Введение в язык программирования Arduino

January 24, 2012 by admin Комментировать »

Основа языка программирования модуля Arduino — это язык Си (скорее Си++). Ещё точнее, этот диалект языка называется Processing/Wiring. Хорошее обозрение языка вы найдёте в приложении. А мне хочется больше рассказать не о языке, а о программировании.

Программа — это некий набор команд, которые понимает процессор, процессор вашего компьютера или процессор микроконтроллера модуля Arduino, не суть важно. Процессор читает команды и выполняет их. Любые команды, которые понимает процессор — это двоичные числа. Это только двоичные числа и ничто иное. Выполняя арифметические операции, для которых процессор некогда и предназначался, процессор оперирует с числами. Двоичными числами. И получается, что и команды, и то, к чему они относятся, это только двоичные числа. Вот так. Но как же процессор разбирается в этой «куче» двоичных чисел?

Во-первых, все эти двоичные числа записываются в последовательные ячейки оперативной памяти, имеющие адреса. Когда вы загружаете программу, и она начинает работать, процессор получает первый адрес программы, где обязательно должна быть записана команда. Те команды, которые требуют от процессора операций с числами, имеют «опознавательные знаки», например, что в следующих двух ячейках памяти два числа, которые нужно сложить. А счётчик, назовём его счётчиком команд, где записан адрес следующей команды, в данном случае увеличивает адрес так, что в программе по этому адресу будет следующая команда. При неправильной работе программы или сбоях процессор может ошибиться, и тогда, прочитав вместо команды число, процессор делает совсем не то, что должен делать, а программа «зависает».

Таким образом, любая программа — это последовательность двоичных чисел. А программирование — это умение правильно записывать правильные последовательности двоичных чисел. Достаточно давно для записи программ стали использовать специальные средства, которые называются языками программирования.

Однако любая программа в первую очередь требует от вас ясного понимания того, что должна делать программа, и для чего она нужна. Чем яснее вы это понимаете, тем легче создать программу. Небольшие программы, хотя трудно сказать, какие программы небольшие, а какие нет, можно рассматривать целиком. Более сложные программы лучше разбить на части, которые можно рассматривать как самостоятельные программы. Так их лучше создать, легче отладить и проверить.

Я не готов спорить, но считаю, что программу удобнее начинать с описания на обычном языке. И  в  этом  смысле  я  считаю,  что  программирование  не  следует  путать  с  написанием  кода программы.  Когда  программа  описана  обычными  словами,  вам  легче  определить,  например, какой язык программирования выбрать для создания кода программы.

Ближе всего к записи программы с помощью двоичных чисел, язык ассемблер. Для него характерно соответствие команд языка двоичным командам, понятным процессору. Но кодирование программ на ассемблере требует больших усилий и ближе к искусству, чем к формальным операциям. Более универсальны и легче в применении языки высокого уровня, как Бэйсик или Си. И давно для записи программ в общем виде используют графический язык, а в последнее время появились и «переводчики» с этого языка на язык процессоров.

Кроме языков программирования общего применения, всегда существовала некоторая специализация языков программирования, и существовали специализированные языки. К последним я бы отнёс и язык программирования модуля Arduino.

Всё, что нужно сказать модулю, чтобы он сделал что-то нужное нам, организовано в удобный набор команд. Но вначале о том, что нам нужно от Arduino?

Модуль можно использовать в разных качествах — это и сердце (или голова) робота, это и основа прибора, это и удобный конструктор для освоения работы с микроконтроллерами и т.д.

Выше мы уже использовали простые программы для проверки подключения модуля к компьютеру. Кому-то они могут показаться слишком простыми, а поэтому не интересными, но любые сложные программы состоят из более простых фрагментов, похожих на те, с которыми мы уже знакомились.

Давайте посмотрим, о чём нам может рассказать самая простая программа «Помигать светодиодом».

int ledPin = 13;

void setup()

{

pinMode (ledPin, OUTPUT);

}

void loop()

{

digitalWrite (ledPin, HIGH);

delay (1000);

digitalWrite (ledPin, LOW);

delay (1000);

}

Вначале вспомним, что такое светодиод. В сущности это обычный диод, у которого, благодаря его конструкции, при протекании тока в прямом направлении начинает светиться переход. То есть, чтобы светодиод светился, нужно чтобы через него протекал ток, а, значит, к светодиоду следует приложить напряжение. А чтобы ток не превысил допустимого значения, последовательно со светодиодом следует включить резистор, который называют токоограничительным (см. Приложение А, цифровой выход). Напряжение к светодиоду прикладывает микроконтроллер, составляющий основу модуля Arduino. У микроконтроллера, кроме процессора, выполняющего наши команды, есть один или несколько портов ввода-вывода. Не вдаваясь в рассмотрение конкретного устройства порта, скажем так — когда вывод порта работает на выход, его можно представить как выход цифровой микросхемы с двумя состояниями, включено и выключено (есть напряжение на выходе, нет напряжения на выходе).

Но этот же вывод порта может работать и как вход. В этом случае его можно представить, например, как вход цифровой микросхемы – на вход подаётся логический уровень, высокий или низкий (см. Приложение А, цифровой ввод).

Как мы мигаем светодиодом:

Включить выходной вывод порта. Выключить вывод порта.

Но процессор работает очень быстро. Мы не успеем заметить мигания. Чтобы заметить это мигание, нам нужно добавить паузы. То есть:

Включить выходной вывод порта. Пауза 1 секунда.

Выключить вывод порта.

Пауза 1 секунда.

Это наша программа. Процессор прочитает первую команду и включит вывод, светодиод загорится. Затем процессор сделает паузу в работе и выключить вывод, светодиод погаснет. Но он только один раз мигнул.

Повторение  какого-либо  процесса  или  набора  команд  называется  в  программировании циклом. Используются разные виды циклов. Есть цикл, который выполняется заданное число раз. Это цикл for. Есть циклы, которые выполняются до тех пор, пока не будет выполнено некоторое условие,  которое  является  частью  языковой  конструкции  цикла.  А  если  условие  не  будет выполнено никогда, то цикл выполняется бесконечное число раз. Это бесконечный цикл.

Я не думаю, что микроконтроллеры используются с программами того вида, который приведён выше. То есть, один раз выполнено несколько команд и больше контроллер не работает. Как правило, он работает постоянно, как только на него подаётся питающее напряжение. А, значит, микроконтроллер должен работать в бесконечном цикле.

Именно об этом говорит функция void loop(), loop — это петля, замкнутый цикл. Условия прекращения работы цикла нет, а, следовательно, нет условия его завершения.

Кроме того, мы должны сообщить модулю Arduino, какой вывод порта и как мы хотим использовать, для выхода (OUTPUT) или для входа (INPUT). Этой цели служит функция  void setup(), которая для языка Arduino является обязательной, даже если она не используется, и команда pinMode(), для задания режима работы вывода.

void setup()

{

pinMode (ledPin, OUTPUT);

}

И ещё, языковая конструкция использует переменные для определения номера вывода:

int ledPin = 13;

Использование переменных удобно. Решив, что вы будете использовать не вывод 13, а 12, вы внесёте изменение только в одной строке. Особенно сильно это сказывается в больших программах. Имя переменной можно выбирать по своему усмотрению, но, как правило, оно должно быть только символьным, и часто количество символов ограничивается. Если вы неверно зададите имя переменной, думаю, компилятор вас поправит.

Функция digitalWrite (ledPin, HIGH) устанавливает заданный вывод в состояние с высоким уровнем, то есть включает вывод.

А delay (1000), как вы уже поняли, означает паузу в 1000 миллисекунд или 1 секунду.

Осталось понять, что означают такие приставки, как int, void. Любые значения, любые переменные размещаются в памяти, как и команды программы. В ячейки памяти записываются числа зачастую из 8 битов. Это байт. Но байт — это числа от 0 до 255. Для записи больших чисел нужно два байта или больше, то есть, две или больше ячеек памяти. Чтобы процессору было ясно, как отыскать число, разные типы чисел имеют разные названия. Так число по имени byte, займёт одну ячейку, int (integer, целое) больше. Кроме того, функции, используемые в языках программирования, тоже возвращают числа. Чтобы определить, какой тип числа должна вернуть функция,  перед  функцией  записывают  этот  тип  возвращаемого  числа.  Но  некоторые  функции могут не возвращать числа, такие функции предваряют записью void (см. Приложение А, переменные).

Вот, сколько интересного может рассказать даже самая простая программа.

Обо всём этом вы, надеюсь, прочитаете в приложении. А сейчас проделаем простые эксперименты, используя только то, что мы уже знаем из возможностей языка. Первое, заменим переменную типа int, которая занимает много места в памяти, на byte — одно место, одна ячейка памяти. Посмотрим, что у нас получится.

byte ledPin = 13;

void setup()

{

pinMode (ledPin, OUTPUT);

}

void loop()

{

digitalWrite (ledPin, HIGH);

delay (1000);

digitalWrite (ledPin, LOW);

delay (1000);

}

После компиляции и загрузки программы в модуль мы не заметим изменений в работе программы. Хорошо. Тогда изменим программу так, чтобы заметить изменения в её работе.

Для этого мы заменим число в функции delay (1000) переменной, назвав её my_del. Эта переменная должна быть целым числом, то есть, int.

int my_del = 5000;

delay(my_del);

Не забывайте заканчивать каждую команду точкой с запятой. Внесите изменения в программу, скомпилируйте её и загрузите в модуль. Затем поменяйте переменную и повторите компиляцию и загрузку:

byte my_del = 5000;

Разница, уверен, получится ощутимая.

Проделаем  ещё  один  эксперимент  с  изменением  длительности  пауз.  Уменьшение длительности пауз выполним, скажем, пять раз. Сделаем паузу в 2 секунды, а затем будем увеличивать тоже пять раз. И вновь сделаем паузу в 2 секунды. Цикл, выполняемый заданное количество раз, называется циклом for и записывается он так:

for (int i = 0; i<5; i++)

{

что-то, что выполняется в цикле for

}

Для  выполнения  цикла  ему  нужна  переменная,  у  нас  это  i,  переменной  нужно  задать начальное  значение,  которое  мы ей  и  присвоили.  Затем  следует  условие  завершения  работы цикла, у нас i меньше 5. А запись i++ — это характерная для языка Си запись увеличения переменной  на  единицу.  Фигурные  скобки  ограничивают  набор  команд,  подлежащих выполнению в цикле for. В других языках программирования могут быть другие ограничители для выделения блока кода функции.

Внутри цикла мы выполняем то же, что и раньше, с небольшими изменениями:

for (int i = 0; i<5; i++)

{

digitalWrite (ledPin, HIGH);

delay (my_del);

digitalWrite (ledPin, LOW);

delay (my_del);

my_del = my_del — 100;

}

Об  изменении  записи  паузы  мы  говорили  выше,  а  изменение  самой  паузы  достигается уменьшением переменной на 100.

Для второго цикла мы запишем этот же блок кода, но переменную длительности паузы будем увеличивать на 100.

for (int i = 0; i<5; i++)

{

digitalWrite (ledPin, HIGH);

delay (my_del);

digitalWrite (ledPin, LOW);

delay (my_del);

my_del += 100;

}

Вы заметили, что запись уменьшения паузы и её увеличения выглядят по-разному. Это тоже особенность языка Си. Хотя для ясности следовало повторить эту запись, изменив только знак минус на плюс. Итак, мы получаем такую программу:

int ledPin = 13;

int my_del = 1000;

void setup()

{

pinMode (ledPin, OUTPUT);

}

void loop()

{

for (int i = 0; i<5; i++)

{

digitalWrite (ledPin, HIGH);

delay (my_del);

digitalWrite (ledPin, LOW);

delay (my_del);

my_del -= 100;

}

delay (2000);

for (int i = 0; i<5; i++)

{

digitalWrite (ledPin, HIGH);

delay (my_del);

digitalWrite (ledPin, LOW);

delay (my_del);

my_del += 100;

}

delay (2000);

}

Скопируем код нашей программы в программу Arduin, скомпилируем её и загрузим в модуль. Изменение длительности пауз заметно. И будет ещё заметнее, попробуйте, если цикл   for выполнить, скажем, раз 8.

То, что мы сейчас сделали, делают и профессиональные программисты — имея готовую программу, её легко можно модифицировать под свои нужды или желания. Поэтому все свои программы они хранят. Что я советую делать и вам.

Что мы упустили в своём эксперименте? Мы не прокомментировали нашу работу. Для добавления комментария используется либо двойная «прямая» косая черта, либо одиночная, но со звёздочками (см. Приложение А). Я советую вам это сделать самостоятельно, поскольку вернувшись к программе через некоторое время, вы легче в ней разберётесь, если будут пояснения, что вы делаете в том или ином месте программы. И ещё советую в папке с каждой программой хранить её описание на обычном языке, выполненное в любом текстовом редакторе.

Самая простая программа «помигать светодиодом» может послужить ещё для десятка экспериментов (даже с одним светодиодом). Мне кажется эта часть работы, придумывать, что ещё можно сделать интересного, самая интересная. Если вы обратитесь к приложению, где описан язык программирования, к разделу «управление программой», то можно заменить цикл for на другой вид цикла. И попробовать, как работают другие виды цикла.

Хотя процессор микроконтроллера, как любой другой, может производить вычисления (для того   его   и   придумывали),   и   это   используется,   например,   в   приборах,   всё-таки   наиболее характерной  операцией  для  микроконтроллера  будет  установка  выхода  порта  в  высокое  или низкое состояние, то есть, «помигать светодиодом», как реакция на внешние события.

О внешних событиях микроконтроллер узнаёт, в основном, по состоянию входов. Настроив выводы порта на цифровой вход, мы можем следить за ним. Если исходное состояние входа — высокий уровень, а событие вызывает переход входа в низкое состояние, то мы можем что-то сделать, реагируя на это событие.

Самый простой пример — на входе кнопка. Когда кнопка не нажата, вход в высоком состоянии. Если нажать кнопку, то вход переходит в низкое состояние, а мы можем «зажечь» светодиод на выходе. При следующем нажатии на кнопку светодиод можно погасить.

Это  опять  пример  простой  программы.  Даже  начинающему  она  может  показаться неинтересной. Однако и эта простая программа может найти вполне полезное применение. Приведу только один пример: мы будем после нажатия на кнопку не зажигать светодиод, а помигаем (определённым образом). И светодиод возьмём с инфракрасным излучением. В результате мы получим пульт управления. Вот такая простая программа.

В разных версиях программы есть различия в списке примеров. Но можно обратиться к руководству по языку в приложении, где есть пример и схема программы (в разделе примеров, названном «приложение») для работы с вводом. Я скопирую программу:

int ledPin = 13;

int inPin = 2;

void setup()

{

pinMode (ledPin, OUTPUT);

pinMode (inPin, INPUT);

}

void loop()

{

if (digitalRead(inPin) == HIGH)

{

digitalWrite(ledPin, HIGH);

delay (1000);

digitalWrite (ledPin, LOW);

delay (1000);

}

}

И, как вы видите, совершенно новую программу мы получаем, модифицируя старую. Теперь светодиод будет мигать только тогда, когда нажата кнопка, которая присоединена к выводу 2. Вывод 2 через резистор 10 кОм присоединён к общему проводу (земле, GND). Кнопка одним концом присоединена к питающему напряжению +5В, а другим концом к выводу 2.

В   программе   мы   встречаем   новую   языковую   конструкцию   if   из   раздела   управления программой. Читается она так: если выполняется условие (заключённое в скобках), то выполняется блок программы, заключённый в фигурные скобки. Обратите внимание, что в условии (digitalRead(inPin)  ==  HIGH)  равенство  входа  высокому  состоянию  выполнено  с  помощью  двух знаков равенства! Очень часто в спешке об этом забывается, и условие получается неверным.

Программу можно скопировать и загрузить в модуль Arduino. Однако, чтобы проверить работу программы, понадобиться внести некоторые изменения в конструкцию модуля. Впрочем, это зависит  от  разновидности  модуля.  Оригинальный  модуль  имеет  розетки  для  соединения  с платами расширения. В этом случае можно вставить подходящие одножильные провода в нужные места разъёма. Мой модуль имеет ножевые контакты для соединения с платами расширения. Я могу либо поискать подходящий разъём, либо, что дешевле, использовать подходящую панельку для микросхемы в корпусе DIP.

Второй вопрос — как найти у модуля те выводы, которые используются в программе?

С этим вопросом поможет разобраться картинка, которую я взял с сайта:  http://robocraft.ru/.

Рис. 4.1. Расположение и назначение выводов контроллера и модуля Arduino

Все  выводы  моего  модуля  CraftDuino  промаркированы,  так  что  найти  нужный  вывод  не составит труда. Можно подключать кнопку и резистор и проверять работу программы. Кстати, на вышеупомянутом сайте RoboCraft весь процесс отображён на картинках (но программа использует не совсем такие выводы!). Советую посмотреть.

Многие микроконтроллеры в своём составе имеют дополнительные аппаратные устройства. Так Atmega168, на основе которого собран модуль Arduino имеет UART, встроенный блок для связи с другими устройствами с помощью последовательного обмена данными. Например, с компьютером через COM-порт. Или с другим микроконтроллером с помощью его встроенного блока UART. Есть ещё и аналого-цифровой преобразователь. И формирователь широтно- импульсной модуляции.

Использование последнего иллюстрирует программа, которую я тоже скопирую с сайта RoboCraft. Но программу можно взять и из приложения. И, возможно, она есть в примерах программы Arduino.

// Fading LED by BARRAGAN <http://people.interaction-ivrea.it/h.barragan>

int value = 0;     // переменная для хранения нужного значения

int ledpin = 9;    // светодиод подключен к digital pin 9

void setup()

{

// Нет необходимости вызвать функцию pinMode

}

void loop()

{

for(value = 0 ; value <= 255; value+=5) // постепенно зажигаем светодиод

{

analogWrite(ledpin, value); // значение вывода (от 0 до 255)

delay(30);                         // ждѐм 🙂

}

for(value = 255; value >=0; value-=5)         // постепенно гасим светодиод

{

analogWrite(ledpin, value);

delay(30);

}

}

Если  в  предыдущей   программе  новой  для   нас   была  функция   digitalRead(inPin),  чтение цифрового ввода, то в этой программе новая для нас функция analogWrite(ledpin, value), хотя параметры  этой  функции  —  уже  знакомые  нам  переменные.  Об  использовании  аналогового входа, использовании АЦП (аналого-цифрового преобразователя), мы поговорим позже. А сейчас вернёмся к общим вопросам программирования.

Программирование это то, что доступно всем, но потребуется время, чтобы освоить и программирование, и какой-либо язык программирования. Сегодня есть ряд программ, помогающих освоить именно программирование. И одна из них имеет непосредственное отношение к модулю Arduino. Называется она Scratch for Arduino или сокращённо S4A. Найти   и скачать эту программу можно по адресу: http://seaside.citilab.eu/scratch/arduino. Я не знаю, как точно переводится название программы, но «to begin from scratch» переводится, как «начать с нуля».

На  сайте  проекта  S4A  есть  версии  для  Windows  и  Linux,  но  для  последней  операционной системы готовая к установке программа в версии дистрибутива Debian. Не хочу сказать, что её нельзя использовать с другими дистрибутивами Linux, но вначале посмотрим, как работать в программе с модулем Arduino в Windows.

После установки программы обычным образом можно настроить интерфейс на русский язык, используя переключатель языков.

Рис. 4.2. Переключатель языков интерфейса программы

Первый значок инструментальной панели, если его нажать, отображает все возможные языки интерфейса программы. Русский язык можно найти в разделе…

Рис. 4.3. Список языков для использования в интерфейсе программы

… отмеченном, как «больше…».

Если ничего не предпринимать, то надпись в правом окне «Searching board…» остаётся, но модуль не находится. Чтобы модуль Arduino подключить к программе S4A, следует загрузить с сайта проекта ещё кое-что.

Рис. 4.4. Файл для загрузки в модуль Arduino для S4A

Этот файл не что иное, как программа для Arduino (Sketch). То есть, текстовый файл, который можно скопировать в редактор Arduino, откомпилировать и загрузить в модуль. После выхода из программы Arduino можно запустить программу S4A и теперь модуль находится.

Рис. 4.5. Подключение модуля к программе

Аналоговые входы модуля не подключены, как и цифровые, поэтому значения, отображаемые для модуля, постоянно меняются произвольным образом.

Источник: Гололобов В. – С чего начинаются роботы. О проекте Arduino для школьников (и не только) – 2011

1 комментарий

  1. Сергей says:

    Спасибо очень интересно и познавательно, но на предпоследнем скрине не видно что именно нужно загрузить ((

    http://nauchebe.net/img/Roboty2011_image058-min-vs.jpg

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты