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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Arduino. Conoscenza. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Progettista radioamatore Probabilmente, nella vita di ogni radioamatore alle prime armi, arriva un momento in cui non si accontenta più dei più semplici dispositivi elettronici. C'è il desiderio di progettare qualcosa di praticamente utile. Tuttavia, difficilmente ci si può aspettare che dispositivi basati su una coppia di transistor risolvano problemi più o meno complessi. D'altra parte, un programmatore alle prime armi potrebbe desiderare che i programmi che scrive controllino una sorta di robot autonomo o un altro dispositivo simile. Una cosa è quando un programma funziona semplicemente con le informazioni nella memoria del computer, e un'altra è quando un robot, obbedendo a un programma scritto, fa un "viaggio" per la stanza o un microcontrollore programmato diventa parte di qualche dispositivo utile. Allo stesso tempo, né un radioamatore alle prime armi né un programmatore hanno ancora conoscenze e abilità sufficienti per ripetere, figuriamoci riprogettare un dispositivo a microcontrollore. Dopotutto, infatti, un microcontrollore è un computer molto piccolo e semplice, ma pur sempre un computer. È necessario conoscere in dettaglio l'architettura di un particolare microcontrollore, studiare il linguaggio assembler ad esso specifico. Il modo più semplice per risolvere questo problema è utilizzare un kit già pronto per creare robot come quelli realizzati dal famoso produttore di tutti i tipi di designer per bambini: Lego. Tale kit contiene tutti i componenti necessari per la fabbricazione di un robot: un'unità microcontrollore, motori elettrici, sensori. L'indubbio vantaggio di un tale set è che è possibile progettare un robot basato su di esso in modo molto semplice e rapido. Tutto il software necessario è incluso nel kit e ha un'interfaccia intuitiva. La documentazione tecnica è progettata per i più giovani amanti della tecnologia. Tuttavia, secondo l'autore, per un set non molto ampio di sensori e attuatori, nonché un set di parti in plastica standard, dovrà essere pagato un importo irragionevolmente elevato. Tuttavia, ciò non nega il fatto che tali designer siano più adatti per la fascia di età più giovane. Nonostante l'alto costo dei costruttori specializzati, l'idea stessa di utilizzare un numero relativamente piccolo di unità funzionali standard per creare un dispositivo complesso sembra abbastanza sensata. Questo è il percorso seguito dagli sviluppatori della scheda Arduino con il microcontrollore della serie AVR e molte schede di espansione per esso. La versione più comune di questa scheda oggi è Arduino UNO. Per creare programmi personalizzati, esiste un ambiente di sviluppo specializzato Arduino IDE, in cui la programmazione viene eseguita in un linguaggio basato sul linguaggio C ++ ampiamente utilizzato. Il grande vantaggio di Arduino è la sua apertura quasi completa. Sul sito Web ufficiale dello sviluppatore è possibile scaricare gratuitamente l'ambiente di sviluppo [1,2]. Quando si avvia, quello mostrato in Fig. 1 finestra in cui è possibile inserire il programma, tradurlo in codice macchina, caricarlo nel microcontrollore della scheda Arduino ed eseguirlo per l'esecuzione.
Va notato che la società di sviluppo Arduino si è divisa in due società indipendenti, Arduino LLC e Arduino SRL, che continuano a produrre prodotti con lo stesso marchio, il che crea confusione. Tuttavia, il software viene aggiornato regolarmente, ci sono versioni per Windows, Linux, MacOS. Oltre al software fornito dagli sviluppatori della scheda, esistono molti altri ambienti di sviluppo, ad esempio [3]. La cartella con il software si trova nella posizione migliore nella cartella principale dell'unità C. Insieme all'editor di testo del programma e al compilatore, contiene sottocartelle con esempi di programmi tipici e una serie di librerie per la risoluzione di attività standard, che semplifica notevolmente la vita di un programmatore alle prime armi. La prima volta che colleghi la scheda Arduino al tuo computer, il sistema operativo rileverà il nuovo dispositivo e ti chiederà di installare il suo driver, anch'esso disponibile nella cartella del software. Dopo aver installato il driver, è necessario riavviare il computer. Al termine dell'installazione, verrà visualizzata una porta COM aggiuntiva in Gestione periferiche di Windows. L'uso di un linguaggio di alto livello semplifica lo sviluppo e riduce notevolmente i requisiti per le qualifiche del programmatore, ma, d'altra parte, il programma risultante non sarà ottimale in termini di memoria occupata e velocità di esecuzione. Un programma scritto in un linguaggio di basso livello (linguaggio assembler) occuperebbe molto meno spazio di memoria e funzionerebbe più velocemente. Ma negli sviluppi amatoriali, questo può essere trascurato. Naturalmente, nei casi critici, è necessario utilizzare Arduino con estrema cautela. Tuttavia, è fondamentalmente possibile utilizzare Arduino in una varietà di dispositivi: dal termostato più semplice ai veicoli aerei senza equipaggio. Ad esempio, la società aerospaziale russa "Lin Industry al" [4], impegnata nella progettazione di veicoli di lancio ultraleggeri, ha creato un'unità di registrazione dei parametri di volo basata su Arduino (Fig. 2) per il suo razzo sperimentale (Fig. 3). E gli scienziati dell'Indian Institute of Research and Science Education (Trivandrum) hanno usato Arduino in un radiotelescopio di addestramento [5].
Uno speciale programma bootloader è già scritto nel microcontrollore installato sulla scheda Arduino. Con il suo aiuto, il programma applicativo sviluppato sul computer viene scritto nella memoria del programma del microcontrollore. Il bootloader stesso occupa parte di questa memoria (da uno a quattro kilobyte, a seconda della versione), ma grazie a questa organizzazione dell'interazione con il computer, è difficile per l'utente portare il microcontrollore in uno stato non operativo utilizzando comandi errati . Un microcontrollore ATmega4P è installato sulla scheda Arduino UNO (Fig. 328), che ha 2 KB di RAM e 32 KB di memoria di programma. La frequenza di clock del microcontrollore di 16 MHz è impostata da un risonatore al quarzo. Arduino UNO non necessita di un programmatore separato, la scheda può essere collegata direttamente al connettore USB del computer, per il quale dispone di un connettore USB-BF e di un convertitore di interfaccia da USB a seriale sul microcontrollore. In altre varianti delle schede Arduino, è possibile utilizzare un connettore micro-USB per connettersi a un computer. Su schede obsolete e fatte in casa, puoi anche trovare una normale porta COM.
La scheda Arduino UNO collegata al computer è alimentata dal connettore USB. E per funzionare senza computer, deve essere alimentato con una tensione di 7 ... 12 V da una fonte esterna, per la quale la scheda dispone di un connettore speciale. Grazie al regolatore di tensione integrato, Arduino UNO non impone particolari requisiti sulla qualità della tensione di alimentazione. Quindi la sua fonte può essere quasi qualsiasi alimentatore di piccole dimensioni, la cui tensione di uscita si trova nell'intervallo richiesto, e persino una batteria galvanica da 9 V, ad esempio Krona (6F22) o due batterie 3336 collegate in serie (3R12). Sono disponibili 14 linee di ingresso-uscita digitali, denominate D0-D13, per la comunicazione con attuatori esterni e per il recupero di informazioni dai sensori. Su sei di essi, il microcontrollore può emettere impulsi con un duty cycle controllato da software (PWM). Sono contrassegnati sulla lavagna con "~". Inoltre, ci sono sei linee di ingresso analogico A0-A5. Gli ingressi analogici sono collegati a un convertitore analogico-digitale a dieci bit integrato nel microcontrollore, ma se necessario possono essere utilizzati anche come linee di ingresso-uscita digitali aggiuntive D14-D19. Da notare che da versione a versione della scheda cambia il numero di linee di ingresso analogico e di linee in grado di funzionare in modalità PWM. Ad esempio, la scheda Arduino Leonardo e la sua controparte domestica Iskra Neo hanno 12 linee analogiche e sette linee PWM. Di norma, tutte le linee I/O sulle schede sono contrassegnate, quindi è facile capirle. Sulla scheda Arduino UNO sono presenti quattro LED: un indicatore di alimentazione (ON), un LED permanentemente connesso alla linea D13 (L), e due LED per indicare lo scambio di informazioni con un dispositivo esterno tramite la porta seriale (TXi RX) , oltre a un pulsante per portare il microcontrollore nello stato iniziale. Uno dei vantaggi di Arduino è una vasta gamma di schede aggiuntive, i cosiddetti "scudi" (scudo inglese - scudo). Consentono di collegare motori elettrici e altri carichi potenti ad Arduino, fornire lavoro in reti di computer utilizzando i protocolli Ethernet e WiFi, trasmettere informazioni su una rete cellulare GSM, lavorare con il suono, ecc. Molte librerie software già pronte, sia ufficiali che ufficiali , lavorare con scudi e quelli scritti da terzi. La scheda Arduino UNO è adatta per il debug dei programmi in fase di sviluppo e per stabilire i progetti. Ma per molte applicazioni pratiche, le capacità di Arduino UNO sono ridondanti e le sue dimensioni potrebbero essere troppo grandi per essere installate nel prodotto finito. Le schede Arduino Nano e Arduino Mini sono orientate all'uso in progetti già pronti. In termini di parametri, sono quasi identici all'Arduino UNO, ma hanno un design semplificato, dimensioni più piccole e sono un po' più economici. Se le capacità di Arduino UNO non sono sufficienti, puoi utilizzare la scheda Arduino Mega con più memoria e il numero di linee I / O. L'elenco delle opzioni per le schede Arduino non si limita a questo, ma altre opzioni per lo studio iniziale sono meno adatte. Solo il nome Arduino è protetto da copyright, quindi molti produttori rilasciano le proprie versioni con i nomi Free-duino, Craft Duino, Funduino, Diavolino, ecc. Tra tutta questa diversità, ci sono design che ripetono completamente quelli originali, così come i propri progetti, la cui compatibilità con l'originale a volte è discutibile. Tuttavia, di norma, i dispositivi di diversi produttori sono standardizzati, quindi se la scheda è dichiarata come una copia di Arduino UNO, ad essa si applica tutto ciò che è stato detto su Arduino UNO, anche se, ovviamente, non puoi garantire per ciascun produttore. Un livello di qualità accettabile per un dilettante può essere fornito non solo dai produttori di dispositivi originali, ma anche da aziende poco conosciute che offrono design simili a un prezzo molto più basso. La scheda Arduino non è molto complicata ed è abbastanza conveniente per l'autoproduzione, la documentazione per questo può essere trovata sul sito ufficiale del produttore [6]. Una descrizione della scheda fatta in casa, che fa parte della famiglia Arduino, è stata pubblicata anche sulla rivista Radio [7]. Grazie a questi vantaggi, tra gli amanti dell'elettronica, Arduino è diventato di fatto una sorta di standard. L'utilizzo di blocchi funzione completi e librerie di programmi semplifica enormemente e quindi velocizza lo sviluppo. In effetti, gli shield Arduino sono "scatole nere". È importante come questo o quel blocco reagisce a determinati segnali e influenze, ma la sua struttura interna non è fondamentale. Esistono pubblicazioni stampate in russo dedicate alla descrizione di Arduino, ma, francamente, non si trovano sullo scaffale di ogni libreria o biblioteca. A titolo di esempio, possiamo citare il libro [8], e tra i periodici possiamo notare una serie di articoli sulla rivista "Levsha" (un'appendice della rivista "Young Technician"). Ecco, a partire da N. 6 per il 2012, pubblica mensilmente articoli sull'uso di Arduino [9]. Tuttavia, su Internet si possono trovare molte risorse, sia completamente dedicate ad Arduino [10-12], sia siti di più ampio orientamento scientifico e tecnico, che hanno sezioni corrispondenti [13-16]. In conclusione, puoi vedere che per facilitare il lavoro con Arduino, puoi realizzare alcuni semplici dispositivi. Ad esempio, non è molto comodo incollare le estremità spelate dei fili nelle prese dei connettori. Per questo, sono mostrati in Fig. 5 fili di collegamento speciali con capicorda, che sono sia pin che prese. È facile realizzare fili simili da soli utilizzando i contatti dei connettori. E per il collegamento rapido di dispositivi esterni, è meglio utilizzare cavi di collegamento come quello mostrato in Fig. 6, su un'estremità del quale è saldato un connettore a coccodrillo e dall'altra un contatto pin.
Spesso è necessario collegare più fili a un'uscita della scheda, ad esempio per alimentare più sensori. Qui è possibile utilizzare prese PBS o simili, i cui conduttori devono essere tutti collegati tra loro e saldati al filo di collegamento, all'estremità opposta del quale è presente un contatto pin. Per un rapido assemblaggio di dispositivi semplici senza l'uso di un saldatore, sono adatte speciali schede di prototipazione. L'aspetto di uno di essi è mostrato in Fig. 7, e lo schema è in fig. 8.
I conduttori rigidi delle parti sono inseriti nelle prese a molla di tali schede e le connessioni mancanti tra di loro sono realizzate con ponticelli o fili sopra descritti. Quindi, il vantaggio principale di Arduino, da un lato, è la presenza di capacità ben sviluppate e flessibili per diventare la base di progetti abbastanza complessi, dall'altro la quantità di conoscenza iniziale necessaria per iniziare non in realtà vanno oltre i corsi scolastici di fisica e informatica. Letteratura
Autore: D. Lekomtsev
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