Ардуино и электронное творчество. Учебное пособие

Боходир Хошимович Каримов

В учебном пособии рассмотрено семейство Arduino, установка программы платформы Arduino и USB, описан процесс написания скетчей, сборки схем, загрузки скетчей на микроконтроллер, проверки работоспособности схемы. Также представлены инструкции к более чем 10 опытам. Книга адресована студентам, магистрам, преподавателям ВУЗов, профессорско-преподавательскому составу и иным специалистам.

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ARDUINO

В первой главе рассмотрена появление первых микроконтроллеров, преимущество Arduino, история создания и развитие платформы Arduino.

1.1. Arduino — что это?

Появление первых микроконтроллеров ознаменовало начало новой эры в развитии микропроцессорной техники. Наличие в одном корпусе большинства системных устройств сделало микроконтроллер подобным обычному компьютеру. В литературе они называются однокристальными микро-ЭВМ. Соответственно и желание использовать микроконтроллеры как обычные компьютеры появилось практически с их появлением. Но желание это сдерживалось многими факторами. Например, чтобы собрать устройство на микроконтроллере, необходимо знать основы схемотехники, устройство и работу конкретного процессора, уметь программировать на ассемблере и изготавливать электронную технику. Потребуются также программаторы, отладчики и другие вспомогательные устройства. В итоге без огромного объема знаний и дорогостоящего оборудования не обойтись. Такая ситуация долго не позволяла многим любителям использовать микроконтроллеры в своих проектах. Сейчас, с появлением устройств, дающих возможность работать с микроконтроллерами без наличия серьезной материальной базы и знания многих предметов, все изменилось. Примером такого устройства может служить проект Arduino итальянских разработчиков.

Arduino и его клоны представляют собой наборы, состоящие из готового электронного блока и программного обеспечения. Электронный блок здесь — это печатная плата с установленным микроконтроллером и минимумом элементов, необходимых для его работы. Фактически электронный блок Arduino является аналогом материнской платы современного компьютера. На нем имеются разъемы для подключения внешних устройств, а также разъем для связи с компьютером, по которому и осуществляется программирование микроконтроллера. Особенности используемых микроконтроллеров ATmega фирмы Atmel позволяют производить программирование без применения специальных программаторов. Все, что нужно для создания нового электронного устройства, — это плата Arduino, кабель связи и компьютер. Второй частью проекта Arduino является программное обеспечение для создания управляющих программ. Оно объединило в себе простейшую среду разработки и язык программирования, представляющий собой вариант языка С/С++ для микроконтроллеров. В него добавлены элементы, позволяющие создавать программы без изучения аппаратной части. Так что для работы с Arduino практически достаточно знания только основ программирования на С/С++. Создано для Arduino и множество библиотек, содержащих код, работающий с различными устройствами.

1.2. Преимущество Arduino!

Пользователь современного компьютера не задумывается о функционировании отдельных частей ПК. Он просто запускает нужные программы и работает с ними. Точно так же и Arduino позволяет пользователю сосредоточиться на разработке проектов, а не на изучении устройства и принципов функционирования отдельных элементов. Нет надобности и в создании законченных плат и модулей. Разработчик может использовать готовые платы расширения или просто напрямую подключить к Arduino необходимые элементы. Все остальные усилия будут направлены на разработку и отладку управляющей программы на языке высокого уровня. В итоге доступ к разработке микропроцессорных устройств получили не только профессионалы, но и просто любители что-то сделать своими руками. Наличие готовых модулей и библиотек программ позволяет непрофессионалам в электронике создавать готовые работающие устройства для решения своих задач. А варианты использования Arduino ограничены только возможностями микроконтроллера и имеющегося варианта платы, ну и, конечно, фантазией разработчика.

1.3. История создания Arduino

В 2002 году программист Массимо Банци (Massimo Banzi) был принят на работу в должности доцента в Институт проектирования взаимодействий города Ивреа (Interaction Design Institute Ivrea, IDII) для продвижения новых способов разработки интерактивных проектов. Однако крошечный бюджет и ограниченное время доступа к лабораторной базе сводили его усилия практически нет. В проектах Банци использовал устройство BASIC Stamp, разработанное калифорнийской компанией Parallax. Stamp представлял собой небольшую печатную плату с размещенными на ней источником питания, микроконтроллером, памятью и портами ввода/вывода для соединения с различной аппаратурой. Программирование микроконтроллера осуществлялось на языке BASIC. BASIC Stamp имел две проблемы: недостаток вычислительной мощности и достаточно высокую цену — плата с основными компонентами стоила около 100 долларов. И команда Банци решила самостоятельно создать плату, которая удовлетворяла бы всем их потребностям. Банци и его сотрудники поставили себе целью создать устройство, представляющее собой простую, открытую и легкодоступную платформу для разработки, с ценой — не более 30 долларов — приемлемой для студенческого и молодёжного кармана. Хотели они и выделить чем-то свое устройство на фоне прочих. Поэтому в противовес другим производителям, экономящим на количестве выводов печатной платы, они решили добавить их как можно больше, а также сделали свою плату синей, в отличие от обычных зеленых плат. Продукт, который создала команда, состоял из дешевых и доступных компонентов — например, базировался он на микроконтроллере ATmega328. Но главная задача состояла в том, чтобы гарантировать работу устройства по принципу plug-and — play, — чтобы пользователь, достав плату из коробки и подключив к компьютеру, мог немедленно приступить к работе.

Первый прототип платы был сделан в 2005 году, она имела простейший дизайн и еще не называлась Arduino. Чуть позже Массимо Банци придумал назвать ее так — по имени принадлежащего ему бара, расположенного в городе Ивреа. Бренд «Arduino» без какой — либо рекламы и привлечения средств маркетинга быстро приобрел высокую популярность в Интернете. С начала распространения продано более 250 тыс. комплектов Arduino, и это не учитывая множества клонов. В мире насчитывается более двухсот дистрибьюторов продукции Arduino — от крупных фирм, таких как SparkFun Electronics, до мелких компаний, работающих на местный рынок. На сегодня платформа Arduino представлена не одной платой, а целым их семейством. В дополнение к оригинальному проекту, называемому Arduino Uno, новые модели, имеющие на плате более мощные средства, носят название Arduino Mega, компактные модели — Arduino Nano, платы в водонепроницаемом корпусе — LilyPad Arduino, а новая плата с 32-разрядным процессором Cortex-M3 ARM — Arduino Due.

Своим успехом проект Arduino обязан существовавшим до него языку Processing и платформе Wiring. От этих проектов Arduino унаследовал одну сильную черту — удобную для пользователя среду разработки. До появления Arduino программирование микроконтроллеров требовало сложного и рутинного предварительного обучения. А с Arduino даже те, кто не имеет опыта работы с электронными устройствами, теперь могут приобщиться к миру электроники. Начинающим уже не приходится тратить много времени на изучение сопутствующего материала — они могут быстро разработать прототип, который будет полноценно рабочим.

По словам Массимо Банци, пятьдесят лет назад, чтобы написать программное обеспечение требовалась команда людей в белых халатах, которые знали все об электронных лампах. Теперь же, с появлением Arduino, множество людей получили возможность создавать электронные устройства самостоятельно. Как утверждает один из членов команды Банци, инженер по телекоммуникациям Дэвид Куартилльз, философия Arduino как раз и состоит в том, что желающий разобраться в электронике, может сразу же приступить к ее изучению, вместо того чтобы сначала учиться алгебре.