Arduino

Arduino é unha plataforma de hardware e software libre, baseada nunha placa cun microcontrolador e un contorno de desenvolvemento (IDE), 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 nun contorno de desenvolvemento que pon en funcionamento a linguaxe de programación con Processing e 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 contorno 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. Historia
En 2005, en Ivrea (Italia), no Interaction Design Institute (fundado por Olivetti e Telecom Italia), iniciouse o proxecto para facer un dispositivo controlador programable construído por estudantes de deseño para proxectos interactivos de baixo custo para sistemas de prototipado. Os fundadores Massimo Banzi e David Cuartielles chamaron ao proxecto despois Arduin de Ivrea, tomando o nome dun bar que o tomara a súa vez de Arduino de Ivrea, primeiro rei de Italia en 1002. "Arduino" é tamén un nome de home, que en italiano significa "amigo valente".
O proxecto Arduino é unha plataforma de código aberto (IDE) para plataformas (Linux, Mac e Windows). O artista colombiano e programador Hernando Barragán creouno como tese no Interaction Design Institute Ivrea baixo a supervisión de Massimo Banzi e Casey Reas. Wiring baséase en Processing e a súa contorna de desenvolvemento integrado, que fora creado por Casey Reas e Ben Fry.
Grazas á base de software común, dos creadores do proxecto para a comunidade Arduino foi posible desenvolver programas para conectar con este hardware máis ou menos calquera obxecto electrónico, ordenador, sensores, pantallas e actuadores. Despois de anos de experimentación, agora é posible beneficiarse dunha ampla base de datos e información. Hardware
Placas Arduino
Unha placa Arduino consta dun microcontrolador de 8-bit Atmel AVR con compoñentes complementarios para facilitar a programación e a incorporación noutros deseños. Un aspecto importante de Arduino é a forma estándar na que dispóñense os conectores, permitindo que a placa da CPU poida ser conectada a unha variedade de módulos intercambiables adicionais coñecidos como shields. Algúns comunícanse cos shields da placa Arduino directamente cos diferentes pins, pero moitos shields son individualmente direccionables a través dun bus I²C de serie, o que permite que moitos shields poidan apílarse e empregarse en paralelo. As placas Arduino oficias empregan a serie de circuítos integrados megaAVR, especificamente o ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATMEGA1280 e Atmega2560. Un feixe doutros procesadores compatibles foron empregados por Arduino. A maioría das placas inclúen un regulador lineal de 5 voltios e un oscilador de 16 MHz de reloxo (ou oscilador de cuarzo nalgunhas variantes), aínda que algúns deseños, tales como o LilyPad son a 8 MHz e prescinde do regulador de tensión integrado na placa, debido a restricións determinadas polo deseño. Un microcontrolador Arduino está tamén pre-programado cun xestor de arranque que simplifica a carga de programas na memoria flash do chip, en comparación con outros dispositivos que normalmente necesitan un programador externo ou hardware adicional.
A nivel conceptual, cando utilízase a pila de software de Arduino, todas as placas prográmanse a través dunha conexión RS-232, pero a forma en que isto faise varía segundo a versión do hardware. As placas serie Arduino conteñen un circuíto inversor simple para converter entre o nivel RS-232 e os sinais de nivel TTL. As actuais placas Arduino prográmanse a través de portos USB, posto en funcionamento a través do USB circuítos FT232 FTDI. Algunhas variantes, como o Mini Arduino e o non oficial Boarduino, empregan un cable de datos USB, Bluetooth ou outros métodos. (Cando emprégase con ferramentas para microcontroladores tradicionais en vez do IDE Arduino, emprégase o estándar de programación AVR ISP).
A maioría das placa Arduino conectan os pins do microcontrolador como Entradas/Saídas para o seu uso por outros circuítos. O Diecimila, Duemilanove, e o actual Uno proporcionan 14 pins E/S dixitais, seis dos cales poden producir pulsos de ancho variable, e seis entradas analóxicas (PWM). Estes pins atópanse na parte superior do taboleiro, a través de conectores femia de 0, 1 polgadas. Varias aplicacións shields Plug-in tamén están dispoñibles comercialmente. O Arduino Nano, e Arduino son compatibles coa unión Bare Bones e placas Boarduino podendo proporcionar pins macho na parte inferior da placa para colocarse en placas universais sen soldadura. Especificacións técnicas
Existen varias placas e deseños baseados en Arduino: Ademais das placas e hardware oficial hai outros deseños fabricados por empresas e usuarios que son empregados en proxectos variados. Linguaxe de programación Arduino
A plataforma Arduino prográmase mediante o uso dunha linguaxe propia baseada 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: Java
Flash (mediante ActionScript)
Processing
Pure Data
MaxMSP (contorna gráfica de programación para aplicacións musicais, de son 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 OS X)
Linux TTY (terminais de Linux)
3DVIA Virtools (aplicacións interactivas e de tempo real)
SuperCollider (síntese de son en tempo real)
Instant Reality (X3D)
Liberlab (software de medición e experimentación)
BlitzMax (con acceso restrinxido)
Squeak (posta en funcionamento 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 tódalas estruturas 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 (ata 5 voltios, tecnoloxía TTL).
INPUT / OUTPUT: entrada ou saída
true / false (verdadeiro/falso)
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
sin(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 máis 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.
AVR 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 2μs.
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: 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 Java. En canto á sintaxe de ambas as linguaxes e o modo en que se programan existen tamén varias diferenzas: Arrays Bucles Impresión de cadeas 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, prememos 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 pestanexar, todo estará correcto.
Vexamos o código necesario para conseguilo: 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 simultaneamente. 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. Ademais necesitaremos un ficheiro Morse. cpp co código das funcións declaradas. A continuación móstrase o código: E con isto xa poderiamos utilizar a biblioteca mediante o correspondente #include. Se quixeramos 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: Descargar e instalar o Java 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. O. Windows: FTDI USB Drivers.
Instalar FTDI USB Drivers
Agora si, conectar a placa USB. Abrirase automaticamente o asistente de Windows para novo hardware atopado: Seleccionar "Non polo momento" e premer "Seguinte".
Seleccionar "Instalar desde unha lista ou localización específica (avanzado)" e premer "Seguinte".
"Buscar o controlador máis adecuado nestas localizacións" preme "Examinar". Seleccionar o cartafol onde haxas descomprimido o driver e preme? Seguinte? .
Se non houbo 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
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.
Mac
Dispoñible para 10. 7 Lion ou superior. Debemos baixar o programa da páxina de Arduino e seguir as instrucións do instalador. Creará o acceso directo ao doc e permite instalar en aplicacións o programa. 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
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 interface gráfica, grazas a PD. Minibloq
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.