Proces trwał 45 minut na urządzenie.

Rozwiązanie: Zaprojektowaliśmy automatyczny tester na bazie:

• STM32H7 (480MHz, 1MB RAM) - kontroler główny
• 4x ADC 16-bit @ 1 MS/s - pomiary napięć AC/DC
• 4x Hall effect sensors - pomiary prądów do 100A
• Moduł Ethernet - komunikacja Modbus TCP z falownikiem
• Touchscreen 7" + Qt GUI - interfejs operatora
• FPGA Spartan-7 - real-time FFT analysis do 50kHz

Efekt: Czas testu spadł do 3 minut (15x szybciej), eliminacja błędów ludzkich, automatyczny raport PDF z pomiarów. ROI: 8 miesięcy.

Od prototypu do produkcji seryjnej

Oferujemy pełen cykl:

1. Prototyp - Quick & dirty na płytkach rozwojowych (Arduino, Nucleo) - 2-4 tygodnie
2. Projekt PCB - KiCAD/Altium Designer, produkcja w JLCPCB/PCBWAY - 4-6 tygodnie
3. Programowanie i testy - Firmware, bootloader, procedury testowe - 4-8 tygodnie
4. Certyfikacje (opcjonalnie) - CE, UL, FCC - 3-6 miesięcy
5. Produkcja seryjna - Przekazanie do kontraktowego producenta lub produkcja u nas (do 1000 szt/msc)

Ile to kosztuje?

• Prosty kontroler MCU (prototyp + firmware): 15 000 - 30 000 zł
• Średnia złożoność (custom PCB + RTOS): 40 000 - 80 000 zł
• Projekt FPGA: 60 000 - 150 000 zł (zależnie od złożoności)
• Kompletny system (hardware + software + GUI): 100 000 - 300 000 zł