Графический калькулятор

Графический калькулятор давно перестал быть просто вычислительным прибором. Он позволяет строить сложные графики, работать с таблицами и вычислять интегралы, что значительно расширяет возможности обучения математике. Пользователи могут создавать собственные программы и последовательности операций для решения сложных задач.

Преподаватели используют эти устройства для подключения к компьютерам и организации сетевого взаимодействия в классе.

Хотя рынок таких приборов меняется, это открывает возможности для создания современных и функциональных моделей, способных вдохновлять и поддерживать учебу на новом уровне.

К нам обратился заказчик из сферы образовательной электроники с амбициозной целью – разработать графический калькулятор, который бы успешно конкурировал с лучшими устройствами, существующими на рынке.

Главные требования клиента включали:

• Расширенные функции: естественный ввод формул, работа со статистическими функциями, матрицами, графиками, а также возможность программирования.
• Интеграция с ПК, объединение в сеть для обмена данными и проверки заданий.
• Кроссплатформенное ПО для управления и обновления устройства.
• Эмулятор калькулятора для выполнения вычислений без физического устройства.
• Удобный интерфейс, а также большой яркий цветной дисплей, чтобы легко интегрировать приборы в учебный процесс.
• Специальный экзаменационный режим, исключающий несанкционированный доступ к некоторым функциям.
• Высокая точность вычислений и надежность работы – обязательные условия для использования в учебном процессе.
• Соответствие стандартам электромагнитной совместимости для сертификации FCC.

Наша команда начала проект с тщательного сбора и анализа функциональных и технических требований, а также изучения конкурентов.

Мы выбрали надежную компонентную базу и технические решения, изначально планируя использовать микроконтроллер STM32F4 с Cortex-M4. Пандемия COVID-19 внесла свои коррективы: перебои с поставками заставили искать альтернативы. Вместе с заказчиком наши специалисты выбрали GD32F470ZKT6 – китайский микроконтроллер, близкий по характеристикам к STM32.

Наш калькулятор получился компактным и удобным: 190х80х12 мм, с 2,8-дюймовым цветным дисплеем. Питание от литий-полимерного аккумулятора обеспечивает длительную автономность. Мы сознательно исключили Bluetooth, Wi-Fi и игры, чтобы не отвлекать студентов. Для экзаменов предусмотрен специальный режим с ограничениями, который включается на устройстве, а отключается только через компьютер преподавателя.

Особенно гордимся поддержкой естественного ввода – формулы и символы отображаются привычно для пользователей. Экран имеет светлый и темный режимы, что бережет зрение и экономит заряд.

Мы разработали собственный язык программирования IS Basic, добавили MicroPython и встроенный редактор. Пользователи могут писать программы как на самом калькуляторе, так и на компьютере. Команда создала кроссплатформенные приложения для ПК, которые позволяют обмениваться с устройством файлами и обновлять прошивку.

Инженеры КЕДРа разработали эмуляторы для Windows, Linux, macOS и веб-версию, чтобы пользователи могли решать задачи без физического калькулятора. Веб-версия будет размещена на сайте заказчика с надежной защитой и платным доступом, что позволит охватить более широкую аудиторию.

Ошибка округления чисел с плавающей запятой
Команда столкнулась с классической проблемой округления чисел с плавающей запятой, которая часто приводит к неточностям из-за двоичного формата хранения. Для графического калькулятора это было недопустимо, и мы решили использовать библиотеку decimal из Boost, обеспечивающую точные десятичные вычисления, пусть и с небольшим снижением скорости.

Множество математических функций
Реализация широкого спектра математических функций – от простых вычислений до сложных интегралов и производных – стала масштабной задачей. Особое внимание уделялось удобству ввода формул и стабильной работе калькулятора без ошибок, что критично для обучения.

Глубокие знания в области высшей математики и всестороннее модульное тестирование прошивки позволили нашей команде создать надежный и точный калькулятор.

Язык IS Basic
Создание собственного языка программирования – отдельный вызов. Мы разработали гибкий и удобный язык IS Basic, на котором можно писать любые программы в рамках возможностей калькулятора.

Переход на микроконтроллер GD32
Когда мы приступили к работе с GD32, заменившим STM32 из-за ограничений поставок, команда столкнулась с необходимостью изучить новую платформу. Особенность GD32 – разделение флеш-памяти на быструю и медленную области – потребовала пересмотра архитектуры прошивки.

Мы решили хранить наиболее часто используемый код в быстрой памяти, а остальной – в медленной, чтобы сохранить производительность и обеспечить стабильную работу калькулятора. Такой подход позволил нам эффективно использовать возможности микроконтроллера.

Соответствие стандартам FCC
В процессе сертификации по стандарту FCC мы столкнулись с проблемой: первая версия платы не прошла испытания по электромагнитному излучению.

Команда инженеров сосредоточилась на улучшении работы микроконтроллера, в частности, на регулировке скорости нарастания сигнала на выводах, отвечающих за связь с внешней оперативной памятью. В результате сигналы стали более плавными и стабильными, что позволило новой версии калькулятора успешно пройти тесты и получить соответствие FCC.

Наш заказчик отметил высокий уровень коммуникации и прозрачность работы команды КЕДР Solutions: