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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Arduino. Connaissance. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Concepteur radioamateur Probablement, dans la vie de tout radioamateur novice, il arrive un moment où il n'est plus satisfait des appareils électroniques les plus simples. Il y a un désir de concevoir quelque chose de pratiquement utile. Cependant, on ne peut guère s'attendre à ce que des dispositifs basés sur une paire de transistors résolvent des problèmes plus ou moins complexes. D'un autre côté, un programmeur novice peut souhaiter que les programmes qu'il écrit contrôlent une sorte de robot autonome ou un autre appareil similaire. C'est une chose lorsqu'un programme fonctionne simplement avec des informations dans la mémoire de l'ordinateur, et c'en est une autre lorsqu'un robot, obéissant à un programme écrit, entreprend un "voyage" dans la pièce ou qu'un microcontrôleur programmé fait partie d'un appareil utile. Dans le même temps, ni un radioamateur novice ni un programmeur n'ont encore suffisamment de connaissances et de compétences pour répéter, et encore moins reconcevoir un dispositif à microcontrôleur. Après tout, en fait, un microcontrôleur est un très petit et simple, mais toujours un ordinateur. Il est nécessaire de connaître en détail l'architecture d'un microcontrôleur particulier, d'étudier le langage assembleur qui lui est propre. Le moyen le plus simple de résoudre ce problème consiste à utiliser un kit prêt à l'emploi pour créer des robots comme ceux fabriqués par le célèbre fabricant de toutes sortes de concepteurs pour enfants - Lego. Un tel kit contient tous les composants nécessaires à la fabrication d'un robot : une unité de microcontrôleur, des moteurs électriques, des capteurs. L'avantage incontestable d'un tel ensemble est qu'il est possible de concevoir un robot basé sur celui-ci très simplement et rapidement. Tous les logiciels nécessaires sont inclus dans le kit et disposent d'une interface intuitive. La documentation technique est conçue pour les plus jeunes passionnés de technologie. Cependant, selon l'auteur, pour un ensemble pas très grand de capteurs et d'actionneurs, ainsi qu'un ensemble de pièces en plastique standard, un montant déraisonnablement élevé devra être payé. Cependant, cela ne nie pas le fait que ces concepteurs conviennent mieux au groupe d'âge plus jeune. Malgré le coût élevé des constructeurs spécialisés, l'idée même d'utiliser un nombre relativement restreint d'unités fonctionnelles standard pour créer un appareil complexe semble tout à fait sensée. C'est le chemin suivi par les développeurs de la carte Arduino avec le microcontrôleur de la série AVR et de nombreuses cartes d'extension pour celui-ci. La version la plus courante de cette carte aujourd'hui est l'Arduino UNO. Pour créer des programmes personnalisés, il existe un environnement de développement spécialisé Arduino IDE, dans lequel la programmation est effectuée dans un langage basé sur le langage C ++ largement utilisé. Le grand avantage d'Arduino est son ouverture presque complète. Sur le site officiel du développeur, vous pouvez télécharger gratuitement l'environnement de développement [1,2]. Lorsqu'il démarre, celui illustré à la Fig. 1 fenêtre dans laquelle vous pouvez entrer le programme, le traduire en code machine, le charger dans le microcontrôleur de la carte Arduino et l'exécuter pour l'exécution.
Il convient de noter que la société de développement Arduino s'est scindée en deux sociétés indépendantes, Arduino LLC et Arduino SRL, qui continuent de produire des produits sous la même marque, ce qui crée la confusion. Néanmoins, le logiciel est régulièrement mis à jour, il existe des versions pour Windows, Linux, MacOS. En plus des logiciels fournis par les développeurs de cartes, il existe de nombreux autres environnements de développement, par exemple, [3]. Le dossier avec le logiciel est mieux placé dans le dossier racine du lecteur C. Avec l'éditeur de texte du programme et le compilateur, il contient des sous-dossiers avec des exemples de programmes typiques et un ensemble de bibliothèques pour résoudre les tâches standard, ce qui simplifie grandement la vie de un programmeur débutant. La première fois que vous connectez la carte Arduino à votre ordinateur, le système d'exploitation détectera le nouveau périphérique et vous demandera d'installer son pilote, qui est également disponible dans le dossier du logiciel. Après avoir installé le pilote, vous devez redémarrer votre ordinateur. À la suite d'une installation réussie, un port COM supplémentaire sera affiché dans le gestionnaire de périphériques Windows. L'utilisation d'un langage de haut niveau simplifie le développement et réduit considérablement les exigences de qualification du programmeur, mais, en revanche, le programme résultant ne sera pas optimal en termes de mémoire occupée et de vitesse d'exécution. Un programme écrit dans un langage de bas niveau (langage assembleur) occuperait beaucoup moins d'espace mémoire et s'exécuterait plus rapidement. Mais dans les développements amateurs, cela peut être négligé. Naturellement, dans les cas critiques, vous devez utiliser l'Arduino avec une extrême prudence. Cependant, il est fondamentalement possible d'utiliser Arduino dans une variété d'appareils : du thermostat le plus simple aux véhicules aériens sans pilote. Par exemple, la société aérospatiale russe "Lin Industry al" [4], engagée dans la conception de lanceurs ultralégers, a créé une unité d'enregistrement des paramètres de vol basée sur Arduino (Fig. 2) pour sa fusée expérimentale (Fig. 3). Et des scientifiques de l'Institut indien de recherche et d'éducation scientifique (Trivandrum) ont utilisé Arduino dans un radiotélescope d'entraînement [5].
Un programme spécial de chargeur de démarrage est pré-écrit dans le microcontrôleur installé sur la carte Arduino. Avec son aide, le programme d'application développé sur l'ordinateur est écrit dans la mémoire programme du microcontrôleur. Le chargeur de démarrage lui-même occupe une partie de cette mémoire (de un à quatre kilo-octets, selon les versions), mais grâce à cette organisation de l'interaction avec l'ordinateur, il est difficile pour l'utilisateur de mettre le microcontrôleur dans un état inopérant à l'aide de commandes incorrectes. . Un microcontrôleur ATmega4P est installé sur la carte Arduino UNO (Fig. 328), qui dispose de 2 Ko de RAM et de 32 Ko de mémoire programme. La fréquence d'horloge du microcontrôleur de 16 MHz est réglée par un résonateur à quartz. Arduino UNO n'a pas besoin d'un programmeur séparé, la carte peut être directement connectée au connecteur USB de l'ordinateur, pour lequel elle dispose d'un connecteur USB-BF et d'un convertisseur d'interface USB-série sur le microcontrôleur. Dans d'autres variantes de cartes Arduino, un connecteur micro-USB peut être utilisé pour se connecter à un ordinateur. Sur les cartes obsolètes et faites maison, vous pouvez également trouver un port COM standard.
La carte Arduino UNO connectée à l'ordinateur est alimentée par le connecteur USB. Et pour fonctionner sans ordinateur, il doit être alimenté par une tension de 7 ... 12 V à partir d'une source externe, pour laquelle la carte dispose d'un connecteur spécial. Grâce au régulateur de tension intégré, Arduino UNO n'impose pas d'exigences particulières sur la qualité de la tension d'alimentation. Ainsi, sa source peut être presque n'importe quelle alimentation de petite taille, dont la tension de sortie se situe dans la plage requise, et même une batterie galvanique 9 V, par exemple, Krona (6F22) ou deux batteries 3336 connectées en série (3R12). Il existe 14 lignes d'entrée-sortie numériques, appelées D0-D13, pour la communication avec des actionneurs externes, ainsi que pour la récupération d'informations à partir de capteurs. Sur six d'entre eux, le microcontrôleur peut produire des impulsions avec un rapport cyclique contrôlé par logiciel (PWM). Ils sont marqués sur le tableau avec "~". De plus, il y a six lignes d'entrée analogiques A0-A5. Les entrées analogiques sont connectées à un convertisseur analogique-numérique à dix bits intégré au microcontrôleur, mais si nécessaire, elles peuvent également être utilisées comme lignes d'entrée-sortie numériques supplémentaires D14-D19. Il est à noter que d'une version à l'autre de la carte, le nombre de lignes d'entrées analogiques et de lignes capables de fonctionner en mode PWM change. Par exemple, la carte Arduino Leonardo et son homologue domestique Iskra Neo ont 12 lignes analogiques et sept lignes PWM. En règle générale, toutes les lignes d'E/S sur les cartes sont marquées, il est donc facile de les comprendre. Il y a quatre LED sur la carte Arduino UNO : un indicateur d'alimentation (ON), une LED connectée en permanence à la ligne D13 (L), et deux LED pour indiquer l'échange d'informations avec un périphérique externe via le port série (TXi RX) , ainsi qu'un bouton pour ramener le microcontrôleur dans l'état initial. L'un des avantages d'Arduino est une large gamme de cartes supplémentaires, les soi-disant "shields" (bouclier anglais - bouclier). Ils vous permettent de connecter des moteurs électriques et d'autres charges puissantes à Arduino, de fournir des travaux dans des réseaux informatiques utilisant des protocoles Ethernet et WiFi, de transmettre des informations sur un réseau cellulaire GSM, de travailler avec le son, etc. De nombreuses bibliothèques de logiciels prêts à l'emploi, officiels et officiels , travailler avec des boucliers et ceux écrits par des tiers. La carte Arduino UNO est bien adaptée au débogage des programmes au stade du développement et à l'établissement de conceptions. Mais pour de nombreuses applications pratiques, les capacités de l'Arduino UNO sont redondantes et sa taille peut être trop grande pour être installée dans le produit fini. Les cartes Arduino Nano et Arduino Mini sont conçues pour être utilisées dans des conceptions prêtes à l'emploi. En termes de paramètres, ils sont presque identiques à l'Arduino UNO, mais ils ont une conception simplifiée, des dimensions plus petites et sont un peu moins chers. Si les capacités de l'Arduino UNO ne suffisent pas, vous pouvez utiliser la carte Arduino Mega avec plus de mémoire et le nombre de lignes d'E/S. La liste des options pour les cartes Arduino ne se limite pas à cela, mais d'autres options pour une étude initiale sont moins appropriées. Seul le nom Arduino est protégé par le droit d'auteur, c'est pourquoi de nombreux fabricants publient leurs propres versions sous les noms Free-duino, Craft Duino, Funduino, Diavolino, etc. Parmi toute cette diversité, il existe des conceptions qui répètent complètement les originaux, ainsi que leurs propres conceptions, dont la compatibilité avec l'original est parfois discutable. Cependant, en règle générale, les appareils de différents fabricants sont standardisés, donc si la carte est déclarée comme une copie de l'Arduino UNO, alors tout ce qui est dit à propos de l'Arduino UNO s'applique à elle, même si, bien sûr, vous ne pouvez pas vous porter garant pour chaque fabricant. Un niveau de qualité acceptable pour un amateur peut être fourni non seulement par les fabricants d'appareils originaux, mais également par des entreprises peu connues qui proposent des conceptions similaires à un prix bien inférieur. La carte Arduino n'est pas très compliquée et est assez abordable pour l'autoproduction, la documentation pour cela peut être trouvée sur le site officiel du fabricant [6]. Une description de la carte maison, qui fait partie de la famille Arduino, a également été publiée dans le magazine Radio [7]. Grâce à ces avantages, parmi les amateurs d'électronique, Arduino est en fait devenu une sorte de standard. L'utilisation de blocs fonctionnels complets et de bibliothèques de programmes simplifie considérablement et accélère ainsi le développement. En fait, les shields Arduino sont des "boîtes noires". Il est important de savoir comment tel ou tel bloc réagit à certains signaux et influences, mais sa structure interne n'est pas fondamentale. Des publications imprimées en russe consacrées à la description d'Arduino existent, mais, franchement, elles ne se trouvent pas sur les étagères de toutes les librairies ou bibliothèques. A titre d'exemple, on peut citer le livre [8], et parmi les périodiques on peut noter une série d'articles dans la revue "Levsha" (une annexe à la revue "Young Technician"). Là, à partir de N°6 pour 2012, publie mensuellement des articles sur l'utilisation d'Arduino [9]. Cependant, sur Internet, vous pouvez trouver de nombreuses ressources, à la fois entièrement consacrées à Arduino [10-12], et des sites d'orientation scientifique et technique plus large, qui ont des sections correspondantes [13-16]. En conclusion, vous pouvez voir que pour faciliter le travail avec Arduino, vous pouvez fabriquer quelques appareils simples. Par exemple, il n'est pas très pratique de coller les extrémités dénudées des fils dans les douilles des connecteurs. Pour cela, on a représenté sur la Fig. 5 fils de connexion spéciaux avec cosses, qui sont à la fois des broches et des douilles. Il est facile de fabriquer vous-même des fils similaires en utilisant les contacts des connecteurs. Et pour une connexion rapide d'appareils externes, il est préférable d'utiliser des fils de connexion comme celui illustré à la Fig. 6, à une extrémité duquel un connecteur crocodile est soudé et à l'autre - un contact à broche.
Il est souvent nécessaire de connecter plusieurs fils à une sortie de la carte, par exemple pour alimenter plusieurs capteurs. Ici, vous pouvez utiliser des prises PBS ou similaires, dont tous les fils doivent être connectés ensemble et soudés au fil de connexion, à l'extrémité opposée duquel se trouve un contact à broche. Pour un assemblage rapide d'appareils simples sans utiliser de fer à souder, des cartes de prototypage spéciales sont bien adaptées. L'apparence de l'un d'eux est montrée sur la Fig. 7, et le diagramme est à la fig. 8.
Les fils durs des pièces sont insérés dans les douilles à ressort de ces cartes, et les connexions manquantes entre elles sont réalisées avec des cavaliers ou les fils décrits ci-dessus. Ainsi, le principal avantage d'Arduino, d'une part, est la présence de capacités bien développées et flexibles afin de devenir la base de conceptions assez complexes, d'autre part, la quantité de connaissances initiales nécessaires pour démarrer ne vont en fait au-delà des cours scolaires de physique et d'informatique. littérature
Auteur : D. Lekomtsev
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