Содержание
Вот и закончился базовый курс уроков программирования Arduino. Мы с вами изучили самые базовые понятия, вспомнили (или изучили) часть школьной программы по информатике, изучили большую часть синтаксиса и инструментов языка C++, и вроде бы весь набор Ардуино-функций, который предлагает нам платформа. Подчеркну – мы изучили C++ и функции Ардуино, потому что никакого “языка Arduino” нет, это ложное понятие. Arduino программируется на C или ассемблере, а платформа предоставляет нам всего лишь несколько десятков удобных функций для работы с микроконтроллером, именно функций, а не язык. Теперь перед нами чистый лист блокнота Arduino IDE и желание творить и программировать, давайте попробуем!
Структура программы
Прежде, чем переходить к реальным задачам, нужно поговорить о некоторых фундаментальных вещах. Микроконтроллер, как мы обсуждали в самом начале пути, это комплексное устройство, состоящее из вычислительного ядра, постоянной и оперативной памяти и различных периферийных устройств (таймеры/счётчики, АЦП и проч.). Обработкой нашего с вами кода занимается именно ядро микроконтроллера, оно раздаёт команды остальным “железкам”, которые в дальнейшем могут работать самостоятельно. Ядро выполняет различные команды, подгоняемое тактовым генератором: на большинстве плат Arduino стоит генератор с частотой 16 МГц. Каждый толчок тактового генератора заставляет вычислительное ядро выполнить следующую команду, таким образом Ардуино выполняет 16 миллионов операций в секунду. Много ли это? Для большинства задач более чем достаточно, главное использовать эту скорость с умом.
Зачем я об этом рассказываю: микроконтроллер может выполнить только одну задачу в один момент времени, так как у него только одно вычислительное ядро, поэтому реальной “многозадачности” нет и быть не может, но за счёт большой скорости выполнения ядро может выполнять задачи по очереди, и для человека это будет казаться многозадачностью, ведь что для нас “раз Миссисипи“, для микроконтроллера – 16 миллионов действий!
Основной парадигмой работы с микроконтроллером является так называемый суперцикл, то есть главный цикл программы, который выполняется сверху вниз (если смотреть на код) и начинает с самого начала, когда доходит до конца, и так далее. В Arduino IDE нашим суперциклом является loop(). В главном цикле мы можем опрашивать датчики, управлять внешними устройствами, выводить данные на дисплеи, производить вычисления и всё такое, но в любом случае эти действия будут происходить друг за другом, последовательно.
Помимо цикла у нас есть прерывания, которые позволяют реализовать некую “поточность” выполнения задач, особенно в тех ситуациях, когда важна скорость работы. Прерывание позволяет остановить выполнение основного цикла в любом его месте, отвлечься на выполнение некоторого блока кода, и после успешного его завершения вернуться к основному циклу и продолжить работу. Некоторые задачи можно решить только на прерываниях, не написав ни одной строчки в цикл loop()! Мы с вами изучали аппаратные прерывания, позволяющие прерваться при замыкании контактов. Такие прерывания являются внешними, то есть их провоцируют внешние факторы (человек нажал на кнопку, сработал датчик, и т.д.). Также у микроконтроллера есть внутренние прерывания, которые вызываются периферией микроконтроллера, и этих прерываний может быть не один десяток!
Одним из таких прерываний является прерывание таймера: по умолчанию Arduino IDE настраивает один из таймеров на счёт реального времени, благодаря этому у нас работают такие функции как millis() и micros(). Именно эти функции являются готовым инструментом для тайм-менеджмента нашего кода.
Многозадачность?
Большинство примеров к различным модулям/датчикам используют задержку delay() в качестве “торможения” программы, например для вывода данных с датчика в последовательный порт. Именно такие примеры портят восприятие новичка, и он тоже начинает использовать задержки. А на задержках далеко не уедешь!
Давайте вспомним конструкцию таймера на millis() из урока о функциях времени: у нас есть переменная, которая хранит время прошлого “срабатывания” таймера. Мы вычитаем это время из текущего времени, эта разница постоянно увеличивается, и по условию мы можем поймать тот момент, когда пройдёт нужное нам время. Будем учиться избавляться от delay()! Начнём с простого: классический blink:
Программа полностью останавливается на команде delay(), ждёт указанное время, а затем продолжает выполнение. Чем это плохо? (А вы ещё спрашиваете?) Во время этой остановки мы ничего не можем делать в цикле loop, например не сможем опрашивать датчик 10 раз в секунду: задержка не позволит коду пойти дальше. Можно использовать прерывания (например – таймера), но о них мы поговорим в продвинутых уроках. Сейчас давайте избавимся от задержки в самом простом скетче.
Первым делом внесём такую оптимизацию: сократим код вдвое и избавимся от одной задержки, используя флаг:
Хитрый ход, запомните его! Такой алгоритм позволяет переключать состояние при каждом вызове. Сейчас наш код всё ещё заторможен задержкой в 1 секунду, давайте от неё избавимся:
Что здесь происходит: цикл loop() выполняется несколько сотен тысяч раз в секунду, как ему и положено, потому что мы убрали задержку. Каждую свою итерацию мы проверяем, не настало ли время переключить светодиод, не прошла ли секунда? При помощи этой конструкции и создаётся нужная многозадачность, которой хватит для 99% всех мыслимых проектов, ведь таких “таймеров” можно создать очень много!
Данный код всё ещё мигает светодиодом раз в секунду, но помимо этого он с разными промежутками времени отправляет сообщения в последовательный порт. Если открыть его, можно увидеть следующий текст:
Это означает, что у нас спокойно работают 4 таймера с разным периодом срабатывания, работают “параллельно”, обеспечивая нам многозадачность: мы можем выводить данные на дисплей раз в секунду, и заодно опрашивать датчик 10 раз в секунду и усреднять его показания. Хороший пример для первого проекта! Давайте соберём простенькие метео-часы.
Как соединить несколько скетчей?
Сила Arduino как конструктора заключается в том, что абсолютно по любой железке вы сможете найти в Гугле подробное описание, библиотеку, схему подключения и пример работы: полностью готовый набор для интеграции в свой проект! Вернёмся к нашим метео-часам и попробуем “собрать” такой проект из скетчей-примеров, ведь именно для этого примеры и нужны! Нам понадобится:
- Arduino NANO
- Дисплей. Пусть будет LCD1602 с переходником на i2c
- Модуль реального времени, возьмём DS3231
- Термометр ds18b20
Начинаем гуглить информацию по подключению и примеру для каждой железки:
Из уроков из Гугла мы узнаём такую важную информацию, как схемы подключения: дисплей и часы подключаются к шине i2c, а датчик ds18b20 можно подключить в любой другой пин. Схема нашего проекта:
Качаем библиотеки для наших модулей и устанавливаем. Библиотеку дисплея нам дают прямо в статье: https://iarduino.ru/file/134.html, библиотеку для часов по своему опыту советую RTClib (та, что в статье – не очень удобная). В статье про датчик температуры нам рассказали про библиотеку DallasTemperature.h, ссылку – не дали. Ну чтож, поищем сами “DallasTemperature.h”, найдём по первой ссылке. Для неё нужна ещё библиотека OneWire, ссылку на неё дали в статье про термометр. Итого у нас должны быть установлены 4 библиотеки.
Сейчас наша цель – найти рабочие примеры для каждой железки, убедиться в их работоспособности и выделить для себя минимальный набор кода для управления модулем, это бывает непросто – в статьях бывают ошибки и просто нерабочий код: эти статьи чаще всего являются копипастой от людей, далёких от темы. Я взял пример работы с дисплеем из статьи, а вот часы и термометр пришлось смотреть в примерах библиотеки. Немного причешем примеры, оставим только нужные нам функции получения значений или вывода, я оставил всё что мне нужно в setup():
Вот и закончился базовый курс уроков программирования Arduino. Мы с вами изучили самые базовые понятия, вспомнили (или изучили) часть школьной программы по информатике, изучили большую часть синтаксиса и инструментов языка C++, и вроде бы весь набор Ардуино-функций, который предлагает нам платформа. Подчеркну – мы изучили C++ и функции Ардуино, потому что никакого “языка Arduino” нет, это ложное понятие. Arduino программируется на C или ассемблере, а платформа предоставляет нам всего лишь несколько десятков удобных функций для работы с микроконтроллером, именно функций, а не язык. Теперь перед нами чистый лист блокнота Arduino IDE и желание творить и программировать, давайте попробуем!
Структура программы
Прежде, чем переходить к реальным задачам, нужно поговорить о некоторых фундаментальных вещах. Микроконтроллер, как мы обсуждали в самом начале пути, это комплексное устройство, состоящее из вычислительного ядра, постоянной и оперативной памяти и различных периферийных устройств (таймеры/счётчики, АЦП и проч.). Обработкой нашего с вами кода занимается именно ядро микроконтроллера, оно раздаёт команды остальным “железкам”, которые в дальнейшем могут работать самостоятельно. Ядро выполняет различные команды, подгоняемое тактовым генератором: на большинстве плат Arduino стоит генератор с частотой 16 МГц. Каждый толчок тактового генератора заставляет вычислительное ядро выполнить следующую команду, таким образом Ардуино выполняет 16 миллионов операций в секунду. Много ли это? Для большинства задач более чем достаточно, главное использовать эту скорость с умом.
Зачем я об этом рассказываю: микроконтроллер может выполнить только одну задачу в один момент времени, так как у него только одно вычислительное ядро, поэтому реальной “многозадачности” нет и быть не может, но за счёт большой скорости выполнения ядро может выполнять задачи по очереди, и для человека это будет казаться многозадачностью, ведь что для нас “раз Миссисипи“, для микроконтроллера – 16 миллионов действий!
Основной парадигмой работы с микроконтроллером является так называемый суперцикл, то есть главный цикл программы, который выполняется сверху вниз (если смотреть на код) и начинает с самого начала, когда доходит до конца, и так далее. В Arduino IDE нашим суперциклом является loop(). В главном цикле мы можем опрашивать датчики, управлять внешними устройствами, выводить данные на дисплеи, производить вычисления и всё такое, но в любом случае эти действия будут происходить друг за другом, последовательно.
Помимо цикла у нас есть прерывания, которые позволяют реализовать некую “поточность” выполнения задач, особенно в тех ситуациях, когда важна скорость работы. Прерывание позволяет остановить выполнение основного цикла в любом его месте, отвлечься на выполнение некоторого блока кода, и после успешного его завершения вернуться к основному циклу и продолжить работу. Некоторые задачи можно решить только на прерываниях, не написав ни одной строчки в цикл loop()! Мы с вами изучали аппаратные прерывания, позволяющие прерваться при замыкании контактов. Такие прерывания являются внешними, то есть их провоцируют внешние факторы (человек нажал на кнопку, сработал датчик, и т.д.). Также у микроконтроллера есть внутренние прерывания, которые вызываются периферией микроконтроллера, и этих прерываний может быть не один десяток!
Одним из таких прерываний является прерывание таймера: по умолчанию Arduino IDE настраивает один из таймеров на счёт реального времени, благодаря этому у нас работают такие функции как millis() и micros(). Именно эти функции являются готовым инструментом для тайм-менеджмента нашего кода.
Многозадачность?
Большинство примеров к различным модулям/датчикам используют задержку delay() в качестве “торможения” программы, например для вывода данных с датчика в последовательный порт. Именно такие примеры портят восприятие новичка, и он тоже начинает использовать задержки. А на задержках далеко не уедешь!
Давайте вспомним конструкцию таймера на millis() из урока о функциях времени: у нас есть переменная, которая хранит время прошлого “срабатывания” таймера. Мы вычитаем это время из текущего времени, эта разница постоянно увеличивается, и по условию мы можем поймать тот момент, когда пройдёт нужное нам время. Будем учиться избавляться от delay()! Начнём с простого: классический blink:
Программа полностью останавливается на команде delay(), ждёт указанное время, а затем продолжает выполнение. Чем это плохо? (А вы ещё спрашиваете?) Во время этой остановки мы ничего не можем делать в цикле loop, например не сможем опрашивать датчик 10 раз в секунду: задержка не позволит коду пойти дальше. Можно использовать прерывания (например – таймера), но о них мы поговорим в продвинутых уроках. Сейчас давайте избавимся от задержки в самом простом скетче.
Первым делом внесём такую оптимизацию: сократим код вдвое и избавимся от одной задержки, используя флаг:
Хитрый ход, запомните его! Такой алгоритм позволяет переключать состояние при каждом вызове. Сейчас наш код всё ещё заторможен задержкой в 1 секунду, давайте от неё избавимся:
Что здесь происходит: цикл loop() выполняется несколько сотен тысяч раз в секунду, как ему и положено, потому что мы убрали задержку. Каждую свою итерацию мы проверяем, не настало ли время переключить светодиод, не прошла ли секунда? При помощи этой конструкции и создаётся нужная многозадачность, которой хватит для 99% всех мыслимых проектов, ведь таких “таймеров” можно создать очень много!
Данный код всё ещё мигает светодиодом раз в секунду, но помимо этого он с разными промежутками времени отправляет сообщения в последовательный порт. Если открыть его, можно увидеть следующий текст:
Это означает, что у нас спокойно работают 4 таймера с разным периодом срабатывания, работают “параллельно”, обеспечивая нам многозадачность: мы можем выводить данные на дисплей раз в секунду, и заодно опрашивать датчик 10 раз в секунду и усреднять его показания. Хороший пример для первого проекта! Давайте соберём простенькие метео-часы.
Как соединить несколько скетчей?
Сила Arduino как конструктора заключается в том, что абсолютно по любой железке вы сможете найти в Гугле подробное описание, библиотеку, схему подключения и пример работы: полностью готовый набор для интеграции в свой проект! Вернёмся к нашим метео-часам и попробуем “собрать” такой проект из скетчей-примеров, ведь именно для этого примеры и нужны! Нам понадобится:
- Arduino NANO
- Дисплей. Пусть будет LCD1602 с переходником на i2c
- Модуль реального времени, возьмём DS3231
- Термометр ds18b20
Начинаем гуглить информацию по подключению и примеру для каждой железки:
Из уроков из Гугла мы узнаём такую важную информацию, как схемы подключения: дисплей и часы подключаются к шине i2c, а датчик ds18b20 можно подключить в любой другой пин. Схема нашего проекта:
Качаем библиотеки для наших модулей и устанавливаем. Библиотеку дисплея нам дают прямо в статье: https://iarduino.ru/file/134.html, библиотеку для часов по своему опыту советую RTClib (та, что в статье – не очень удобная). В статье про датчик температуры нам рассказали про библиотеку DallasTemperature.h, ссылку – не дали. Ну чтож, поищем сами “DallasTemperature.h”, найдём по первой ссылке. Для неё нужна ещё библиотека OneWire, ссылку на неё дали в статье про термометр. Итого у нас должны быть установлены 4 библиотеки.
Сейчас наша цель – найти рабочие примеры для каждой железки, убедиться в их работоспособности и выделить для себя минимальный набор кода для управления модулем, это бывает непросто – в статьях бывают ошибки и просто нерабочий код: эти статьи чаще всего являются копипастой от людей, далёких от темы. Я взял пример работы с дисплеем из статьи, а вот часы и термометр пришлось смотреть в примерах библиотеки. Немного причешем примеры, оставим только нужные нам функции получения значений или вывода, я оставил всё что мне нужно в setup():
На сегодняшний день Ардуино является одним из самых простых способов освоить микроконтроллеры: благодаря простому интерфейсу, простоте (можно сказать даже примитивности) "языка Ардуино" программирование микроконтроллеров становится доступно даже школьникам. Однако всегда находятся энтузиасты старающиеся улучшить даже то, что и так кажется простым. В данном случае речь идет о "визуальном программировании", т.е. графических средах позволяющих не писать программы, а рисовать их.
Итак встречаем: Scratch, ArduBloсk и FLProg — три попытки сделать так, чтобы программирование стало доступно даже дошкольникам 🙂
Scratch
Страница проекта — s4a.cat/
В 2003 году группа исследователей под руководством Митчела Резника из MIT Media Lab решила сделать общедоступный язык программирования. В результате через 4 года появился Scratch — "среда для обучения школьников программированию".
В этой среде можно создавать и играть с различными объектами, видоизменять их вид, перемещать их по экрану, устанавливать формы взаимодействия между ними. Это объектно-ориентированная среда, в основе которой лежит принцип конструктора LEGO и в которой программы собираются из разноцветных блоков-кирпичиков команд точно так же, как собираются из разноцветных кирпичиков конструкторы Лего.
Среда русифицирована, для нее есть много инструкций и руководств на русском языке. Проекты, создаваемые в Scratch, выкладываются на сайте проекта scratch.mit.edu/, все они доступны для скачивания и использования. Среда доступна для работы ребенка с раннего возраста, немного умеющего читать и пользоваться мышью.
Основа среды – блоки команд, разделенные на несколько групп: движение, внешность, звук, перо, контроль, сенсоры, операторы, переменные. Встроенная «рисовалка» позволяет нарисовать нужный объект, а блоки команд (их нужно перетаскивать мышью) – задать программу действий, в том числе с применением условных операторов и циклов. Конечно, у Scratch отсутствует масса функций реального языка программирования, но и имеющихся достаточно для создания довольно сложных программ и игр. В самой программе имеется довольно большая база уже готовых нарисованных животных, домов, предметов и так далее, а кроме того, в качестве образца можно использовать любой из тысяч опубликованных в сети интернет программ примеров, сделанных взрослыми и детьми.
В 2008 году появился проект Scratch для Arduino (в оригинале: Scratch For Arduino или сокращённо — S4A) — это модификация Scratch, которая предоставляет возможность простого визуального программирования контроллера Arduino, а так же содержит новые блоки для управления датчиками и исполнительными механизмами, подключаемыми к Arduino.
S4A представляет собой скетч прошивки s4a.cat/downloads/S4AFirmware15.ino, которая загружается в Ардуино, делает его исполнительным устройством, программа выполняется на компьютере, Ардуино её физически выполняет, передавая сигналы на выходы платы. Ардуино в этом случае через Serial-соединение получает от Скретча команды какие порты в какой уровень установить и передает на ПК измеренные уровни с входов.
Более подробно можно узнать либо на странице проекта, либо посмотрев видео от Амперки — www.youtube.com/playlist?…OzZQGDFdoRfldtqbmNU6a-PIp
ArduBloсk
Страница проекта -blog.ardublock.com/
Имен разработчиков и их локализации мне найти не удалось, но данный проект активно продвигается разработчиком плат sparkfun, поэтому ИМХО это их проект.
Ardublock это графический язык программирования для Arduino, предназначенный для непрограммистов и простой в использовании. В отличии от Скретча ArduBloсk встраивается в среду Arduino IDE и генерит программый скетч, загружаемый в МК. Причем, после закачки в платформу, исполнение кода будет происходить автономно, т.е. не требуется непосредственное управление с компьютера по проводной или беспроводной связи.
Среди руссоязычного сообщества проект известен благодаря учителю-энтузиасту из Лабинска Александру Сергеевичу Аликину — geektimes.ru/post/258834/
FLProg
Страница проекта — flprog.ru/
Проект развивается силами одного человека — Сергея Глушенко. Основная идея заключается в том, чтобы адаптировать применяющиеся в области программирования промышленных контроллеров языки FBD и LAD к Ардуино.
FBD (Function Block Diagram) — графический язык программирования стандарта МЭК 61131-3. Программа образуется из списка цепей, выполняемых последовательно сверху вниз. При программировании используются наборы библиотечных блоков. Блок (элемент) — это подпрограмма, функция или функциональный блок (И, ИЛИ, НЕ, триггеры, таймеры, счётчики, блоки обработки аналогового сигнала, математические операции и др.). Каждая отдельная цепь представляет собой выражение, составленное графически из отдельных элементов. К выходу блока подключается следующий блок, образуя цепь. Внутри цепи блоки выполняются строго в порядке их соединения. Результат вычисления цепи записывается во внутреннюю переменную либо подается на выход контроллера.
Ladder Diagram (LD, LAD, РКС) — язык релейной (лестничной) логики. Синтаксис языка удобен для замены логических схем, выполненных на релейной технике. Ориентирован на инженеров по автоматизации, работающих на промышленных предприятиях. Обеспечивает наглядный интерфейс логики работы контроллера, облегчающий не только задачи собственно программирования и ввода в эксплуатацию, но и быстрый поиск неполадок в подключаемом к контроллеру оборудовании. Программа на языке релейной логики имеет наглядный и интуитивно понятный инженерам-электрикам графический интерфейс, представляющий логические операции, как электрическую цепь с замкнутыми и разомкнутыми контактами. Протекание или отсутствие тока в этой цепи соответствует результату логической операции (истина — если ток течет; ложь — если ток не течет). Основными элементами языка являются контакты, которые можно образно уподобить паре контактов реле или кнопки. Пара контактов отождествляется с логической переменной, а состояние этой пары — со значением переменной. Различаются нормально замкнутые и нормально разомкнутые контактные элементы, которые можно сопоставить с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми кнопками в электрических цепях.
Результатом работы FLProg является конечный код, который может быть подгружен в МК.
Это не все проекты, позволяющие реализовать визуальный способ программирования. Есть и другие — возможно лучшие и более прогрессивные, но менее известные.
