Arduino

Arduino Az Arduino egy szabad szoftveres, nyílt forráskódú elektronikai fejlesztőplatform. Alacsony ára, széleskörű bővítési lehetőségei és „nyitottsága” világszerte nagyon népszerűvé tette. Habár az Egyesült Államokon kívül hivatalosan csak a Genuino testvérmárka termékeit lehet kapni, ennek ellenére a platformra mindenki az Arduino néven hivatkozik, itt az OB121-en sem fogok ettől a „szokástól” eltérni.

Az Arduino-val kapcsolatos információk, szoftverpéldák és könyvtárak a termék ismertetőoldalán találhatók meg.

A programokat nyílt (c++ vagy arduino native) forráskódú fejlesztői rendszerekkel lehet megírni és fordítani (az „alap”-szoftver például innen tölthető le) elsősorban az USB-n keresztül az un. Board-okra.

A Boardok az Arduino elsődleges hardveresztközei, ezek futtatják a programot és ezek bővíthetők elsősorban könnyen a board-okhoz illeszthető shield-ekkel, vagy az io csatlakozókon kívül szinte bármilyen egyéb hardvereszközökkel.

A board-okat és a bővítőeszközöket jelenleg ontja a sok különféle gyártó, és kínai internetoldalakról fillérekért is megszerezhetők ezek az eszközök.

Az Arduino IDE egy JAVA nyelven írt feljesztői rendszer, mellyel miután programogokat írunk az Arduino-ra, ezekett lefordítja és debug-olja, majd le is tölti a kártyákra. A letöltés leggyakrabban az USB porton keresztül történik, mely szinte minden Arduino board-on megtalálható, de lehetőség van ISP vagy OTA letöltésre is, ha az adott kártya is biztosítja ezeket a lehetőségeket.

Az Arduinók programozásához természetesen nagyon sok lehetőségünk van a meglehetősen fapados (de hatékony és ingyenes) Arduino IDE-n kívül is. használható például a VisualStudio is erre a célra egy Arduino bővítmény telepítése után.

ATmega328 IC

A logikai magas (HIGH) és alacsony (LOW) szinteket alkalmazó (digitális) elektronikai berendezések többnyire az un. TTL logika (Transistor-Transistor Logic) alapján definiálják a magas/alacsony jelekhez köthető feszültségszinteket. Ezektől a szintektől az Arduino logikai szintjei némileg eltérnek:

TTL logikai szintek

VOH: Minimális kimeneti tápfeszültségszint. Efölött a TTL eszköz HIGH jelet biztosít.
VIH: Minimális bemeneti feszültségszint a magas (HIGH) jelhez.
VIL: Maximális bemeneti feszültségszint az alacsony (LOW) jelhez.
VOL: Maximális kimeneti feszültsége egy alacsony (LOW) jelhez.

A letakart részeken a bemenet kiértékelése (HIGH vagy LOW) bizonytalanná válik.

Míg a program-logikai szinteket a true (igaz, 1) és false (hamis, 0) konstansokkal, addig a pin-ek állapotát a HIGH (magas, 1) illetve a LOW (alacsony, 0) konstansokkal lehet jellemezni.

A HIGH állapot egy jel olvasása esetén az 5V-os bemeneteken 3V jelszint felett, míg a 3,3V bemeneteken 2,0V felett jelentkezik. A LOW állapotok 5-os board-oknál 1,5V alatt, 3,3V-os boardoknál kb. 1,0V alatt jelentkeznek.

A köztes feszültségszinteket (5V-os boardoknál 1,5V - 3,0V, 3,3V-os board-oknál 1,0V - 2,0V) érdemes kerülni, mert a bemeneti állapot bizonytalanná válik.

Amennyiben a bemeneti felhúzóellenállás előzőleg aktiválásra került az adott pin-en, akkor onnan jó eséllyel soha nem fogunk HIGH állapotot olvasni, lásd: digitalRead().

Kimenetek esetén a HIGH állapot kiadását követően a pin a maximális feszültségszintet veszi fel, azaz 3,3V-os board-oknál a 3,3V-ot, az 5V-osoknál az 5V-ot.

Amennyiben előzően a belső felhúzóellenállást aktiváltuk, a kimeneti feszültség is HIGH jel esetén az 5V helyett kevesebb (kb. 3,3V) lesz, lásd: digitalWrite().

Az ISP (In-system programming) port, ami jellemzően az Arduino (és kompatibilis) kártyákra van integrálva, lehetőséget biztosít arra, hogy az USB/bootload megkerülésével törtsünk le programot a kártyára. Emellett kommunikációs lehetőséget is biztosít SPI kommunikációra, például kártyák között. A lehetséges portok lábkiosztásai:

Arduino ISP lábkiosztás

Ráadásul ezek a lábak az IO portok megfelelő lábaival (lásd lent) is párhuzamosan vannak kötve, így itt egyszerűen csak össze vannak „csoportosítva” a letöltésekhez. Lehetőség van arra is, hogy egy Arduino kártyát alkalmazunk arra, hogy más Arduino-kra programokat töltsünk fel az ISP-n keresztül.

Arduino ISP portneverövid leírás
MISOMaster In Slave Outmasterként bemenet, slaveként kimenet
VTG5Vbetáp 5V+
SCKSerial Clocksoros órajel, SPI-nél a master adja
MOSIMaster Out Slave Inmasterként kimenet, slaveként bemenet
RSTResetreset
GND0V0V

Az Arduino kártyákon egyik gyakran alkalmazott kommunikáció az SPI. Az ehhez szükséges könyvtárakat és a példa-bekötéseket a konkrét moduloknál ismertetem, ezeknek az összefoglalása itt található: Arduino SPI kommunikáció. Az alapértelmezett portok a kommunikációhoz a külömböző board-okon az alábbiak:

kártya neveSPI SS (kiválasztás)SPI MOSISPI MISOSPI SCK
Arduino UNO10111213
Arduino Mega53505152

Az Aduino-s SPI megoldások összefoglalása itt található: Arduino SPI kommunikáció.

en: interrupt service routine

Az ISR (interrupt service routine) (magyarul megszakításkezelés) funkció a gyorsan váltakozó állapotú bemenetek felügyeletére lett kifejlesztve. Ezek a megszakítások jellemzően a gyors impulzusok (Hall-impulzusok - átfolyásmérők, áramjel-impulzusok) számlálására vagy figyelésére alkalmasak, függetlenek a program futásciklusától.

Szoftver oldalról ezeket a jeleket az attachInterrupt() funkcióval kell lekezelni, és csak az erre a célra kijelölt portokon lehet ezeket a gyors jeleket beolvasni:

kártyainterrupt-ra kijelölt digitális portok
Arduino Uno, Arduino Nano, Mini, egyéb 328-alapú2, 3
Arduino Mega, Mega2560, MegaADK2, 3, 18, 19, 20, 21
Micro, Leonardo, egyéb 32u4-alapú0, 1, 2, 3, 7
Wemos D1az összes digitális kimenet (kivéve a D0)

A interrupthívásokhoz szükséges funkciók leírása itt található:

Példák az interrupt-hívásra

A PWM (pulse-width modulation) egy olyan jelképzési forma, mellyel a digitális kimeneten analóg kimeneti jeleket képezhetünk, azaz ez egy digitális-analóg konverter funkció. A PWM kimenetek vezérlését az Arduino-knál az analogWrite() funkcióval lehet végezni. A kijelölt - ~-lal jelölt - PWM digitális kimeneteken 980 Hz-es frekvencia érhető el, a többin pedig 490 Hz.

Boardkijelölt PWM kimenetek
A legtöbb, ATmega168-as vagy ATmega328-as board-oknál
Arduino Uno, Arduino Nano
3., 5., 6., 9., 10. és 11. pin
Arduino Mega2..13. és 44..46. pin
Wemos D1az összes digitális kimenet (kivéve a D0)
régebbi board-oknál9, 10 és 11. pin

Az AREF pinen keresztül, az analogReference() funkción keresztül az analóg bemenethez használt külső (type: EXTERNAL) referenciafeszültséget (azaz a bemeneti tartomány maximális értékét) lehet beállítani.

Az Arduino board-ok alapértelmezett kommunikációja a soros (UART), melyet az USB-n keresztül folytatnak a programozókészülékkel vagy a kommunikációs partner PC-vel. Az USB porttal párhuzamosan van kötve a board-ok TX és RX pin-jei is, így amennyiben soros kommunikációt használ, ezeket a pin-eket nem használhatja digitális portként.

Ez a csatorna természetesen használható más UART kommunikációra is, például RS-232-re, de ebben az esetben ügyelni kell a feszültségszintekre, ami az RS-232 esetén jellemzően ± 12V. Valamennyi Arduino board-nak legalább egy soros (UART) portja van, ezeknek a pin-kiosztása:

boardsoros kommunikáció pin-jei
Arduino Uno, NanoRx←0, Tx→1
Arduino Mega, DueSerial1: pin 19 (RX) pin 18 (TX), Serial2: pin 17 (RX) pin 16 (TX), Serial3: pin 15 (RX) pin 14 (TX)

Alkalmazása: Serial funkció

Az Arduino kártyákon az egyik leggyakrabban alkalmazott kommunikáció az I²C. Az ehhez szükséges könyvtárakat és a példa-bekötéseket a konkrét moduloknál ismertetem, ezeknek az összefoglalása itt található: Arduino I²C kommunikáció. Az alapértelmezett portok a kommunikációhoz a külömböző board-okon az alábbiak:

kártya neveSDA (adat-port)SCL (órajel-port)megjegyzés
Arduino UNOA4A5
Wemos D1A4 (SDA)A5 (SCL)az összes digitális kimenet (kivéve a D0) alkalmazható I²C-re

Az Aduino-s I²C megoldások összefoglalása itt található: Arduino I²C kommunikáció.