Материал из Linuxformat.

Свободная электроника

Содержание 1 Программировать оборудование? Легко! 1.1 Приступим к установке 1.2 Мигалка 1.3 Как работает код 1.4 Использование макетной платы 1.5 Чтение ввода 1.6 Дерзать дальше...

Программировать оборудование? Легко!

Arduino
Программировать оборудование? Легко! Arduino. Возвращение Аппаратный хакинг по новой Arduino: Плюс счетчик очков Arduino: Набор барабанщика Arduino: Светодиодный светометр

Все бывалые линуксоиды умеют писать софт, но чтобы программировать «железо», нужна большая любовь к компьютеру. Мы покажем, с чего начать...

Arduino крут. Крут, поскольку это миниатюрное устройство — примерно три на два дюйма [7x5 см] — имеет порт USB и программируемый чип. Он крут, потому что его можно запрограммировать, используя очень простой язык под названием Wiring. Но главное, вся документация производителя доступна по лицензии Creative Commons, и вы можете собрать устройство сами, если захотите. Правда, для большинства людей это, вероятно, все-таки экстрим, и поэтому продаются также готовые платы Arduino — причем по очень низкой цене. IDE для программирования Arduino доступна по лицензии GPL для множества платформ, и единственное, что стоит между вами и любезным вашему сердцу «железным» проектом — это плата Arduino, клевая идея и кое-какие мелкие детали, аккуратно втыкаемые в Arduino, чтобы сделать его гораздо более интересным.

Приступим к установке

Платы Arduino доступны в нескольких вариантах, но основные три – Arduino NG (“next generation” – «новое поколение»), Arduino NG Plus и Arduino Diecimila. Это не платы-конкуренты – NG появилась первой, потом ее сменила NG Plus, а за ней вышла Diecimila. Мы пользуемся NG, потому что купили ее давно, но сейчас при попытке приобрести ее вы обнаружите только Diecimila. В принципе, различия между этими платами минимальны: на NG Plus установлен процессор Atmega168, на NG – ATmega8, а Diecimila незначительно улучшена для более простой загрузки программ. Чипы ATmega8 и ATmega168 очень похожи; основное отличие в том, что в 168 больше места для программ, но для целей нашего урока это не станет проблемой – подойдет любая из трех.

Где взять плату Arduino? Рекомендуем PCB Europe (http://pcb-europe.net) – у них есть в продаже Diecimila за 22 евро (на момент написания статьи), и они с радостью ответят на вопросы, если вы не знаете точно, что вы хотите. [А в России вы можете заказать Arduino например здесь: http://www.linuxcenter.ru/shop/embedded/arduino/]

Теперь перейдем к вопросам посложнее: что втыкать в ваш Arduino? Сама плата имеет 14 цифровых разъемов и 6 аналоговых, а также встроенный светодиод и кнопку сброса, и нужно докупить дополнительные детали, чтобы что-то создать. Если вы из США, то, возможно, недалеко от вас есть магазин Radio Shack, где имеются наготове залежи прикольных штучек – просто подойдите к одному из продавцов, объясните ему, что вы пытаетесь сделать свой первый электронный проект, и уйдете с полной корзиной товаров долларов этак на 30. Если вы из Великобритании, то лучшее место разместить заказ на нужные детали – www.maplin.co.uk; также рекомендую прихватить у них один из чудесных наборов Lucky Bags. Поразительно, сколько идей может подсказать случайная смесь деталей! Вне США и Великобритании, либо поищите хороший магазин электроники в вашей стране (говоря «электроника», мы не имеем в виду «продажа iPod»!), либо обрати- тесь в PCB Europe и купите один из комплектов деталей к Arduino.

Так или иначе, вот необходимый минимум деталей для нашего урока про Arduino:

• Макетная плата для сборки без пайки. Обычно это прямоугольник из белого пластика, со множеством отверстий, позволяющих прикрепить детали и соединить их электрически.
• Несколько проводков-перемычек. Можно накупить их разной длины, или нарезать самим – без разницы.
• USB-кабель Type A — Type B. Говоря по-человечески, это обычный соединительный кабель USB: на одном конце плоский, на другом почти квадратный.
• Несколько светодиодов. Лучше – разных цветов!
• Резисторы разных номиналов. Сопротивления более 10 кОм не понадобятся, но стоят они копейки, поэтому можете набрать всяких.
• Потенциометр.
• Фоторезистор.

Вы уложитесь при покупке вышеперечисленного в сумму менее 500 рублей, и даже еще останется, так что не бойтесь набрать лишнего – потом пригодится!

Мигалка

Первое, что делают в любом программистском проекте – аппаратном или каком еще – обычно нечто вроде “hello world”: программу заставляют выдать во внешний мир простое сообщение, чтобы убедиться в правильности конфигурации.

В Arduino встроено несколько светодиодов – есть, например, TX- и RX-светодиоды, мигающие при передаче и приеме данных. Мы воспользуемся специальными тестовыми светодиодами: они покажут, что плата нормально работает. Заставить Arduino работать под Linux придется хитростью, потому что она требует Java – причем официальной Java от Sun, клонов она не признает. Если у вас Ubuntu, подключитесь к репозиторию Multiverse, затем установите пакеты un-java5-jre, gcc-avr и avr-libc. Многие пользователи имеют проблемы из-за конфликта Arduino с поддержкой на клавиатуре системы Брайля; если она вам не нужна, сперва удалите пакет brltty – а если вы вставили плату Arduino при установленном brltty, выньте ее и воткните уже после удаления пакета. Установив программное обеспечение, запустите sudo update-alternatives --config java и выберите номер официальной Java от Sun. Этого должно быть достаточно, чтобы все заработало.

Если у вас не Ubuntu и не другая система на базе Debian, то вам опять же потребуются Java от Sun, gcc-avr и avr-libc, но зато в таких дистрибутивах, скорее всего, не придется беспокоиться об update-alternatives.

Мы включили IDE Arduino на DVD этого месяца – распакуйте ее на ваш рабочий стол и запустите команду arduino. При наличии проблем попробуйте запустить ее из терминала и посмотреть сообщения об ошибках. Запуская IDE впервые, вы должны будете ответить на вопрос о месте сохранения ваших программ – поддиректория в вашем домашнем каталоге вполне подойдет.

Итак, ПО для Arduino установлено; теперь подключим Arduino к компьютеру через USB-кабель. Если плата работает нормально, светодиод PWR (power, питание) будет гореть, а тестовый диод – мигать, показывая, что на плате все в порядке.

В редакторе Arduino зайдите в File > New для ввода нового кода. Файлы кода в Ардуинии называются “sketches” («наброски»), и с ними очень легко начать работать. Начнем мы с простого проекта: будем переключать светодиод из ВКЛ в ВЫКЛ, и я хочу показать вам код и убедиться, что он работает, а потом разобраться, как он работает.

Вот этот «набросок»:

int ledPin = 13;
void setup()
{
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  delay(300);
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  delay(100);
}

Теперь идем в Tools > Microcontroller и выбираем либо atmega8 (если у вас ArduinoNG), либо atmega168 (если у вас Diecimila). Если вы этого толком не знаете, пропустите данный шаг – Arduino определит процессор при подключении и выдаст ошибку, если обнаружит неправильный. Получив сообщение об ошибке, просто смените опцию! Когда процессор сконфигурируется, зайдите в Tools > Serial Port; вы увидите список возможных USB-устройств. В Linux, вероятно, надо будет выбрать /dev/ttyUSB0.

ОК, настройка закончена – пора выгружать ваш «набросок» на плату! В панели меню IDE, вы можете увидеть иконку со стрелкой вправо – это кнопка Upload [Выгрузка]. Для Diecimila вам достаточно нажать на кнопку прямо сейчас, и программа будет выгружена. В противном случае сперва нужно нажать на маленькую кнопку сброса на плате Arduino, подготовив ее к принятию нового «наброска», а затем нажать кнопку выгрузки. Светодиоды TX и RX секунду поморгают, затем секунд пять ничего не будет происходить (Arduino ждет, не поступят ли дальнейшие инструкции), и наконец ваш тестовый диод должен начать мигать. Заработало!

С этим маленьким проектом вы можете шагнуть дальше. Возьмите из набора светодиод и подключите его к цифровому контакту 13. Если вы раньше со светодиодами не работали, хорошенько рассмотрите его перед установкой: у него две ножки, причем разной длины, и одна сторона цветного пластикового ободка плоская. Таким образом указывается полярность: ножка покороче и плоский обод – это «минус». Подключая ваш светодиод к плате Arduino, убедитесь, что плюсовая ножка подключена к контакту 13, а минусовая – к Gnd (ground, земля), и если все будет нормально, вы увидите, как он мигает в такт тестовому светодиоду. Ошиблись – ничего страшного, просто побыстрее выдерните светодиод!

Как работает код

Теперь, когда плата Arduino работает правильно, объясню вам, как работает код, чтобы вы сами могли его модифицировать:

• int ledPin = 13' описывает переменную ledPin типа integer (целое число – ну, то есть, не вида 3,1) и присваивает ей начальное значение 13.
• setup() – функция по умолчанию в Arduino. Она вызывается при запуске вашей программы, чтобы вы могли задать начальную конфигурацию.
• pinMode(ledPin, OUTPUT) сообщает Arduino, что вы хотите посылать данные на контакт 13, а не считывать их.
• loop() – еще одна функция по умолчанию Arduino: она вызвается всякий раз, когда процессор ищет, что бы ему еще сделать.
• digitalWrite(ledPin, HIGH) означает «послать значение HIGH на контакт 13»; HIGH – эквивалент двоичной единицы против двоичного 0, оно же – «ВКЛ», в отличие от «ВЫКЛ». Это включает светодиод.
• delay(300) заставляет процессор сделать паузу в 300 миллисекунд, т..е. примерно на треть секунды.
• digitalWrite(ledPin, LOW) выключает светодиод.
• delay(100) заставляет процессор ждать одну десятую секунды.

Вот и все! Функция loop() вызывается с частотой, равной частоте работы процессора, а вызовы delay() вставлены, чтоб разрешить процессору периодически перевести дух – иначе светодиод будет мигать так часто, что глазу не уследить, и покажется, что он всегда включен! Помните, что на большинство светодиодов насажена маленькая линза, фокусирующая их свет – ярче всего такой светодиод выглядит, если взглянуть на него сверху.

Использование макетной платы

Макетная плата имеет металлические дорожки, спрятанные под отверстиями и соединяющие ряды контактов в электрическую цепь. Колонки не соединены, поэтому горизонтальных контактов нет – есть только вертикальные. Если у вас полномерная макетная плата типа нашей, то на ней между рядов имеется просвет. Ряды по краям просвета тоже не соединены между собой. Рассмотрим на примере, как это работает: модифицируем простую светодиодную систему введением макетной платы и двух проводов. В моей плате колонки пронумерованы с 1 до 60, а ряды обозначены буквами от A до J, как показано на фото на стр. 56, и я воспользуюсь этими обозначениями для указания, куда втыкать провода. Если у вас таких обозначений нет, мои все равно вам помогут, подсказав, где ряд, а где колонка, а больше нам ничего и не надо.

Итак, для перенесения проекта «мигалки» на макетную плату, соедините проводом Gnd с J33, а другим проводом – Digital 13 c J32. Это подводит ток к контактам I33 и I32, H33 и H32, G33 и G32, F33 и F32. Моя плата имеет просвет между рядами F и E, поэтому E32 и E33 не входят в схему. Теперь вам осталось только поместить ваш светодиод на правильное место, чтобы замкнуть цепь; по-вашему, это куда?

Если вы не страдаете схемобоязнью, можете просто тыкать в контакты, пока светодиод не загорится – «методом тыка» вы много чего изучите, и это очень забавно, поверьте! В данном примере, светодиод загорится в позиции F33 (минус, короткая ножка) и F32 (плюс, длинная ножка); то же произойдет при помещении его в колонки G, H или I.

Попробуем сделать что-нибудь еще: с другой стороны платы Arduino находятся аналоговые входные контакты Analog In, а также несколько помеченных как Power. Ток в них будет побольше – заметили на одном из них отметку 5V, а на втором 9V? Это, между прочим, вольты; при таком напряжении нужна осторожность – подав на светодиод слишком много, вы его спалите. Если вы приволокли мешок светодиодов, беда невелика; но вдруг у вас их только три-четыре, и они последние! К слову, вполне безопасно подсоединить их на пару секунд, просто чтобы убедиться, что они работают. Пожалуйста, сделайте это сейчас: отключите Arduino от питания, затем соедините 5V с J33, а Gnd рядом с 5V – с J32. Потом на секунду включите плату: ваш светодиод ярко засветится (а заодно и нагреется!). Убедившись, что он работает, отключите USB-кабель, чтобы светодиод погас.

Перейдем к более сложной задаче: я хочу познакомить вас с резистором. Сия маленькая деталь задает падение напряжения, в зависимости от своего номинала сопротивления. Номинал изображен маленькими цветными полосками на корпусе резистора, но простым смертным тут ловить нечего – лучше держать под рукой шпаргалку, разъясняющую, что какие полоски означают. Теперь соедините 5V с J38 – так, чтобы светодиод не был подключен к питанию. Для замыкания цепи соедините резистором I38 и J33, и вы снова увидите свечение светодиода – но чуть тусклее. Если цветные коды резисторов для вас китайская грамота, попробуйте поочередно вставлять разные резисторы и рассортируйте их по яркости свечения светодиода!

Чтение ввода

В фирменном комплекте деталей имеется фотоэлемент – датчик, возвращающий различные значения в зависимости от падающего на него света. Потребуется чуть больше проводов, дополнительный вызов функции, а также условный оператор, но на самом деле не так все сложно – и стоит затраченных усилий: ведь вы напишете код, благодаря которому Arduino сможет ориентироваться в своей среде! Моя макетная плата снабжена двумя специальными дорожками, помещенными ради удобства подвода питания, но я ими пользоваться не буду, потому что платы поменьше не всегда обладают подобной роскошью.

Сперва поместите ваш фотоэлемент на макетную плату. Я воткнул

его в F34 и F37. Поместите мощный резистор в G34 и соедините его с I29, затем соедините проводом J29 и 5V – это подаст питание на фотоэлемент. Необходимо также соединить проводом G37 и контакт Gnd рядом с 5V, для замыкания электрической цепи. Чтобы считать данные с фотоэлемента, соедините другим проводом H34 с Analog 0, и ваша система готова для программирования!

«Набросок» для чтения данных с аналогового входа в Arduino очень прост: вам необходимо указать, с какого контакта вы будете брать данные фотоэлемента, а также сохранить эти данные. Тут пригодится функция analogRead(), возвращающая значение, которое вы можете использовать для работы. В виде «наброска» это выглядит так:

 int ledPin = 13;
 int lgtPin = 0;
 int lgtVal = 0;
 void setup()
 {
   pinMode(ledPin, OUTPUT);
 }
 void loop()
 {
   lgtVal = analogRead(lgtPin);
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  delay(lgtVal);
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  delay(lgtVal);
}

Как вы думаете, что этот «набросок» должен делать? Если вы не уверены, попробуйте разобраться, загрузив его в вашу плату и прикрывая/открывая фотоэлемент!

Дерзать дальше...

Если вы раздобыли потенциометр, то заставить ваш фотоэлемент работать будет особенно легко: ваш провод от Analog 0 необходимо соединить со средней ножкой потенциометра; провод от Ground – с левой ножкой; а провод к питанию (через резистор) – с правой ножкой. Убедитесь, что потенциометр плотно вставлен в макетную плату – ножки у них обычно более толстые, так что придется на него поднажать!

Конечно, это только беглый обзор возможностей Arduino, и все потому, что настоящая магия заключается в программах, которые вы напишете. Мы показали вам, как собрать схему для чтения и записи данных, и следующий вопрос такой: что вы будете с ней делать? LXF