О платформе Arduino

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.

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.

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

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

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.

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

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

• Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
• Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
• Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
• Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
• Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
• Поддержать автора за работу над уроками
• Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту (alex@alexgyver.ru)