Orice pasionat de electronică cel puțin a auzit de Arduino, pentru că acesta, datorită caracteristicilor sale unice, a dobândit o popularitate enormă. Astăzi, această firmă, înființată și dezvoltată de niște entuziaști, dictează standardele conectoarelor și dispunerea semnalelor unor mari concerne – producători de microcontrolere sau plăci de evaluare. Ce este Arduino și de ce acesta a devenit standardul neoficial în educație și în crearea de prototipuri? Și, în fine, care sunt tipurile de Arduino, ce putem face cu Arduino și cum să îl folosim în propriile scopuri?
Figura 1: Modul de extensie cu afișaj LED și butoane. Cu ajutorul acestuia, poate fi realizat cu ușurință un ceas. ▶
Arduino – alegerea ideală pentru programatorii începători
Dacă intenționăm să învățăm programarea microcontrolerelor, atunci platforma Arduino este, indiscutabil, alegerea cea mai bună. La fel, dacă suntem pasionați de electronică, avem o idee și dorim să realizăm rapid un echipament bazat pe un microcontroler și pe periferice standard, precum: afișaje alfanumerice, grafice, LED, LCD cu butoane sau fără, senzori, module de transmisie, drivere de motoare sau electrovalve și multe, multe altele. Merită să apelăm la platforma Arduino și dacă vrem să producem o serie scurtă de echipamente a căror „inimă” este un microcontroler, conectat sau nu cu module de extensie Arduino.
Arduino – ce este?
Ce este Arduino? Nu este doar o placă de microcalculator (adesea, când vorbim de „Arduino”, ne gândim doar la aceasta), ci o platformă completă bazată pe elemente hardware și software ușor de utilizat. Fapt important, este o platformă de tip open source, ceea ce înseamnă acces la o documentație detaliată gratuită, la scheme și surse de programe. În mod standard, un echipament realizat pe baza platformei Arduino este compus dintr-o placă de bază cu microcontroler și un modul de extensie, denumit shield, atașat la aceasta.
Majoritatea plăcilor de bază Arduino au interfață USB destinată programării acestora cu ajutorul unui computer. Pe unele plăci, semnalele microcontrolerului ajung la soclurile la care sunt conectate modulele de extensie, iar pe alte plăci – la punctele de lipire. Ca urmare a faptului că aceste plăci sunt oferite ca module miniatură, unele persoane le numesc, în mod familiar, „microcontroler Arduino” sau „microcomputer Arduino”.
Programare în Arduino
Sintaxa limbajului care permite programarea Arduino este asemănătoare cu limbajul C++ și a devenit foarte populară printre programatorii de microcontrolere. Punctul forte al mediului de programare Arduino îl reprezintă disponibilitatea unui număr foarte mare de biblioteci gata de utilizare, care facilitează crearea programului și foarte multor aplicații, tot gata de utilizare, elaborate de utilizatori ai acestei platforme din întreaga lume. Fapt important, mediul de programare este unul public, indiferent de scopurile în care urmează să fie folosit. La fel, placa de bază în sine – dacă nu vrem să o cumpărăm, putem să o realizăm pe cont propriu pe baza documentației disponibile.
Scurtă istorie a nașterii Arduino
Ideea Arduino s-a născut în Italia, la Ivrea Interaction Design Institute. Platforma Arduino trebuia să fie destinată creării rapide de prototipuri și învățării programării de către studenții care nu se mai întâlniseră anterior cu electronica și programarea. Creatorii Arduino au avut o idee formidabilă, care a fost foarte bine primită nu doar în mediul universitar, dar și în afara acestuia, ajutând multe persoane în învățarea sau punerea rapidă în practică a ideilor.
Figura 2: Modul de extensie cu modem GSM. Este potrivit pentru construirea unei alarme cu notificare.
Mai apoi, după ce platforma Arduino a ieșit în afara universităților și a fost adoptată de un număr mult mai mare de utilizatori, a trebuit să se adapteze unor provocări noi și să răspundă unor cerințe noi. Totodată, oferta de plăci de bază a fost mult diferențiată, cuprinzând nu doar unități simple de 8 biți, dar și altele mai extinse, destinate utilizării în echipamente IoT, în dispozitive portabile, imprimante 3D și alte aplicații, și mai exigente. Toate plăcile Arduino sunt bazate pe principiul licenței open source, ceea ce permite utilizatorilor realizarea pe cont propriu a acestora și adaptarea la cerințe concrete. Software-ul este, de asemenea, de tip open source și este dezvoltat datorită activității utilizatorilor din întreaga lume.
De ce tocmai Arduino?
Cu câțiva ani în urmă, fiecare dintre producătorii de plăci de evaluare sau microcontrolere avea propriul standard de conectoare, însă astăzi majoritatea acestora se adaptează la „standardul” neoficial introdus de Arduino. Cu siguranță, principalul motiv, în afară de popularitatea Arduino în sine, este disponibilitatea unui număr enorm de module de extensie (numite shield – aici). Dacă terminalele plăcii de evaluare oferite sunt conforme cu terminalele Arduino, utilizatorul are posibilitatea de folosi în mod liber oferta imensă de module de extensie pentru Arduino, ceea ce permite obținerea cu ușurință, în mod ieftin și rapid, a funcționalității dorite a prototipului. Acest lucru este și în beneficiul producătorului plăcii de evaluare, pentru că acesta se poate axa pe aplicația microcontrolerului în sine, înconjurându-l doar un set minim de componente interconectate, ceea ce permite reducerea prețului final al plăcii.
Având în vedere ușurința de utilizare, disponibilitatea, dar și diversitatea cerințelor utilizatorilor, printre proiectele realizate cu ajutorul Arduino pot fi găsite soluții la numeroase probleme și pot fi realizate aproape orice echipamente. Acestea pot fi utilizate ca atare sau ca proiecte de referință. Software-ul pentru crearea de aplicații (Arduino IDE) este foarte ușor de utilizat de către începători, dar este, totodată, flexibil și oferă multe posibilități utilizatorilor avansați. Poate fi activat sub sistemele de operare Mac OS, Windows și Linux. Astfel, este disponibil pentru utilizatori cu diferite preferințe în ceea ce privește hardware-ul și cu diferite posibilități financiare.
Figura 3: Modul de extensie cu interfață Ethernet. Poate fi potrivit pentru echipamentele de domotică.
Este imposibil să enumerăm toate utilizările Arduino, întrucât acesta este folosit pe scară largă atât de profesioniști, cât și de hobbyiști. Profesorii și studenții folosesc Arduino pentru realizarea de instrumente de măsură ieftine, nu doar pentru măsurarea mărimilor electrice, dar și pentru utilizare în experimente chimice și fizice. Arduino este folosit pentru învățarea programării și roboticii în școli din întreaga lume. Proiectanții și arhitecții construiesc cu ajutorul Arduino prototipuri de clădiri interactive, muzicienii și artiștii creează cu ajutorul acestuia instalații artistice interactive și experimentează cu noi tipuri de instrumente muzicale. Pentru multe persoane, platforma Arduino este o unealtă cheie pentru dobândirea de noi abilități. Oricine o poate folosi: copii, hobbyiști, artiști, programatori, proiectanți de echipamente și mulți alții. Oricine poate construi un echipament aplicând instrucțiunile kitului pas cu pas sau își poate împărtăși ideile online cu alți membri ai comunității Arduino.
Ce Arduino să alegem?
În mod obișnuit, pentru a realiza un prototip sau un echipament construit pe baza platformei Arduino, avem nevoie de o placă de bază, echipată cu un tip de microcontroler potrivit cu scopurile noastre, un modul de extensie – shield, software Arduino IDE, cablu USB, sursă de alimentare și un computer PC. În prezent, ecosistemul conține diverse tipuri de Arduino, cu diferite microcontrolere și un număr enorm de module de extensie. Exemple de module sunt prezentate în imaginile 1 – 3.
În funcție de tip, plăcile Arduino sunt prevăzute cu conectoare – socluri pentru goldpini sau puncte de lipire, care pot fi folosite nu doar pentru conectarea plăcii, dar și pentru fixarea acesteia pe placa cu circuite imprimate a echipamentelor embedded, dacă microcomputerul Arduino joacă rolul de unitate centrală. Fiecare placă are scris în memoria microcontrolerului un bootloader, destinat programării procesorului „in-circuit” (fără dezlipire de pe circuit) prin simpla alegere a opțiunii din meniul mediului Arduino IDE.
Lista actuală de plăci de bază Arduino se află în tabel. Majoritatea acestora folosesc microcontrolere cu nucleu AVR, dar printre ele putem găsi și procesoare Intel sau SAM21 echipate cu nucleu ARM Cortex-M0+. Trebuie menționat faptul că în tabel nu se află plăcile echipate cu procesoare Espressif Systems (de exemplu popularul ESP8266), dar și acestea pot fi programate cu ajutorul Arduino IDE. Atunci când alegem placa pentru aplicație, trebuie să ținem seama de posibilitățile microcontrolerului montat pe aceasta. Unitățile diferă prin volumul memoriei disponibile, viteza de lucru a nucleului și blocurile funcționale cu care sunt echipate, precum: interfețe, timere, generatoare PWM etc. Trebuie să avem în vedere și terminalele plăcii, pentru că unele dintre acestea nu au conectoare, ci sunt destinate lipirii.
Arduino Nano, Arduino Uno și altele
Figura 4: Arduino Uno R3 recomandat pentru începători.
Plăcile ieftine și mediul de programare gratuit Arduino sunt o alternativă foarte bună la multe platforme de evaluare disponibile pe piață, oferite, de exemplu, de producătorii de microcontrolere. Disponibilitatea documentației și sursele deschise permit modificarea pe cont propriu a platformei și adaptarea acesteia la propriile cerințe. Plăcile gata de utilizare Arduino sunt disponibile la un preț accesibil. Un bun punct de start pentru începători este Arduino Uno. Acesta este echipat cu un conector standard USB, cu ajutorul căruia putem conecta placa la un computer PC și putem transfera cu ușurință software-ul dintr-un singur clic. Microcontrolerul ATmega328 montat pe placă are suficiente resurse de memorie și hardware pentru realizarea multor aplicații de comandă și control. Frecvența de tact a nucleului este de 16 MHz, din care rezultă un ciclu mașină cu durata de 62,5ns, iar nucleul AVR utilizat în microcontroler realizează majoritatea instrucțiunilor într-un singur ciclu mașină. Pe măsură ce acumulați îndemânare și experiență, puteți alege variantele ulterioare, precum Arduino Due, Mega 2560 și altele. Merită să atragem atenția, în primul rând, asupra modelului Arduino Nano, care este versiunea miniaturizată a circuitelor mai mari, din care lipsesc, de exemplu, stabilizatorul de tensiune și portul complet USB. Arduino Nano a fost însă echipat cu același procesor de 8 biți ca placa Uno, cu o reducere impresionantă a dimensiunilor. În cazul seriei Nano, dimensiunea PCB este de 18mm pe 45 mm! Fapt important, chiar dacă a fost modificată partea de hardware, este folosit în continuare același mediu de programare.
În mod obișnuit, programarea microcontrolerului se realizează prin interfața USB. Pentru ca interfața USB Arduino să funcționeze corect împreună cu sistemul nostru de operare, va fi necesar un driver corespunzător, instalat de sistemul de operare după conectarea plăcii și afișarea software-ului de start al microcontrolerului, numit bootloader. La origine, Arduino IDE a fost scris pentru Windows, astfel că majoritatea bootloaderelor este disponibilă pentru Windows și doar unele dintre acestea sunt adaptate pentru alte sisteme de operare. Dacă dețineți un calculator cu MacOS sau Linux, înainte de a cumpăra o anumită placă de bază Arduino, verificați dacă aceasta este compatibilă cu sistemul pe care îl utilizați.
La final, amintim de pagina de internet a utilizatorilor Arduino, disponibilă la adresa https://www.arduino.cc/, unde puteți găsi versiuni actuale ale programelor, numeroase aplicații, un forum al utilizatorilor și o bază de cunoștințe. De asemenea, aici sunt disponibile schemele și parametrii electrici ai plăcilor Arduino, descrieri și specificațiile parametrilor, inclusiv descrierea Arduino Uno R3 (figura 4) recomandat începătorilor. În oferta noastră puteți găsi multe module de extensie, iar numeroase exemple de aplicații sunt disponibile pe alte pagini de internet – acestea pot fi găsite folosind motoarele de căutare sau grupurile de discuții dedicate programării și electronicii.
Sursă text: https://www.tme.eu/ro/news/library-articles/page/42541/Arduino-sau-microcontrolere-pentru-fiecare/
Transfer Multisort Elektronik | https://www.tme.eu
