какие мк являются основами arduino
Что такое Arduino?
Содержание
Содержание
На сегодняшний день про платформу Arduino слышали многие, но что это и зачем? Arduino — это самая динамично развивающаяся и доступная платформа с низким порогом вхождения, которая доступна как для начинающих и делающих первые шаги в программировании, так и для профессионалов. А как она работает и почему так популярна — разбираемся.
Возможности
Платформа Arduino представляет собой комбинацию среды быстрой разработки Arduino IDE и модулей для прототипирования на базе микроконтроллеров. Фактически, Arduino это — простейший электронный конструктор для создания готовых устройств из отдельных модулей. Arduino пользуется огромной популярностью во всем мире из-за контроллеров, модулей и шилдов.
Arduino — это не просто универсальный микроконтроллер, который можно адаптировать под любой проект за минимальное время. Это простейшая и доступная для изучения среда разработки Arduino IDE, которая служит для вовлечения в программирование и робототехнику, а также для быстрой разработки проектов. На основе Arduino можно собрать 3D-принтер или станок с ЧПУ. Все это происходит благодаря тому, что у платформы Arduino одно из самых больших сообществ, а также доступно огромное количество примеров, руководств и готовых библиотек для разработки.
Модули Arduino
Модули базовых контроллеров Arduino получили широкое распространение благодаря своей универсальности. Популярные платы Arduino Uno и Leonardo имеют достаточный набор периферии, а платы Mega и Due — расширенный. Даже компактные модули типа Pro, Micro и Nano подойдут для собственного проекта. В последнее время появились модули Mega сразу с установленным SoC ESP8266 и беспроводной связью Wi-Fi на борту.
Модули Arduino представляют собой платы со встроенным процессором, памятью и периферией, которая позволяет реализовать базовый функционал посредством одной всего платы. Для расширения возможностей служат дополнительные модули-шилды, которые работают с двигателями и сенсорами различных типов, а также способны читать и писать на карты памяти и накопители, поддерживают USB Host, умеют работать с Ethernet, Bluetooth и Wi-Fi. Модули расширения уровня Industrial имеют гальваническую развязку, а модули для умного дома подойдут с целью прототипирования устройств IoT ( «интернета вещей»). Вы даже можете сделать свой собственный web-сервер на основе Arduino.
На сегодняшний день существует множество оригинальных разновидностей и популярных клонов, а также огромное количество совместимых модулей-шилдов. Обратите внимание на приведенную Arduino Nano — это компактный модуль с 8-битным контроллером, на борту которого размещается приличный набор периферии (аналого-цифровые преобразователи, ШИМ-генераторы и таймеры, последовательные интерфейсы и так далее).
Для прототипирования и обучения доступен огромный арсенал периферии. Это разнообразные сенсоры, большинство типов датчиков и исполнительных механизмов, различные дисплеи, буферные и усилительные модули, драйверы двигателей, модули для беспроводной связи и управления. Модули комбинируются с основной платой-контроллером и затем конфигурируются в среде Arduino IDE.
Для создания проектов не требуется специальных навыков, так как для создания скетчей-программ (прошивок) для микроконтроллеров Arduino, а также для подключения, загрузки кода и мониторинга обмена данными служит специальная программная оболочка Arduino IDE, которая постоянно обновляется сообществом. На сегодняшний день Arduino IDE имеет качественные дополнения и расширения, в том числе позволяющие программировать 32-битные микроконтроллеры. Для работы с платами Arduino не требуется специальный загрузчик-отладчик или программатор, вся основная работа осуществляется средствами платформы Arduino.
Робототехнические наборы электронного конструктора Arduino дают начальные представления о принципах работы и управления, обратной связи и об обработке сигналов с сенсоров — это идеальный вариант для первых шагов в робототехнике и обучению программированию простейших алгоритмов.
Базовый механизм можно создать, имея всего две серво-машинки и два аналоговых источника сигнала для управления. Для прототипа даже не понадобятся паяльные принадлежности — весь проект собирается на монтажных беспаечных платах Arduino.
Таким образом, Arduino может стать доступной платформой для первых шагов с целью изучения программирования: для детей и взрослых существует множество интересных наборов модулей и базовых проектов.
Что может быть лучше и интереснее, чем собрать за вечер управляемого робота или автомобиль? Одновременно, возможности среды Arduino позволяют профессионалам разрабатывать прикладные проекты для промышленной автоматики и для умного дома. Arduino — это открытая платформа, и вы тоже можете стать разработчиков, создать собственный проект и присоединиться к сообществу Arduino.
IT портал Железногорска
Arduino, это одноплатный компьютер на базе микроконтроллера (МК) Atmel, с простой и бесплатной средой разработки (ArduinoIDE). Сам микроконтроллер представляет собой небольшой чип, который выполняет все вычисления.
Если производить аналогию с настольными ПК, то он имеет процессор, оперативную память и жесткий диск. Но сравнивать Arduinoс обычным компьютером не совсем корректно, т.к. они сделаны для других дел. А предназначены МК в первую очередь для работы с разными датчиками и модулями. Например, можно подключить lcd-экран или семисегментый индикатор, подключить температурный датчик и мы получим цифровой термометр.
Микроконтроллеры
МК имеет ножки ввода/вывода (в/в), они указаны на фото снизу, они предназначены для связи с внешним миром, именно к ним, мы бы подключали термометр и экран из предыдущего примера.
До появления Arduinoконтроллеры прекрасно себя чувствовали, на них делалось абсолютно то же самое, что сейчас на «дорогом» Arduino. Но программировать их было достаточно тяжело.
Язык Assembler
Т.к. ресурсы МК не бесконечны и, можно сказать, они очень ограничены, всего 16кб в ATmega328 на программу. Основным языком программирования МК является Assembler – низкий язык. Прошивки на нем выполняются практически мгновенно и занимают меньше места. Но на создание уходит уйма времени, код получается громоздким и нечитабельным, а также требуются хорошие знания периферии МК.
Язык «С» для МК
Технологии развивались, программы требовалось писать быстрее и для этого добавили поддержку языка «С». Программирование на «С» стало намного быстрее, текст программы стал читабельным, его легко было модернизировать и понимать, но программы стали занимать больше места и выполняться медленнее, потому что при написании на Assemblerпрограммист знал, куда деваются ресурсы МК, а на «С» стали появляться встроенные функции, и о том как они работают на уровне железа оставалось только догадываться.
Язык «С» был намного понятнее Assembler’а, но программисту все еще необходимо было за многим следить: назначать порты в/в, подключать сторонние библиотеки и т.д. Таким образом, для работы с ЖК-дисплеем, надо было скачать из интернета файл с библиотекой, установить его в программу, а они не все корректно работали, и на это уходило достаточно много времени. Это были проблемы, связанные только с программной частью, а не будем забывать про аппаратную, к каждому контроллеру желательно установить кварцевый резонатор, он предназначен для синхронизации частоты процессорного такта, иначе от физических условий она будет не стабильной. Частота работы контроллера изменялась бы от температуры окружающего пространства, давления и т.д.
Смысл Arduino
Чтобы упростить нам жизнь и придумали Arduino, они поработали и над программной частью и над аппаратной, покупая плату, она уже будет с установленным резонатором, выведенными и подписанными портами в/в, в большинстве случаев будет установлен чип для прошивки и подключения Arduino к ПК. Среда разработки позволяет писать на С-подобном языке, есть огромное количество встроенных библиотек для работы с модулями и датчиками, множество примеров, чтобы работать с ними, а так же встроенный терминал для связи Arduino с ПК по UART.
Преимущества Arduino
Недостатки Arduino
К недостаткам следует отнести объемный исходный код скетчей, вспомним, что в МК памяти всего 16кб, а в каждой плате Arduino «зашит» свой загрузчик(bootloader), он заставляет контроллер понимать и запускать прошивки, но весит 2кб, т.е. у нас остается 14кб. А сам код в Arduinoстал более объемным по размеру, поэтому разработчик сильно привязан к памяти и иногда приходится жертвовать определенным функционалом. Это является основной проблемой платы Arduino, в остальном оно является отличной основой для создания «умного дома».
Что нас ждет далее?
В последующих статьях мы поговорим о типах Arduino и их отличиях друг от друга, подключении с нуля и заливки первого скетча, установки драйверов и программы ArduinoIDE.
И снова привет всем любителям и новичкам программирования Arduino!)
Это третье видео (статья) из серии «основы Arduino для начинающих» и сегодня мы поговорим о внутренностях платы Arduino Uno и их предназначении, а так же уделим немного внимания её микроконтроллеру Atmega328.
Предыдущие выпуски вы найдете здесь: 0,1,2
В прошлом выпуске мы говорили о том, какую плату для дальнейшего обучения лучше выбрать и остановились на использовании Arduino Uno третьей ревизии. Давайте же поближе познакомимся с компонентами этой платы и их предназначением, а также попробуем составить некоторую упрощенную структурную схему ее функционирования. Думаю, она позволит вам лучше понимать основной принцип взаимодействия отдельных узлов схемы и работу всей платы в целом.
Итак, слева я буду показывать китайский аналог Arduino Uno и его компоненты, а справа, шаг за шагом, мы будем строить функциональную схему.
С чего начинается любая схема? Конечно же, это различные компоненты, отвечающие за ее питание. Поэтому первым в нашей функциональной схеме мы выделим именно это. Вообще, у Arduino есть три пути получить энергию для работы: это питание по шине USB, от специального разъема питания на плате или входа Vin. Давайте разберем их все по отдельности.
Подключая плату к компьютеру посредством USB-интерфейса, вы подаете питание на Arduino благодаря четырехпроводной структуре шины USB, где 2 провода отвечают за передачу команд, а два других провода за непосредственное питание устройств. Именно по этим проводам Arduino и получает рабочее напряжение величиной 5В как это видно на принципиальной схеме. Так же, это напряжение поступает на вход стабилизатора напряжения, который понижает его до +3.3В, что необходимо для питания некоторых отдельных компонентов, подключаемых к Arduino, рассчитанных на это напряжение. Кстати, в качестве защиты от большого потребления тока вашей платой, на самом входе питающей линии разработчики установили небольшой предохранитель на 500мА, который, в случае различных обстоятельств, защитит USB-порт компьютера и плату Arduino от возможного выхода из строя.
все картинки кликабельны 🙂
И, наконец, вывод Vin на плате Arduino. Если посмотреть на схему питания, то можно увидеть, что, при подключенном источнике питания к разъему, с этого вывода можно будет получить это же самое напряжение, правда, чуть меньшее из-за небольшого падения на диоде.
Ну а если теперь подключить источник питания к этому выводу, то напряжение так же попадет на стабилизатор 5В и плата будет запитана. Это удобно в случае использования различных батарей или аккумуляторов без специальных разъемов питания.
Стоит отметить, что Arduino сама выбирает источник питания с самым большим напряжением, и в этом ей помогает специальный элемент, называющийся компаратором. Если в двух словах, то компаратор, это такое устройство, которое сравнивает подаваемый на него сигнал с каким-либо опорным значением, и, если этот сигнал превышает опорное значение, то компаратор выдает на своем выходе логическую единицу (в нашем случае +5В).
Итак, с блоком питания разобрались, идем дальше.
На очереди у нас связующее звено между компьютером и программируемым нами микроконтроллером. Это еще один микроконтроллер ATmega8U2, либо, в более новых версиях ATmega16U2, который практически не заметен на плате.
Этот микроконтроллер представляет собой USART, что в переводе означает «Универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик». Именно он осуществляет передачу данных по самому распространенному на сегодняшний день протоколу RS-232, c помощью которого связывает COM-порт вашего компьютера и программируемый микроконтроллер.
Помните, мы говорили, что USB-кабель имеет 4 провода, два из которых питающие, а два других – сигнальные? Так вот, именно по сигнальным проводам и происходит передача данных от ПК к микроконтроллеру и обратно, а свидетельствуют о приеме, либо передаче, специальные светодиоды на плате, имеющие названия Rx и Tx, где R это сокращение слова Receive, то есть прием, а T – transmit – то есть отправление. Причем выводы Rx и Tx всегда подключаются разноименно, то есть Rx принимающего устройства соединяется с Tx передающего, и наоборот. Это видно из схемы подключения двух микроконтроллеров на плате Arduino. Для тех, кто желает знать о том, как передаются данные по USB при помощи UART, я рекомендую ознакомиться с этой ссылкой.
Ну вот, наконец, мы и подошли с вами к главному компоненту платы Arduino – микроконтроллеру Atmega328P, который, собственно, и является основным вычислительным центром этой платформы. Давайте разберемся, из каких основных частей он состоит.
В обобщенном виде, любой микроконтроллер можно разбить на три составляющие части:
1. Вычислительный блок, иначе именуемый как арифметико-логическое устройство или процессор. Также, наверняка многие из вас слышали или видели такую аббревиатуру как CPU (Central Processing Unit) что в переводе на русский значит «центральное процессорное устройство». Именно этот блок является самой главной частью системы и предназначен он для выполнения различных операций с числами. А вот уже последовательность этих операций называется программой. Каждая операция кодируется в виде числа и записывается в память микроконтроллера, но об этом, в другой раз..
3. Наконец, третьей составляющей частью микроконтроллера являются так называемые порты ввода-вывода. Если процессор и память находятся где-то в глубине корпуса микроконтроллера и мы их не видим, то порты ввода-вывода всегда на виду – вот они, в виде небольших металлических ножек.
Конечно же, не стоит забывать, что некоторые ножки отвечают за питание и прочие компоненты, подключаемые к микроконтроллеру, но большинство из них все-таки являются портами ввода-вывода, отвечающими за непосредственное управление микроконтроллером различными датчиками, модулями, светодиодами, транзисторами и так далее. Подавляющее большинство этих портов были выведены разработчиками Arduino по краям платы и, для удобства работы, подписаны.
Именно с этими портами нам и предстоит работать в дальнейшем, ведь суть любой микропроцессорной системы сводится к управлению чем-то извне, а иначе, зачем нам микроконтроллеры? 🙂
Как уже было сказано ранее, центральный процессор является основным мозгом микроконтроллера и именно он управляет модулем памяти и портами ввода-вывода. Более подробно о работе с портами ввода-вывода мы поговорим уже через один выпуск, когда будем работать со светодиодом и кнопкой, ну а сейчас я бы хотел заострить внимание на еще одном компоненте на плате, который мы не назвали – это генератор тактовых импульсов или кварцевый резонатор.
Так же на плате Arduino вы могли заметить небольшую кнопку – она называется кнопкой сброса или RESET, и при нажатии на нее переводит наш микроконтроллер в исходную позицию, с которой он начинал свою работу.
Итак, мы познакомились с вами с основными составляющими платы Arduino и совсем немного поговорили о микроконтроллере ATmega. Хочу заметить, что изучению структуры и принципам работы микроконтроллеров можно посвятить большой отдельный курс, поэтому я не стал углубляться в эту тему и рассчитываю на вашу дальнейшую любознательность и стремление изучить и понять как можно большее в этой интересной сфере. В качестве дальнейшего учебного пособия по изучению микроконтроллеров AVR, не сочтите за рекламу, я советую вам книгу Белова А.В., в которой, на мой взгляд, достаточно доступным языком описаны все нюансы работы с микроконтроллерами.
Ну а на этом обзорный пост платы Arduino подходит к концу и в следующем выпуске мы познакомимся со средой программирования Arduino IDE – то есть её установкой, настройкой и пользовательским интерфейсом. Надеюсь, что данный материал был полезным и интересным для вас, спасибо за внимание и до встречи в новом выпуске! 🙂
Микроконтроллеры Ардуино для чайников
Ардуино – один из популярнейших микроконтроллеров для создания разнообразных автоматизированных систем. Благодаря множеству библиотек и вспомогательных модулей на любой вкус, будь то датчик движения или wi-fi адаптер, плата стала любимцем конструкторов.
Сейчас можно увидеть большое разнообразие изделий на основе Ардуино и столько же инструкций по тому, как и что делать. Но давайте разберёмся, что собой представляет данный микроконтроллер и к чему стоит быть готовым новичкам. А также узнаем, какой язык программирования используется в основе большинства библиотек.
Характеристики МК Arduino
В зависимости от того, какой микроконтроллер Ардуино вы приобрели, его характеристики будут различаться. Так, в Arduino micro pro чуть больше пинов и другой объём постоянной памяти, что позволяет подгрузить дополнительные библиотеки.
Но, в целом, любой микроконтроллер этой системы представляет собой простое AVR устройство с уже заготовленной прошивкой. Пользователю остаётся лишь добавить подходящие библиотеки или использовать уже имеющиеся. После чего можно моментально приступать к работе. На всех платах имеется USB-UART порт для упрощения работы с устройством.
Достоинствами Ардуино являются:
Сам микроконтроллер строится на одной схеме, на ней присутствует несколько основных элементов, о которых мы расскажем чуть ниже. В зависимости от выбранного модуля, может различаться объём постоянной памяти и количество пинов. Последнее влияет на то, сколько устройств вы сможете подсоединить к своему микроконтроллеру. Программная часть реализована на низкоуровневом языке программирования, что позволяет с точностью управлять любыми телодвижениями платы, вплоть до малейших сигналов и написания полноценных самообучающихся нейросетей.
Плата Ардуино pro mini и сенсор расстояния
Вся информация с модулей и датчиков передаётся на центральный микроконтроллер, он выводит её в консоль и обрабатывает согласно заложенному скрипту.
Или же, чтобы огонёк на кнопке запуска горел красным, когда устройство включено. Всё это также контролируется и настраивается на программном уровне.
Конечно, если вы никогда раньше не имели опыта с программным кодом и не знаете базовых алгоритмов – лучше пользоваться заготовленными библиотеками. А вот для программистов-инженеров на Ардуино полностью развязаны руки, о чём мы поговорим чуть ниже. Но, для начала, давайте разберём аппаратную часть.
Аппаратная часть Arduino
Для начала стоит уяснить, что собой представляет микроконтроллер. По логике, это небольшое устройство, к которому подключаются все остальные элементы системы. Ардуино должен координировать их работу при помощи прописанных в нём скриптов, выдавая соответствующие электрические сигналы. Для стандартного МК Ардуино сигналом является 5 вольт – это единичка, а отсутствие сигнала – нолик.
Именно на таком принципе построено программирование двоичным кодом. Но от такой системы мы уже давно ушли, и потому к устройству можно подключать трансформаторы переменного тока и дополнительные резисторы, ведь некоторым модулям требуется ток в 3.2-4.7 Вольт.
Соответственно, аппаратная часть Ардуино в стандартной комплектации представлена чипом с постоянной памятью, набором из резисторов и транзисторов, а также несколькими пинами. Такая простая конструкция позволяет пользователю самому навешивать «улучшения» по необходимости.
С «коробки» в микроконтроллер устанавливается стандартная прошивка, способная распознавать базовые АТ команды. Пользователь может переустановить её или перепрошить Ардуино по желанию, но стоит учитывать, что без должного опыта вы можете получить бесполезную и неработающую плату.
Как несложно догадаться, изначально Ардуино – это лишь инструмент, который позволяет координировать работу всей системы. А делает он это при помощи встроенных в него библиотек, которые можно устанавливать в систему дополнительно, по необходимости. Вплоть до того, что вы можете поставить вспомогательную карту памяти, если не хватает места. А сами же библиотеки написаны на низкоуровневом C++, который обеспечивает полный контроль над работой микроконтроллера, но имеет и ряд весомых недостатков, о которых мы и поговорим ниже.
Язык программирования Arduino
Ардуино полностью построен на низкоуровневом языке С++, у которого имеются как свои почитатели, так и ненавистники. Перед тем, как разобрать его достоинства и недостатки, стоит понять, что любой мультипарадигмальный ЯП (язык программирования, способный решать различные задачи, используя базовые парадигмы) является лишь инструментом.
Даже самый неудобный и кривой ЯП в руках хорошего специалиста способен на всё, чему существуют тысячи подтверждений. Но если рассматривать плюсы С++, то мы получим:
Из его главных достоинств выплывают и некоторые недостатки:
Однако, если вас всё же не устраивают особенности этого языка, то всегда можно испытать С99, применяемый на микроконтроллерах конкурентов. Там все недостатки усугубляются в разы, а библиотеки функций становятся поистине непонятными.
Что может микроконтроллер Arduino
По сути, микроконтроллер Ардуино способен лишь посылать электрические сигналы и принимать их от модулей, подсоединённых к нему. Однако, если рассматривать микроконтроллер в другой перспективе, то он способен практически на всё, достаточно заложить в него качественный код и подключить нужные датчики.
Интересные проекты на базе МК Arduino
На Ардуино уже создано тысячи проектов, а многие инженеры ведут собственные блоги или каналы на YouTube, где вы можете ознакомиться с их творчеством. Из интересных идей, стоит отметить следующие:
Проектов на деле в тысячи раз больше, вам остаётся лишь подключить свою фантазию, а инструментарием послужит Ардуино.