О платформе


Что же такое Arduino? Формально это – торговая марка, под которой выпускаются официальные платы и софт. Название Ардуино идёт от одноименного названия рюмочной в Италии, где создатели платформы любили пропустить по рюмочке. Предлагаемая Arduino платформа включает в себя железо (сами платы) и софт (среда разработки).

Семейство Ардуино – несколько моделей так называемых отладочных плат. Отладочная плата представляет собой как ни странно печатную плату, в сердце которой стоит микроконтроллер – та самая штука, которую мы будем программировать. Микроконтроллер это микросхема, содержащая в себе микропроцессор, интерфейсы ввода-вывода, память (оперативную и постоянную), таймеры и другие штуки. Да, микропроцессор – это другое, микропроцессор по сути может только выполнять вычисления (как процессор в компьютере), а микроконтроллер – это практически полноценный компьютер, размещенный в одном кристалле микросхемы. В большинстве плат Arduino используются микроконтроллеры серии ATmega от производителя AVR.

Запомнили сразу важную мысль – Ардуино – не микроконтроллер, не процессор, Ардуино – платформа (и торговая марка конечно же =) ). Плата Ардуино – это отладочная плата с микроконтроллером на борту.

Железо


Помимо микроконтроллера на отладочной плате стоит обвязка, необходимая для его работы: это кварцевый генератор, задающий частоту работы процессора, и “рассыпуха” – конденсаторы и резисторы, выполняющие фильтрующие и подтягивающие функции.

Arduino “на минималках”: кварц, конденсаторы и прочее

Давайте так: что нужно сделать для того, чтобы собрать устройство на микроконтроллере? Нужно подключить к выходам микроконтроллера необходимые устройства (далее – “железо”), загрузить на микроконтроллер прошивку, которая будет управлять этим железом, и обеспечить всё это дело стабильным питанием. Цель разработчиков ардуино была совместить вышеуказанное с простотой и удобством работы и модульностью, тем самым превратив разработку электронных устройств в мощный универсальный конструктор. Эта цель была достигнута так: на плате, вместе с микроконтроллером, разместили “программатор” для загрузки прошивки, usb порт и стабилизатор питания, позволяющий питать плату от широкого диапазона постоянных напряжений: 5-19 вольт. Микроконтроллеру нужно 5 вольт, что стабилизатор ему и обеспечивает.

Загрузка прошивки


USBasp – ISP программатор для AVR (в том числе Arduino)

Что касается так называемого программатора: изначально способом загрузки прошивки в микроконтроллер является загрузка посредством ISP (in-system programming) программатора, который загружает прошивку напрямую в память микроконтроллера. Это способ хорош и надёжен, но он дороже и не такой универсальный как тот, который используется в Ардуино. Работает это так: вместо ISP программатора на плате стоит USB-TTL преобразователь, который позволяет Ардуино (на её стороне TTL – транзистор-транзистор логика) буквально общаться с компьютером (на его стороне – USB) и обмениваться данными. Но просто общаясь с компьютером загрузить прошивку не получится, поэтому в памяти микроконтроллера “живёт” загрузчик (он же bootloader), который умеет ловить данные, идущие с компьютера и загружать их во Flash память микроконтроллера. При каждом запуске микроконтроллера загрузчик ждёт команду от компьютера, мол желает ли тот загрузить новую прошивку. Если никто ему не отвечает какое-то время, он запускает уже имеющуюся в памяти МК прошивку. Отсюда вытекает несколько минусов:

  • Загрузчик сидит во Flash памяти и занимает место (около 6%, что довольно-таки много)
  • При подаче питания на МК прошивка стартует не сразу, каждый раз загрузчик ждёт команду от компьютера в течение какого-то времени (пару секунд), прежде чем передать управление имеющейся в памяти программе.

Оба этих минуса решаются частично или полностью:

  • Можно прошить неофициальный загрузчик, который занимает меньше места в памяти и быстрее стартует
  • Можно загружать скетчи напрямую через ISP, в этом случае вообще не будет потери места и задержек при запуске, так как загрузчика вообще не будет в памяти

Возвращаясь к USB-TTL преобразователю: почему именно такой способ загрузки прошивки выбрали разработчики Arduino? Да всё очень просто: микросхема USB-TTL преобразователя стоит дешевле микросхем, могущих в ISP (роль оных обычно выполняют микроконтроллеры), что прилично удешевляет платформу. Но самое главное – использование USB-TTL преобразователя добавляет нам возможность общаться с платой при помощи компьютера (смартфона, планшета) без использования дополнительного железа, т.е. мы можем как управлять какими-то устройствами (если это заложено в коде прошивки), так и получать от Ардуино данные, например показания с датчиков. Но самое-самое главное – это позволяет отлаживать код, вручную, но все таки отлаживать.

Софт


Что касается программной части, предоставленной Arduino, то это Arduino IDE (Integrated Development Environment – интегрированная среда разработки), включающая в себя редактор кода, компилятор и всё остальное необходимое для загрузки прошивки в плату. Подробнее о ней поговорим в отдельном уроке.

Модели Ардуино


Платы Arduino

Вот мы и добрались до самих плат Ардуино, которых на данный момент появилось великое множество благодаря открытости платформы: все схемы и исходные коды находятся в открытом доступе, и вы можете сделать свою версию платы и продавать её, чем активно занимаются китайцы. Единственный пункт: слово Arduino – зарегистрированная торговая марка, и свою плату вам придется назвать как-то по-другому, отсюда и появились всякие Искры, Бузины и прочие так называемые Arduino совместимые платы.
Разновидностей плат очень много, но используют они одни и те же модели микроконтроллеров. От модели микроконтроллера зависит объем памяти и количество ног, ну и есть некоторые специальные фишки. На большинстве моделей Arduino стоят 8-битные МК от AVR с кварцевым генератором на 16 МГц (либо ниже), то есть по производительности платы на ATmega не отличаются, отличаются только объемом памяти, количеством ног и интерфейсов/таймеров. Модели Ардуино с МК от производителя ARM, например Arduino DUE, в разы мощнее своих собратьев за счёт 32-битного процессора, но это совсем другая история.

Параметр ATtiny85 ATmega328 ATmega32u4 ATmega2560
Кол-во ног 8 32 44 100
Из них доступны 5 23 24 86
Flash память 8 Kb 32 Kb 32 Kb 256 Kb
EEPROM память 512 bytes 1 Kb 1 Kb 4 Kb
SRAM память 512 bytes 2 Kb 2.5 kB 8 Kb
Каналов АЦП 3 (4 с rst) 6 (8 в SMD корпусе) 12 16
Каналов PWM 3 6 7 15
Таймеры 2х 8bit 2х 8bit 2х 8bit 2х 8bit
    1х 16bit 2х 16bit 4х 16bit
Serial интерфейс Нет х1 х1 х4
I2C интерфейс Нет Да Да Да
Прерывания 1 (6 PCINT) 2 (23 PCINT) 5 (44 PCINT) 8 (32 PCINT)
Платы на его основе Digispark, LilyTiny Uno, Nano, Pro Mini, Lilypad, Strong Leonardo, Micro, Pro Micro, BS Micro Mega, Mega Pro

Таким образом вы должны сразу понять, что, например, Ардуино Уно=Нано=Про Мини=Лилипад по своим возможностям и взаимозаменяемости. Или Леонардо=Про Микро. Ссылки на недорогие китайские Ардуины вы можете найти у меня на сайте. Точно там же вы найдёте ссылки на кучу датчиков, модулей и другого железа, которое можно подключить к Arduino. О возможностях ардуино по работе с другими железками поговорим в одном из следующих уроках.

Программирование


Код. Ничего лишнего

Ардуино программируется на языке программирования C/C++ с соответствующим ему синтаксисом. Встроенный сборщик, препроцессор и компилятор (avr-gcc или Win-AVR) прощают большое количество ошибок и делает многое за пользователя автоматически, мы даже об этом не знаем и не задумываемся. Базовые функции для управления выводами и интерфейсами микроконтроллера, математика и некоторые другие функции/макросы взяты из открытого фреймворка для работы с микроконтроллерами под названием Wiring. Именно из него состоит базовый набор инструментов Ардуино. В связи с этим сами разработчики Ардуино называют язык “упрощённым c++”, и даже дали ему отдельное название – Arduino Wiring.

Тут следует отделить мух от котлет: “из коробки” в Arduino IDE нам доступна огромная куча различных функций и инструментов:

  • Все возможности языка C++, которые предоставляет компилятор: типы данных, операторы и вообще весь необъятный синтаксис. Мы программируем на том же C++, на котором можно программировать в любом другом месте.
  • “Ядро” Ардуино – библиотека Arduino.h, которая автоматически подключается в код. В ней содержатся функции для управления пинами, интерфейсами, а также имеется набор всяких полезных функций и инструментов. А ещё оно отвечает за инициализацию и настройку периферии микроконтроллера при запуске. В ядре кстати лежат стандартные библиотеки для Serial, Wire, SPI и EEPROM.
  • В папке с программой лежит набор стандартных библиотек: для LCD дисплея, шаговика, сервопривода и некоторых других железок.
  • С компилятором идёт набор низкоуровневых библиотек для AVR (сон, progmem, watchdog и многие другие).
  • Компилятор позволяет работать с микроконтроллером “напрямую” при помощи регистров и чтения даташита до утра.
  • Также мы можем писать на ассемблере, взяв под контроль каждый такт работы МК.

Если вы научитесь свободно прогать на Ардуино и вдруг перейдете к разработке программ на том же C++ в более взрослых средах разработки, вы будете неприятно удивлены большим количеством дополнительного кода, который придется писать руками. И наоборот, если умеющий в плюсы (си-плюс-плюсы) человек посмотрит на типичный ардуино-код, он скажет “да как это вообще работает то?”. Компилятор в Arduino IDE настроен на максимальную всеядность и прощение ошибок, потому что это обучающая платформа.

Сейчас вернёмся к такому понятию, как библиотека. Жизнь рядового ардуинщика неразрывно связана с библиотеками, потому что огромное комьюнити за годы своего существования сделало огромное количество этих самых библиотек на все случаи жизни и для всех продающихся датчиков и модулей. Библиотека это набор файлов, в которых содержится дополнительный код, которым мы можем пользоваться просто ознакомившись с документацией или посмотрев примеры. Такой подход называется “черным ящиком”, мы можем даже не догадываться, какой ужас и кошмар (в плане сложности кода) содержится в библиотеке, но с лёгкостью пользоваться возможностями, который этот код даёт. Купили модуль – нашли библиотеку – открыли пример – всё, результат достигнут…

Возможности


Зачем учиться работать с ардуино и электроникой в целом?

  • Это невероятно интересное, техническое, развивающее мозги и относительно дешёвое “DIY” хобби с бесконечным количеством идей и их реализаций
  • Возможность создания узко-специальных электронных устройств и станков, аналогов которым нет в продаже или они слишком дорогие. В том числе для личных нужд или для работы (знакомый ювелир сделал себе контроллер для муфельной печи, который стоит очень дорого).
  • Возможность создания новых уникальных устройств с целью выхода на краудфандинг и старта продаж и своего бизнеса.
  • Отличная практика в программировании и электронике, особенно перед обучением на соответствующую специальность.
  • Возможности в целом: автоматизация процессов и “машин”, автоматическое регулирование процессов, дистанционное управление, мониторинг различных величин, носимые и стационарные электронные устройства различного назначения.

Хейтеры платформы


В мире серьезных программистов и разработчиков очень не любят Ардуино. Почему? Рассмотрим несколько популярных негативных комментариев о платформе.

  • В среде Arduino IDE работа с микроконтроллером упрощена настолько, что ардуинщику вообще ничего не нужно знать о его архитектуре и о том, как он вообще программируется и настраивается: все сделано в виде готовых и понятных функций.
    • С каких пор удобство и простота стали плохими? Для новичка это единственный способ познакомиться с миром робототехники без изучения кипы документации и получения соответствующего образования. Также напомню, что Ардуино создана в первую очередь для обучения, и во вторую – для быстрого и удобного создания прототипов электронных устройств, это её фишка.
  • Это всё конечно хорошо, но скрытый за ширмой дружелюбного “Ардуино Вайринга” код ужасает: за безобидными на первый взгляд функциями кроются полотна кода, который что-то проверят, перепроверяет, перенастраивает уже настроенное и делает многие другие на первый взгляд ненужные вещи. Это безобразие работает очень медленно и занимает кучу места!
    • Да, стандартные функции имеют кучу защит от дурака новичка, они тяжёлые и медленные. Но новичку не понадобится писать такой код, где скорость и память будут критичны! А если понадобится, то к этому времени он уже будет в состоянии писать код оптимально и найдёт на моём сайте или в другом месте в Интернете быстрые аналоги Ардуино-функций или напишет их сам. А ещё мы переписали стандартное ядро Ардуино и сделали его быстрым и резким. И ещё один момент: ядро Ардуино устроено так, что обеспечивает совместимость кода и библиотек для всех Ардуино-плат. Начали делать проект на Arduino NANO и памяти/ног стало не хватать? Переносим проект на Arduino MEGA и продолжаем работать. NANO оказалась слишком велика для проекта? Переносим на ATTiny85, даже не открывая документацию: большинство библиотек работают на всех Ардуино-совместимых платах, это очень жирный плюс, хоть и в ущерб производительности и памяти.
  • Стандартные функции из Arduino.h описывают незначительную часть всех возможностей и настроек, которые есть в микроконтроллере.
    • А никто и не обещал вам HAL! Возможности МК раскрываются при использовании библиотек (см. список библиотек), благо сообщество у платформы действительно огромное. Также всегда можно научиться работать с даташитом и регистрами и настраивать всё что угодно и как угодно вручную.
  • Arduino IDE “скрывает” от пользователя важные низкоуровневые настройки.
    • И правильно делает! Одна ошибка – и можно остаться с заблокированным камнем. При желании через Arduino IDE можно и фьюзы прошить, и под другие частоты настроить, об этом мы говорим вот в этом уроке.
  • Ардуино для детей! Серьёзные дяди работают с “голым камнем”.
    • Всё верно, для детей и домохозяек. Плата Ардуино задумана для создания макетов, прототипирования, её можно рассматривать как часть электронного “конструктора” для обучения. На плате есть вся необходимая обвязка, почему не использовать её даже как сердце проекта?
  • Arduino IDE для детей! Серьёзные дяди работают во взрослых средах разработки.
    • Верно, но есть небольшой нюанс: Arduino IDE официально бесплатная, после простой установки (Далее, Далее, Далее, Готово) она сразу готова к работе: достаточно выбрать плату из списка и начать писать код. Взрослые среды разработки требуют взрослого подхода и порог вхождения для работы с ними несоизмеримо высок. Помимо непростой установки и настройки вас ждут расширенные настройки самого микроконтроллера в ручном режиме, чтение документации и даташитов, “взрослый” интерфейс и множество нюансов в самом программировании и настройках компилятора. Времени на изучение этого всего уйдёт немеренно.
  • Ардуинщики ходят по замкнутому кругу, они никогда не разовьются дальше мигания светодиодом.
    • Почему? Платформа ничем не ограничивает разработчика…
  • На Ардуино нельзя создать что-то реально сложное и интересное.
    • Почему же? Arduino IDE ничем не ограничивает разработчика, можно вообще отказаться от Arduino.h и начать кодить с чистого листа при помощи регистров и ассемблерных вставок, т.е. абсолютно так же, как во взрослой среде разработки. “Мощи” не хватит? Почему то её достаточно для создания 3D принтеров и прочих многоосевых ЧПУ станков, прошивка которых состоит из десятков тысяч строк кода.
  • А STM32 лучше! И в разы мощнее! И возможностей у неё больше! И она дешевле!!!
    • Да, да, да. Но не забывайте про порог вхождения и размер сообщества с контентом, библиотеками и примерами “для новичков”, а также о сложности работы с STM в целом. Посмотрите видосы вот на этом канале и сравните происходящее с работой с Arduino. Что касается возможностей и скорости работы – для большинства любительских проектов Arduino (ATmega328/2560) будет более чем достаточно, особенно если уметь писать оптимальный код.
  • Качество кода “из Интернета” просто ужасное.
    • Да, из-за простых, но понятных стандартных примеров аудитория ардуинщиков выросла очень быстро и буквально завалила интернет своими проектами, завлекая тем самым в это хобби других новичков. 99% учебных примеров, примеров работы с библиотеками и модулями написаны простенько и ужасно не оптимально: int переменные для всего подряд, вездесущий delay, блокирующие циклы и прочее, помимо богомерзких ардуино-функций. Люди берут эти примеры как основу и так и продолжают дальше писать. Но эти люди стоят на пороге очень большой двери под названием робототехника. Перешагнув через этот порог, отбросив все кривые примеры и научившись грамотно выстраивать структуру своего кода, они попадают в мир безграничных возможностей для творчества и исследования, мир бесконечно интересных и разнообразных проектов на Arduino. Для этого я и пишу данные уроки.

Что ещё хочется сказать по поводу негатива от “профессионалов” – в большинстве случаев они просто завидуют: в “их время” для создания даже простенького проекта на базе микроконтроллера нужно было потратить огромное количество времени на изучение документации на английском языке на конкретную модель МК, на все остальные железки и микросхемы в проекте, научиться работать в недружелюбной среде разработки, развести и спаять плату, купить дорогой программатор и прочее прочее. А в наше время можно купить плату за 150р, воткнуть её в USB, запустить программу уровня “блокнот с кнопкой Загрузить” и начать кодить с использованием огромного количества готовых библиотек и примеров для практически любых железок на рынке, а на любой вопрос найти ответ в гугле. Реально, у ребят просто пригорает =)

Видео версия


Важные страницы