CelloPickUP

CelloPickUP: активный звукосниматель и DSP-процессор студийного уровня

Паспорт модуля

Параметр	Значение
Аудитория	1 обучающийся, подросток; ученик музыкальных школ(виолончель); в электронике — стартовый уровень «новичок»; мотивация высокая, внутренняя (свой инструмент, свой звук); формат — индивидуально с наставником
Аутентичная задача (зачем)	Спроектировать, собрать и защитить активный звукосниматель с DSP-обработкой для виолончели; выступить с проектом на соревновательном треке («Инженеры будущего», проектные конкурсы НТО); провести пилотные испытания комплекта с музыкантами оркестра/филармонии
Объём и формат	≈ 72 акад. часа: 36 занятий × 2 ч, 2 раза в неделю (~4,5 месяца, «ближайший горизонт»); + самостоятельная практика между занятиями; принцип «часов столько, сколько нужно голове» — контрольные точки пропускают вперёд только при достижении цели фазы
Оборудование и среда	Платы WeAct: STM32H743VIT6 (DSP-флагман), STM32U585CIU6 (бортовой блок), STM32F411 BlackPill (учебная), STM32G031 (сервисная), ESP32-C6 (BLE-управление); Arduino-совместимая плата (STEMduino) — мост фазы A и измерительный инструмент; 2× кодек ES8311+NS4150B; датчик MEAS LDT0-028K; осциллограф Rigol DHO804 (4 канала, 12 бит — методики в «Лабораторном практикуме»); макетная плата, мультиметр, паяльная станция; ПО: Falstad + ngspice/LTspice (готовый проект `frontend.cir`), KiCad (трек в Приложении 3), STM32CubeIDE/CubeMX, CMSIS-DSP, REW/Audacity; докупить: ОУ (OPA1671/MCP6022; альтернативы — в компаньоне), пассив 100 кОм–33 МОм, BAT54S, экранированный кабель и корпус, LiPo 1S + TP4056 + LDO
Ограничения	ТБ: пайка, LiPo, пики пьезо до десятков вольт; работа только с безопасным низковольтным питанием (≤ 9 В), без сетевых 220 В цепей; инструмент ученика — концертный, крепёж датчика только неразрушающий (мастика/воск/акриловый скотч)

Аутентичная задача. Когда обучающийся выйдет с этого модуля, он сможет: представить жюри инженерного соревнования работающий активный звукосниматель собственной разработки (аналоговый фронтенд + цифровой DSP-тракт с латентностью < 10 мс), обосновать каждое схемотехническое и программное решение измерениями — и провести пилотное испытание комплекта с музыкантами оркестра.

Честная калибровка внешних наград. Льготы БВИ привязаны к актуальному перечню олимпиад РСОШ конкретного сезона; статус «Инженеров будущего» и проектных треков НТО в перечне надо сверять в начале модуля (веха занятия 2). Модуль спроектирован так, чтобы проект был сильным при любом статусе перечня: работающий прототип + слепой A/B-тест с профессиональными музыкантами + письмо поддержки оркестра — это портфолио, ценное само по себе.

Образовательные цели

№	Обучающийся …	Блум—Андерсон	Миллер	Чем проверяем (раздел «Оценивание»)
1	объясняет базовые законы цепей (Ом, мощность, делитель, логические уровни) и физику пьезоэффекта (источник заряда, ёмкость, импеданс) своими словами и расчётом	понимать	знает	мини-тесты + теоретическая задача
2	собирает и измеряет цепи на макетной плате по принципиальной схеме и синтезирует цепь под заданный ток/функцию	применять	показывает как	пробный тур (5 задач, 100 баллов, на время)
3	рассчитывает и собирает высокоомный входной буфер / зарядовый усилитель с защитой входа и смещением от однополярного питания, подтверждая расчёт измерением АЧХ	применять / анализировать	показывает как	практикум: расчёт → LTspice → макет → измерение f среза (совпадение ±20%), чек-лист
4	находит и устраняет неисправности в аналоговом и цифровом тракте (гул, наводки, джиттер, «заикания» DMA) по систематической методике	анализировать	показывает как	дебаг-кейсы с намеренно внесёнными неисправностями, протокол диагностики
5	создаёт прошивку DSP-тракта (SAI+DMA double buffer → biquad-EQ → компрессор/лимитер → IR-свёртка) с измеренной сквозной латентностью < 10 мс	создавать	делает	работающий прототип; замер латентности осциллографом/loopback; код-ревью наставника по рубрике
6	проектирует и проводит слепое A/B-сравнение своего тракта с эталонной записью через конденсаторный микрофон и с пассивным пьезо, делает выводы для итерации	оценивать	делает	протокол испытания с ≥3 слушателями-музыкантами, отчёт с выводами
7	защищает инженерный проект перед жюри: паспорт проекта, демонстрация вживую, ответы на вопросы по любому узлу схемы и кода	создавать	делает	пробная защита по рубрике жюри инженерных соревнований (ниже) + подача заявки на трек

Цели уровня «применять» и выше — 6 из 7: модуль практический.

Оценивание

Спроектировано до контента. Каждой цели — средство того же уровня: тесты только для цели 1; цели 2–7 проверяются только деланием.

Входная диагностика (занятие 1, 30 мин)

Мини-задание руками: зажечь светодиод от 3,3 В через резистор — выбрать номинал из кучки (проверяем реальный стартовый ноль/не ноль).
5 вопросов: что такое ток/напряжение/сопротивление; читал ли схему; паял ли; программировал ли; на чём.
Мотивационное интервью: какой звук хочет получить (референс-записи виолончели), сколько времени готов давать между занятиями, отношение к соревнованию (цель или средство).
Аудио-профиль: записываем 3 референса — акустика в комнате, пассивный пьезо «как есть», студийная запись из фонотеки. Это нулевая точка для цели 6.

Контрольные точки

Занятие	Что проверяем (цель №)	Средство	Тип
3, 5	1	квизы 5 вопросов + расчётная задача	формирующее
6	1, 2	1 теор. + 4 практ. задачи, 100 баллов, тайминг соревновательного дня; порог перехода в фазу B — ≥ 60 баллов	рубежное
10	3	практикум «буфер»: расчёт f среза → симуляция → макет → измерение; совпадение ±20% и объяснение расхождения	формирующее
14	3, 4	защита аналогового фронтенда: АЧХ 30 Гц–20 кГц, шум/гул при экранировке, дебаг-кейс «наведённый гул»	рубежное
18	4	дебаг-кейс: «звук заикается» (сломан DMA-буфер) — диагностика по протоколу	формирующее
24	5	демонстрация DSP-цепочки: EQ+лимитер на H743, замер латентности	формирующее
28	5	рубеж фазы C: полный тракт с IR, латентность < 10 мс подтверждена измерением	рубежное
32	6	слепой A/B-тест с музыкантами, протокол и выводы	формирующее
35	7	пробная защита в условиях, приближенных к соревнованию: 7 мин доклад + 5 мин вопросы «злого жюри»	итоговое
36	все	рефлексия + таблица «цель → достигнута?» + план заявки на трек	итоговое

Рубрика итоговой защиты (по логике жюри инженерных соревнований)

Критерий	0 баллов	1 балл	2 балла
Работоспособность	прототип не звучит вживую	звучит с оговорками (гул/заикания)	стабильная живая демонстрация на инструменте, латентность подтверждена
Обоснование решений	«так было в интернете»	объясняет часть номиналов и настроек	объясняет каждый номинал, каждый регистр/функцию, показывает измерения
Инженерная культура	навесной хаос, нет схемы	схема есть, монтаж небрежный	принципиальная схема, экранированный корпус, читаемый код с комментариями
Испытания и данные	нет измерений	АЧХ или латентность измерены	АЧХ + латентность + слепой A/B с музыкантами, выводы
Презентация	читает со слайдов	связный доклад	доклад + живая игра + уверенные ответы на вопросы

Максимум 10; цель пробной защиты — ≥ 8.

Рубрика код-ревью прошивки (цель 5)

Критерий	0	1	2
Структура	всё в main()	разнесено по модулям частично	тракт: драйверы / DSP-цепь / управление разделены
DMA-дисциплина	обработка в прерывании «сколько успеем»	флаги half/full есть, но копирования лишние	double buffer, обработка вне ISR, ни одного лишнего memcpy
Понимание	не может объяснить строки	объясняет с подсказками	объясняет каждую функцию CMSIS-DSP и выбор параметров

Путь обучающегося

Распределение по Такману (36 занятий): формирование ~15% (1–6), шторм ~15% (7–11), активная работа ~60% (12–32, пик сложности — фаза C), завершение ~10% (33–36). Роль наставника по SSDL: тренер → мотиватор → фасилитатор → консультант.

    flowchart LR
    A["Занятия 1–6<br/>Фаза A: Основы<br/><br/>SSDL: тренер-инструктаж"] --> B["Занятия 7–14<br/>Фаза B: Аналоговый фронтенд<br/>ШТОРМ: первый гул, первые неудачи<br/>SSDL: мотиватор"]
    B --> C["Занятия 15–28<br/>Фаза C: Цифра и DSP<br/>ПИК СЛОЖНОСТИ<br/>SSDL: фасилитатор"]
    C --> D["Занятия 29–36<br/>Фаза D: Интеграция, испытания,<br/>защита, рефлексия<br/>SSDL: консультант-делегирование"]

№	Тема	Цель занятия (одна)	Retrieval-разминка	Основная активность	Мини-проверка
1	Старт. Ток, напряжение, закон Ома руками	измеряет U, I, R мультиметром в собранной цепи	— (входная диагностика)	worked example: светодиод + резистор, расчёт номинала	собрал цепь на 2 светодиода, посчитал резисторы
2	Делитель напряжения. Потенциометр. Сверка перечня олимпиад	рассчитывает и собирает делитель под заданное Uвых	3 вопроса зан. 1	практика: делитель, потенциометр, фоторезистор	делитель 5В→1,65В с проверкой мультиметром
3	Мощность. Последовательно/параллельно	решает расчётные задачи формата турнира	квиз 5 вопросов (Ом, делитель)	эталонное решение задачи 3 регламента (28 мА из набора) → своя вариация	задача «синтез цепи под ток» на время
4	Логические уровни. И/ИЛИ/НЕ. Кнопки и подтяжки	собирает схему по таблице истинности	3 вопроса (мощность, параллельность)	worked example: задача 4 регламента (2 кнопки, 3 светодиода)	своя таблица истинности → сборка
5	Логика на микросхемах CD4069/4071/4081	реализует функцию на логических ИМС	квиз: таблицы истинности	эталон: F=(НЕ A)·(НЕ B) из регламента → модификация	функция с 30-балльной сложности
6	Рубеж фазы A	выполняет 5 задач в соревновательном тайминге	кумулятивный квиз занятий 1–5	тур 100 баллов по регламенту; пост-разбор ошибок	≥ 60 баллов; рефлексия ошибок
7	Пьезоэффект. LDT0-028K как источник заряда	объясняет, почему пьезо нельзя включить «в микрофонный вход»	3 вопроса (делитель, импеданс из тура)	эксперимент: осциллограф/АЦП на пьезо, наблюдение пиков десятки вольт	расчёт f среза для Rвх 1/10/100 МОм
8	Операционный усилитель. Повторитель	собирает буфер-повторитель на макетке	RC-фильтр, ёмкость датчика	worked example: буфер на MCP6022, каждый номинал объяснён	буфер работает, сигнал на выходе
9	Смещение от однополярного питания. Виртуальная земля	рассчитывает bias-цепь 2×10 МОм + 1 мкФ	ОУ: входы, питание	практика: смещение, проверка рабочей точки	Uвых покоя = ½ питания ±5%
10	Частота среза. АЧХ. LTspice (рубеж: практикум «буфер»)	подтверждает расчётную f среза измерением	закон Ома в комплексной форме (качественно)	симуляция → макет → снятие АЧХ по точкам	совпадение расчёт/измерение ±20%
11	Защита входа. Диоды Шоттки. Пики фортиссимо	собирает защиту 100 кОм + BAT54S и доказывает её работу	биасирование, f среза	эксперимент: пиццикато-удар, ограничение пика на осциллографе	пик ограничен, звук не искажён
12	Зарядовый усилитель — альтернатива	сравнивает буфер и charge amp по НЧ и наводкам	защита, пики	worked example: charge amp, расчёт C обратной связи	обоснованный выбор схемы для проекта
13	Экранировка и монтаж высокоомных цепей	переносит буфер в экранированный корпус	все схемы фазы B (кумулятивно)	пайка, охранное кольцо, экран-кабель; ТБ пайки	гул 50 Гц упал не менее чем на 20 дБ
14	Защита аналогового фронтенда (рубеж фазы B)	демонстрирует фронтенд и решает дебаг-кейс	кумулятивный квиз фазы B	доклад 5 мин + кейс «наведённый гул»	рубрика фронтенда закрыта
15	Архитектура цифрового тракта. Роли плат парка	распределяет платы по ролям и обосновывает	пьезо, буфер (интервальный возврат)	разбор: H743 против U585 против F411 — почему так	схема тракта нарисована и защищена
16	I2C. Подключение и регистры ES8311	читает/пишет регистры кодека	логические уровни (возврат к зан. 4)	worked example: CubeMX + чтение ID кодека	кодек отвечает по I2C
17	I2S/SAI. Тактирование без джиттера	настраивает SAI 24 бит/48 кГц master	I2C-транзакция	CubeMX: clock tree, MCLK, проверка частот	осциллограф: BCLK/LRCK верные
18	DMA circular + double buffer (дебаг-кейс)	объясняет и чинит «заикающийся» звук	SAI-параметры	эталонный passthrough → внесённая поломка → диагностика	кейс закрыт по протоколу
19	Сквозной passthrough на F411 (учебная плата)	собирает вход→выход без обработки	DMA-флаги half/full	сборка тракта на «расходной» плате	чистый passthrough, замер задержки
20	Биквадратные IIR. Параметрический EQ	вырезает резонанс плёнки notch-фильтром	АЧХ (возврат к зан. 10 — интервальный)	worked example: arm_biquad_cascade_df1_f32, расчёт коэффициентов	резонанс найден и вырезан, до/после
21	HPF 30 Гц и «пьезо-гул». Перенос на H743	переносит тракт на боевую плату	биквады	портирование, профилирование CPU	тракт на H743, загрузка ЦП измерена
22	Динамика: компрессор/лимитер	реализует лимитер против клиппинга фортиссимо	EQ-коэффициенты	worked example: огибающая, attack/release	фортиссимо без клиппинга
23	Снятие импульсной характеристики (IR)	записывает пару «пьезо ↔ студийный референс»	компрессор	запись через USB-интерфейс, REW; деконволюция	IR-файл получен
24	Свёртка: FIR и партиционированная FFT (рубеж)	применяет короткую IR на тракте	вся DSP-цепь (кумулятивно)	arm_fir_f32 → почему FFT-свёртка; замер латентности	EQ+лимитер+IR работают, латентность записана
25	Оптимизация под Cortex-M7/M33. Бюджет 10 мс	укладывает тракт в бюджет латентности	FFT-свёртка	размер блока 128@48к = 2,7 мс; кэш, CCM RAM	сквозная латентность < 10 мс измерена
26	Бортовой вариант на U585. LiPo-питание	собирает автономный блок на инструменте	оптимизация	перенос облегчённого тракта; ТБ LiPo	блок работает от батареи
27	BLE-управление пресетами (ESP32-C6)	переключает пресеты с телефона	U585-тракт	UART-мост ESP32↔STM32, протокол команд	пресеты переключаются, звук не рвётся
28	Рубеж фазы C: полный тракт	демонстрирует весь тракт на виолончели	кумулятивный квиз фаз B–C	живая игра через тракт, все замеры	рубрика прошивки закрыта
29	Механика крепления. Тембр от точки съёма	выбирает точку установки датчика по звуку	IR, латентность	эксперимент: подставка / дека / под ножкой — записи	сравнительные записи, выбор обоснован
30	Корпус, разъёмы, надёжность сцены	доводит комплект до «сценического» вида	точки съёма	пайка финальная, корпус, стресс-тест кабеля	комплект выдерживает «тряску»
31	Дизайн испытания. Слепой A/B-протокол	проектирует честный эксперимент	вся система	план: 3+ слушателя-музыканта, рандомизация, анкета	протокол утверждён наставником
32	Полевое испытание с музыкантами	проводит A/B-тест и собирает данные	—	испытание в классе/оркестре; запись	данные собраны, первичные выводы
33	Анализ данных. Итерация тракта	вносит изменения по результатам теста	протокол испытания	правка EQ/IR по отзывам; повторная запись	список изменений + подтверждение
34	Паспорт проекта. Заявка на трек. Презентация	собирает документацию соревнования	выводы испытаний	паспорт, схема, репозиторий, слайды	пакет заявки готов
35	Пробная защита (условия соревнования)	защищает проект перед «злым жюри»	кумулятивный квиз всего модуля	7 мин доклад + 5 мин вопросы; видеозапись	≥ 8/10 по рубрике
36	Рефлексия. Передача ответственности	планирует самостоятельное развитие проекта	—	разбор видеозаписи защиты; таблица целей; план: подача заявки, письмо оркестру, следующая итерация	все цели сверены; план подписан учеником

Интервальные возвраты встроены: закон Ома → расчёт буфера (зан. 8–10) → бюджет питания (26); делитель → bias (9) → АЦП-уровни (17); логика → регистры (16); АЧХ → EQ (20) → IR (23); кумулятивные квизы на занятиях 6, 14, 24, 28, 35.

Подробное содержание занятий — в файлах фаз: Фаза A, Фаза B, Фаза C, Фаза D.

Материалы наставника: Наставнический компаньон (схемы с поэлементным разбором, симуляция frontend.cir, банк вопросов ученика, компонентная база, честное позиционирование против коммерческих систем), Лабораторный практикум DHO804, Приложения (STEMduino-мост, уличная эксплуатация, KiCad-трек собственной платы), Физика звука: 4 микроурока (+ скрипт sound_lab.py),

Теорминимум: 12 карточек с 12 отдельными разборами.

Код: каталог fw/ — построчно комментированные эталоны прошивок занятий 16–25 (карта и дисциплина): fw01 I2C+ES8311, fw02 SAI/DMA-passthrough, fw03 EQ+лимитер+пресеты, ir_tools.py, fw04 FIR-IR, fw05 партиционированная свёртка (completion problem, ключ наставника отдельно). Закупка: BOM_cello_pickup.xlsx — полный BOM с логикой замен «не хуже» и разделом F расширенного изучения.

Уровни сложности

🟢 База

Теория, собирает буфер по разобранному примеру; запускает готовый passthrough и меняет параметры EQ.

🟡 Продвинутый

Сам рассчитывает и обосновывает номиналы; чинит дебаг-кейсы без подсказок; реализует компрессор и короткую IR; латентность < 10 мс подтверждена.

🔴 Олимпиадный

Полный комплект: бортовой блок + BLE + слепой A/B-тест с музыкантами; защита ≥ 8/10 в соревновательном тайминге; заявка на трек подана.

Данные и итерация

Входная диагностика: стартовый уровень руками, мотивационный профиль, аудио-нулевая точка (3 референс-записи);
По фазам: баллы рубежей ( защита фронтенда, рубеж DSP, пробная защита), время решения задач на время, журнал дебаг-кейсов (сколько подсказок потребовалось — метрика роста самостоятельности по SSDL);
После модуля: таблица «цель 1–7 → достигнута/частично/нет» с доказательством (артефакт/замер); сравнение записей «нулевая точка ↔ финальный тракт»; результаты слепого A/B;
Для индивидуального формата вместо топ/боттом-30% группы — динамика самого ученика: время на однотипную задачу в занятиях 3 → 6 → 35, доля дебагов без подсказки;
Выводы запуска фиксируются в этом разделе после занятия 36 → изменения в следующую итерацию модуля (или в групповую версию для кружка).