Arduino

Placa Arduino RS232

Arduino é unha plataforma de hardware libre, baseada nunha placa cun microcontrolador e un contorna de desenvolvemento, deseñada para facilitar o uso da electrónica en proxectos multidisciplinares.

O hardware consiste nunha placa cun microcontrolador Atmel AVR e portos de entrada/saída. Os microcontroladores máis usados son o Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 pola súa sinxeleza e baixo custo que permiten o desenvolvemento de múltiples deseños. Doutra banda o software consiste nunha contorna de desenvolvemento que implementa o linguaxe de programación Processing/Wiring e o cargador de arranque (boot loader) que corre na placa.

Arduino pódese utilizar para desenvolver obxectos interactivos autónomos ou pode ser conectado a software do computador (por exemplo: Macromedia Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data). As placas pódense montar a man ou adquirirse. O contorna de desenvolvemento integrado libre pódese descargar gratuitamente.

Ao ser open-hardware, tanto o seu deseño como a súa distribución é libre. É dicir, pode utilizarse libremente para o desenvolvemento de calquera tipo de proxecto sen adquirir ningunha licenza.

O proxecto Arduino recibiu unha mención honorífica na categoría de Comunidades Dixital no Prix Ars Electronica de 2006.

Esquema de pines

Entradas e saídas

Consta de 14 entradas dixitais configurables entrada i/ou saídas que operan a 5 voltios. Cada pin pode proporcionar ou recibir como máximo 40 mA. Os pines 3, 5, 6, 8, 10 e 11 poden proporcionar unha saída PWM (Pulse Width Modulation). Se se conecta calquera cousa aos pines 0 e 1, iso interferirá coa comunicación USB. Diecimila tamén ten 6 entradas analóxicas que proporcionan unha resolución de 10 bits. Por defecto miden de 0 voltios (masa) até 5 voltios, aínda que é posible cambiar o nivel máis alto, utilizando o pin Aref e algún código de baixo nivel.

Especificacións

Os microcontroladores Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove e Arduino Mega están baseados en Atmega168, Atmega 328 e Atmega1280

	Atmega168	Atmega328	Atmega1280
Voltaxe operativa	5 V	5 V	5 V
Voltaxe de entrada recomendado	7-12 V	7-12 V	7-12 V
Voltaxe de entrada límite	6-20 V	6-20 V	6-20 V
Pines de entrada e saída dixital	14 (6 proporcionan PWM)	14 (6 proporcionan PWM)	54 (14 proporcionan PWM)
Pines de entrada analóxica	6	6	16
Intensidade de corrente	40 mA	40 mA	40 mA
Memoria Flash	16KB (2KB reservados para o bootloader)	32KB (2KB reservados para o bootloader)	128KB (4KB reservados para o bootloader)
SRAM	1 KB	2 KB	8 KB
EEPROM	512 bytes	1 KB	4 KB
Frecuencia de reloxo	16 MHz	16 MHz	16 MHz

Linguaxe de programación Arduino

A plataforma Arduino se programa mediante o uso dunha linguaxe propia baseado na popular linguaxe de programación de alto nivel Processing. Con todo, é posible utilizar outras linguaxes de programación e aplicacións populares en Arduino. Algúns exemplos son:

• Xava

• Flash (mediante ActionScript)

• Processing

• Pure Data

• MaxMSP (contorna gráfica de programación para aplicacións musicais, de audio e multimedia)

• VVVV (síntese de vídeo en tempo real)

• Adobe Director

• Python

• Ruby

• C

• C++ (mediante libSerial ou en Windows)

• C#

• Cocoa/Objective-C (para Mac VOS X)

• Linux TTY (terminais de Linux)

• 3DVIA Virtools (aplicacións interactivas e de tempo real)

• SuperCollider (síntese de audio en tempo real)

• Instant Reality (X3D)

• Liberlab (software de medición e experimentación)

• BlitzMax (con acceso restrinxido)

• Squeak (implementación libre de Smalltalk)

• Mathematica

• Matlab

• Minibloq (Contorna gráfica de programación, corre tamén en OLPC)

• Isadora (Interactividade audiovisual en tempo real)

• Perl

• Visual Basic .NET

• VBScript

• Gambas

Isto é posible debido a que Arduino comunícase mediante a transmisión de datos en formato serie que é algo que a maioría das linguaxes anteriormente citadas soportan. Para os que non soportan o formato serie de forma nativa, é posible utilizar software intermediario que traduza as mensaxes enviadas por ambas as partes para permitir unha comunicación fluída. É bastante interesante ter a posibilidade de interactuar Arduino mediante esta gran variedade de sistemas e linguaxes posto que dependendo de cales sexan as necesidades do problema que imos resolver poderemos aproveitarnos da gran compatibilidade de comunicación que ofrece.

Funcións básicas e operadores

Arduino esta baseado en C e soporta todas as funcións do estándar C e algunhas de C++. A continuación móstrase un resumo con todas a estrutura da linguaxe Arduino:

Sintaxe Básica

• Delimitadores: ;, {}

• Comentarios: //, /* */

• Cabeceiras: #define, #include

• Operadores aritméticos: +, -, *, /, %

• Asignación: =

• Operadores de comparación: ==, !=, <, >, <=, >=

• Operadores Booleanos: &&, ||, !

• Operadores de acceso a punteiros: *, &

• Operadores de bits: &, |, ^, , <<, >>

• Operadores compostos:

• • Incremento/decremento de variables: ++, --

• • Asignación e operación: +=, -=, *=, /=, &=, |=

Estruturas de control

• Condicionais: if, if...else, switch case

• Bucles: for, while, do... while

• Bifurcaciones e saltos: break, continue, return, goto

Variables

En canto ao tratamento das variables tamén comparte un gran parecido coa linguaxe C.

Constantes

• HIGH / LOW: niveis alto e baixo en pines. Os niveis altos son aqueles de 3 voltios ou máis.

• INPUT / OUTPUT: entrada ou saída

• true / false

Tipos de datos

• void, boolean, char, unsigned char, byte, int, unsigned int, word, long, unsigned long, float, double, string, array

Conversión entre tipos

Estas funcións reciben como argumento unha variable de calquera tipo e devolven unha variable convertida no tipo desexado.

• char(), byte(), int(), word(), long(), float()

Cualificadores e ámbito das variables

• static, volatile, const

Utilidades

• sizeof()

Funcións Básicas

En canto ás funcións básicas da linguaxe atopámonos coas seguintes:

E/S Dixital

• pinMode(pin, modo)

• digitalWrite(pin, valor)

• int digitalRead(pin)

E/S Analóxica

• analogReference(tipo)

• int analogRead(pin)

• analogWrite(pin, valor)

E/S Avanzada

• shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, valor)

• unsigned long pulseIn(pin, valor)

Tempo

• unsigned long millis()

• unsigned long micros()

• delay(ms)

• delayMicroseconds(microsegundos)

Matemáticas

• min(x, e), max(x, e), abs(x), constrain(x, a, b), map(valor, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh), pow(base, expoñente), sqrt(x)

Trigonometría

• sen(rad), cos(rad), tan(rad)

Números aleatorios

• randomSeed(semente), long random(máx), long random(mín, máx)

Bits e Bytes

• lowByte(), highByte(), bitRead(), bitWrite(), bitSet(), bitClear(), bit()

Interrupcións externas

• attachInterrupt(interrupción, función, modo)

• detachInterrupt(interrupción)

Interrupcións

• interrupts(), noInterrupts()

Comunicación por porto serie

As funcións de manexo do porto serie deben ir precedidas de "Serial." aínda que non necesitan ningunha declaración na cabeceira do programa. Por isto considéranse funcións basee da linguaxe.

• begin(), available(), read(), flush(), print(), println(), write()

Manipulación de portos

Os rexistros de portos permiten a manipulación a mais baixo nivel e de forma mais rápida dos pines de E/S do microcontrolador das placas Arduino. Os pines das placas Arduino están repartidos entre os rexistros B(0-7), C (analóxicos) e D(8-13). Mediante as seguintes variables podemos ver e modificar o seu estado:

• DDR[B/C/D]: Data Direction Register (ou dirección do rexistro de datos) do porto B, C ó D. Serve para especificar que pines queremos usar como de entrada e cales de saída. Variable de Lectura/Escritura.

• PORT[B/C/D]: Data Register (ou rexistro de datos) do porto B, C ó D. Variable de Lectura/Escritura.

• PIN[B/C/D]: Input Pins Register (ou rexistro de pines de entrada) do porto B, C ó D. Variable de só lectura.

Por exemplo, para especificar que queremos utilizar os pines 1 a 7 como saídas e o 0 como entrada, bastaría utilizar a seguinte asignación:

 DDRD = B11111110;

Como se puido comprobar, se coñecemos a linguaxe C, non teremos dificultades para programar en Arduino posto que se parecen enormemente. Tan só debemos aprender algunhas funcións específicas de que dispón a linguaxe para manexar os diferentes parámetros de Arduino. Pódense construír aplicacións de certa complexidade sen necesidade de moitos conceptos previos.

A.V.R. Libc

Os programas compilados con Arduino enlázanse contra AVR Libc polo que teñen acceso a algunhas das súas funcións. AVR Libc é un proxecto de software libre co obxectivo de proporcionar unha biblioteca C de alta calidade para utilizarse co compilador GCC sobre microcontroladores Atmel AVR. Componse de 3 partes:

• avr-binutils

• avr-gcc

• avr-libc

A maioría da linguaxe de programación Arduino está escrita con constantes e funcións de AVR e certas funcionalidades só se poden obter facendo uso de AVR.

Interrupcións

Para desactivar as interrupcións:

 cli(); // desactiva as interrupcións globais

Para activalas:

 sei(); // activa as interrupcións

Isto afectará ao temporizador e á comunicación serie. A función delayMicroseconds() desactiva as interrupcións cando se executa.

Temporizadores

A función delayMicroseconds() crea o menor retardo posible da linguaxe Arduino que rolda os 2?s.

Para retardos mais pequenos débese utilizar a chamada de ensamblador 'nop' (non operación). Cada sentenza 'nop' executarase nun ciclo de máquina (16 Mhz): uns 62.5ns. Faríase da seguinte maneira:

 __asm__("nop\n\t");

Manipulación de portos

A manipulación de portos con código AVR é mais rápida que utilizar a función digitalWrite() de Arduino.

Establecer Bits en variables

cbi e sbi son mecanismos estándar (AVR) para establecer ou limpar bits en PORT e outras variables.

Será necesario utilizar as seguintes cabeceiras para poder utilizalos:

# ifndef cbi

# define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= _BV(bit))

# endif

# ifndef sbi

# define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))

# endif

Para utilizalas hai que pasarlles como argumento a variable PORT e un pin para establecelo ou limpalo.

Grazas a estes pequenos hacks teremos a posibilidade de mellorar os tempos de execución de certas tarefas críticas ou daquelas que se repitan moitas veces obtendo mellores resultados. Non obstante o código fonte que escribamos resultará probablemente menos legible se os utilizamos polo que haberá que sopesalo en función das nosas necesidades.

Diferenzas con Processing

A sintaxe da linguaxe de programación Arduino é unha versión simplificada de C/C++ e ten algunhas diferenzas respecto de Processing. Xa desde o punto de que Arduino esta baseado en C/C++ mentres que Processing baséase en Xava. En canto á sintaxe de ambas as linguaxes e o modo en que se programan existen tamén varias diferenzas:

• Arrays

Arduino	Processing
int bar[8]; bar[0] = 1;	int[] bar = new int[8]; bar[0] = 1;
int foo[] = { 0, 1, 2 };	int foo[] = { 0, 1, 2 }; ou ben int[] foo = { 0, 1, 2 };

• Bucles

Arduino	Processing
int i; for (i = 0; i < 5; i++) {... }	for (int i = 0; i < 5; i++) {... }

• Impresión de cadeas

Arduino	Processing
Serial.println("hello world");	println("hello world");
int i = 5; Serial.println(i);	int i = 5; println(i);
int i = 5; Serial.print("i = "); Serial.print(i); Serial.println();	int i = 5; println("i = " + i);

As diferenzas son escasas polo que alguén que coñeza ben Processing terá moi poucos problemas á hora de programar en Arduino.

Primeiro contacto: Ola Mundo en Arduino

O primeiro paso antes de comprobar que a instalación é correcta e empezar a traballar con Arduino é abrir algúns exemplos prácticos que veñen dispoñibles co dispositivo. É recomendable abrir o exemplo ?led_blink? que atoparemos no menú File, Sketchbook, Examples, led_blink. Este código crea unha intermitencia por segundo nun led conectado no pin 13. É cuestión de comprobar que o código é correcto, para iso, presionamos o botón que é un triángulo (en forma de "play") e seguidamente faremos un "upload" (que é a frecha cara á dereita) para cargar o programa á placa. Se o led empeza a parpadear, todo estará correcto.

Vexamos o código necesario para conseguilo:

# define LED_PIN 13

void setup () {

 // Activamos o pin 13 para saída dixital

 pinMode (LED_PIN, OUTPUT);

}

// Bucle infinito

void loop () {

 // Acendemos o led enviando un sinal alto

 digitalWrite (LED_PIN, HIGH);

 // Esperamos un segundo (1000 ms)

 delay (1000);

 // Apagamos o led enviando un sinal baixo

 digitalWrite (LED_PIN, LOW);

 // Esperamos un segundo (1000 ms)

 delay (1000);

}

A orde de execución será: Primeiro faise unha chamada á función init() que inicializa o programa, despois execútase a función setup() que configura diversos parámetros, e por último execútase un bucle while(1) que chama repetidamente á función loop. Todo iso execútase dentro de main() e podería indicarse explicitamente (no caso anterior encárgase o IDE de engadir o código que se ha omitido).

Bibliotecas en Arduino

Para facer uso dunha biblioteca en Sketch (o IDE de Arduino), basta con facer clic sobre ?Import Library? no menú, escoller unha biblioteca e engadirase o #include correspondente.

As bibliotecas estándar que ofrece Arduino son as seguintes:

Serial

Lectura e escritura polo porto serie.

EEPROM

Lectura e escritura no almacenamento permanente.

• read(), write()

Ethernet

Conexión a Internet mediante ?Arduino Ethernet Shield?. Pode funcionar como servidor que acepta peticións remotas ou como cliente. Permítense até catro conexións simultaneas.

• Servidor: Server(), begin(), available(), write(), print(), println()

• Cliente: Client(), connected(), connect(), write(), print(), println(), available(), read(), flush(), stop()

Firmata

Comunicación con aplicacións de computador utilizando o protocolo estándar do porto serie.

LiquidCrystal

Control de LCDs con chipset Hitachi HD44780 ou compatibles. A biblioteca soporta os modos de 4 e 8 bits.

Servo

Control de servo motores. A partir da versión 0017 de Arduino a biblioteca soporta até 12 motores na maioría de placas Arduino e 48 na Arduino Mega.

• attach(), write(), writeMicroseconds(), read(), attached(), detach()

O manexo da biblioteca é bastante sinxelo. Mediante attach(número de pin) engadimos un servo e mediante write podemos indicar os graos que queremos que teña o motor (habitualmente de 0 a 180).

SoftwareSerial

Comunicación serie en pines dixitais. Por defecto Arduino inclúe comunicación só nos pines 0 e 1 pero grazas a esta biblioteca podemos realizar esta comunicación co resto de pines.

Stepper

Control de motores paso a paso unipolares ou bipolares.

• Stepper(steps, pin1, pin2), Stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4), setSpeed(rpm), step(steps)

O manexo é sinxelo. Basta con iniciar o motor mediante Stepper indicando os pasos que ten e os pines aos que esta asociado. Indícase a velocidade á que queiramos que vire en revolucións por minuto con setSpeed(rpm) e indícanse os pasos que queremos que avance con step(pasos).

Wire

Envío e recepción de datos sobre unha rede de dispositivos ou sensores mediante Two Wire Interface (TWI/I2C).

Ademais as bibliotecas Matrix e Sprite de Wiring son totalmente compatibles con Arduino e serven para manexo de matrices de leds.

Tamén se ofrece información sobre diversas bibliotecas desenvolvidas por contribuidores diversos que permiten realizar moitas tarefas.

Creación de bibliotecas

Ademais das bibliotecas base, as que son compatibles e as que achegaron outras persoas temos a posibilidade de escribir nosa propia biblioteca. Isto é moi interesante por varias razóns: permite dispor de código que pode reutilizarse noutros proxectos de forma cómoda; permítenos manter o código fonte principal separado das bibliotecas de forma que sexan mantenibles de forma separada; e a organización dos programas construídos é máis clara e elegante.

Vexamos un exemplo da creación dunha biblioteca que envía código Morse:

Creamos o ficheiro Morse.h que inclúe a definición da clase Morse que ten 3 funcións: un construtor (Morse()), unha función para enviar 1 punto (dot()) e unha función para enviar unha raia (dash()). A variable _pin permite indicar o pin que imos utilizar.

/*

  Morse.h - Library for flashing Morse code.

  Created by David A. Mellis, November 2, 2007.

  Released into the public domain.

*/




# ifndef Morse_h

# define Morse_h




# include "WProgram.h"




class Morse

{

  public:

    Morse(int pin);

    void dot();

    void dash();

  private:

    int _pin;

};




# endif

Ademais necesitaremos un ficheiro Morse.cpp co código das funcións declaradas. A continuación móstrase o código:

/*

  Morse.cpp - Library for flashing Morse code.

  Created by David A. Mellis, November 2, 2007.

  Released into the public domain.

*/




# include "WProgram.h"

# include "Morse.h"




Morse::Morse(int pin)

{

  pinMode(pin, OUTPUT);

  _pin = pin;

}




void Morse::dot()

{

  digitalWrite(_pin, HIGH);

  delay(250);

  digitalWrite(_pin, LOW);

  delay(250);

}




void Morse::dash()

{

  digitalWrite(_pin, HIGH);

  delay(1000);

  digitalWrite(_pin, LOW);

  delay(250);

}

E con isto xa poderiamos utilizar a biblioteca mediante o correspondietne #include. Se quisieramos enviar un SOS polo pin 13 bastaría con chamar a Morse(13) e executar

 morse.dot(); morse.dot(); morse.dot();

 morse.dash(); morse.dash(); morse.dash();

 morse.dot(); morse.dot(); morse.dot();

Instalación

Windows

Para a instalación da placa Arduino no sistema operativo Windows convén seguir os seguintes pasos:

Coa placa desconectada:

Interfaz da contorna de desenvolvemento Arduino S.Ou. Windows.

• Descargar e instalar o Xava Runtime Enviroment (J2RE).

• Descargar a última versión do IDE Arduino.

Nota: É recomendable descomprimir o ficheiro no directorio raíz (c:\) mantendo a estrutura orixinal.

• Entre todos os cartafol creados no directorio Arduino convén destacar as seguintes:

 c:\arduino-0012\hardware\bootloader:

Esta contén o software necesario para cargar o firmware no chip Atmega168, para traballar con Arduino. Só se utiliza se vos montastes vós mesmos a placa, ou no caso que se estragou o chip e comprásedes un novo.

 c:\arduino-0012\drivers:

Contén os drivers necesarios para o funcionamento da placa Arduino co PC con S.Ou. Windows: FTDI USB Drivers.

Instalar FTDI USB Drivers

Agora si, conectar a placa USB. Abrirase automaticamente o asistente de Windows para novo hardware atopado:

1. Seleccionar "Non polo momento" e presionar "Seguinte".

1. Seleccionar "Instalar desde unha lista ou localización específica (avanzado)" e presionar "Seguinte".

1. "Buscar o controlador máis adecuado nestas localizacións" presiona "Examinar".Seleccionar o cartafol onde haxas descomprimido o driver e presiona ?Seguinte?.

Se non habido ningún problema o driver da placa estará instalado.

Abrir o IDE Arduino

Executamos o ficheiro Arduino.exe para abrir a interficie. Aquí configuramos o porto USB onde temos conectada a placa para empezar a traballar.

GNU/Linux

Interfaz da contorna de desenvolvemento Arduino S.Ou. GNU/Linux.

Para instalar Arduino nun sistema GNU/Linux necesitamos os seguintes programas para resolver as dependencias:

• Sun java runtime, jre.

• avr-gcc, compilador para a familia de microcontroladores avr de atmel.

• avr-libc, libc do compilador avr-gcc.

Para instalalos, podemos utilizar o xestor de paquetes ou o terminal de comandos:

 apt-get install sun-java5-jre gcc-avr avr-libc

Nalgunhas distribucións convén desinstalar, se non é necesario, o programa "brltty". Este encárgase de permitir o acceso ao terminal para persoas cegas a través dun dispositivo especial en braille.

 killall brltty

 apt-get remove brltty

Os dous síntomas deste problema son:

• Non aparece a opción /dev/tty/USB0 no menú Tools, Serial Port.

• Se se observa o LED Rx da placa Arduino, este ilumínase de 3 a 5 veces cada 5 ó 6 segundos.

Por último, descargamos o framework de arduino. O descomprimimos no cartafol desexado e executámolo:

 ./arduino

Se todo ha ir ben xa o teremos en funcionamento.

Aplicacións

As aplicacións que nos ofrece Arduino son múltiples, e dependerá da nosa imaxinación. Mediante sensores podemos crear aplicacións sinxelas enfocadas á docencia para estudantes de electrónica, proxectos máis elaborados para a industria ou mesmo sistemas dirixidos simplemente ao lecer.

É moi utilizado tamén nas contornas artísticas para crear obras máis elaboradas, dada a súa facilidade de programación.

Equipo de desenvolvemento

O núcleo do equipo de desenvolvemento de Arduino esta formado por Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis e Nicholas Zambetti.

Pduino

Patch Pduino.

Pduino nace da fusión de Pure Data e Arduino. Ambos de Open Source permiten traballar o un do outro dunha maneira gráfica e intuitiva. Cargando o firmware de Pure Data (PD) á placa Arduino podemos acceder a ela mediante a linguaxe de programación gráfico. Pódese observar que temos todo o esquema físico da placa, cos portos, pines dixitais e analóxicos, entradas e saídas... nunha interfaz gráfica, grazas a PD.

Minibloq

Minibloq screenshoot.

Minibloq + OLPC + Arduino.

Minibloq é unha contorna gráfica de programación que pode xerar código nativo de Arduino e escribilo directamente na memoria flash da placa. Non necesita por tanto, nin dun firmware específico na placa Arduino nin de conexión en tempo de execución. Ten un modo onde permite visualizar o código xerado, o cal tamén pode ser copiado e pegado no Arduino-IDE, para os usuarios que tentan facer a pasaxe dunha ferramenta gráfica á programación en sintaxe C/C++. Minibloq é de uso libre e as súas fontes tamén están dispoñibles gratuitamente. Unha característica importante, é que pode correr tamén na XO (OLPC), mediante Wine.

Véxase tamén

• BASIC Stamp

• OOPIC

• PICAXE

• Gumstix

• Minibloq

• Raspberry Pi

Bibliografía

• Oxer; Blemings (28 de decembro de 2009). Practical Arduino: Cool Projects for Open Source Hardware (1ª ed.). Apress. p. 500. ISBN 1430224770. 

• Nobre, Joshua (15 de xullo de 2009). Programming Interactivity: A Designer's Guide to Processing, Arduino, and openFramework (1ª ed.). Ou'Reilly Media. p. 768. ISBN 0596154143. 

• Banzi, Massimo (24 de marzo de 2009). Getting Started with Arduino (1ª ed.). Make Books. p. 128. ISBN 0596155514. 

Ligazóns de externos

• Sitio web Proxecto Arduino (en inglés)

• Sitio web Proxecto Arduino (en español con menos contidos)

• Algúns proxectos con arduino paso a paso (exemplos con videotutoriales)

• DuinOS: Sistema operativo multitarea para Arduino desenvolvido por RobotGroup

• Recompilación de proxectos Arduino para facer en casa (Web en castelán)

• Contorna gráfica de programación para Arduino

• Winkhel: como un proxecto Arduino pode converterse nun produto real (en español)

• Scada para Arduino

• S-Remote Control: Aplicación Android para controlar Arduino por UDP ou TCP

(en tibetano)