Prezeráte si stránku pre zákazníkov z: Slovakia. Navrhovaná verzia stránky pre Vás je USA / US
Panel zákazníka
Vo Vašom košíku
Zaregistruj sa

Arduino, teda mikrokontroléry pre každého

2020-11-24

Arduino

Každý nadšenec elektroniky už minimálne počul o Arduino, pretože si vďaka svojim jedinečným vlastnostiam získava obrovskú popularitu. Dnes spoločnosť, založená a vybudovaná nadšencami, diktuje štandardy konektorov a distribúciu signálov obrovským spoločnostiam - výrobcom mikrokontrolérov alebo hodnotiacich dosiek. Čo je Arduino a prečo sa stal neformálnym štandardom vo vzdelávaní a pri vytváraní prototypov? A nakoniec, aké sú typy Arduino, čo môžete s Arduinom robiť a ako ho využiť pre svoje vlastné potreby?

Arduino — ideálna voľba pre začínajúcich programátorov

Ak sa chcete naučiť programovať mikrokontroléry, potom je platforma Arduino výbornou voľbou. Podobne, ak ste nadšencami elektroniky, máte nejaký nápad a chcete rýchlo vytvoriť zariadenie založené na mikrokontroléroch a na štandardných perifériách, ako sú: alfanumerické displeje, grafické, LED, LCD dospleje s alebo bez sprievodných tlačidiel, senzory, prevodové moduly, ovládače motorov alebo elektroventily a oveľa, oveľa viac. Po platforme Arduino stojí za to siahnuť, ak chcete vyrobiť malú sériu zariadení, ktorých „srdcom“ bude mikrokontrolér a nemusí pritom nutne pracovať s Arduino rozširujúcími modulmi.

Arduino – čo to je?

Čím je Arduino? Nie je to len doska mikropočítača (najčastejšie hovoríme „Arduino” a máme na mysli práve dosku), ale kompletná platforma založená na ľahko použiteľnom hardvéri a softvéri. Čo je dôležité, ide o open source platformu, ktorá znamená prístup k bezplatnej, podrobnej dokumentácii a programovým schémam a zdrojom. Typicky sa zariadenie vyrobené na báze platformy Arduino skladá zo základnej dosky s mikrokontrolérom a k nemu pripojeného predlžovacieho modulu nazývaného shield.

Väčšina základných dosiek Arduino má USB rozhranie používané na ich programovanie pomocou počítača. Na niektorých doskách sa signály mikrokontrolérov privádzajú do zásuviek, ku ktorým sú pripojené rozširujúce moduly a k niektorým miestam spájkovacích bodov. Preto sa takéto dlaždice ponúkajú ako miniatúrne moduly, niektorí ich hovorovo nazývajú „mikrokontrolér Arduino“ alebo „Arduino mikropočítač“.

Foto 1. Rozširovací modul s LED displejom a tlačidlami. S jeho pomocou môžete ľahko vytvoriť časovač.

Programovanie v Arduino

Syntax jazyka umožňujúceho programovanie Arduino sa blíži C ++ a stala sa veľmi populárnou medzi vývojármi mikrokontrolérov. Silnou stránkou vývojového prostredia Arduino je dostupnosť mnohých hotových knižníc, ktoré pomáhajú vytvoriť program a nespočetné množstvo hotových aplikácií vyvinutých používateľmi tejto platformy z celého sveta. Dôležité je, že vývojové prostredie je verejné, bez ohľadu na to, na aké účely sa bude používať. Podobne aj samotná základná doska - ak si ju nechcete kúpiť, môžete si ju vyrobiť samostatne na základe dostupnej dokumentácie.

Stručná história vzniku Arduino

Myšlienka Arduino vznikla v Taliansku v inštitúte Ivrea Interaction Design Institute. Platforma Arduino mala byť navrhnutá pre rýchle prototypy a výučbu programovania pre študentov, ktorí sa dovtedy nestretli s elektronikou a programovaním. Nápad tvorcov Arduino bol skvelý, pretože ich riešenie sa osvedčilo nielen na univerzite, ale aj mimo nej, čím pomohli mnohým ľuďom naučiť sa alebo rýchlo realizovať svoje nápady.

Po tom, ako sa Arduino platforma dostala mimo univerzitu a bola prijatá oveľa širšou škálou používateľov, musela sa prispôsobiť novým výzvam a splniť nové potreby. Rozsah základných dosiek sa zároveň značne rozšíril a zahŕňa nielen jednoduché 8-bitové jednotky, ale aj rozsiahlejšie, určené na použitie v zariadeniach IoT, prenosných zariadeniach, 3D tlačiarňach a iných ešte náročnejších aplikáciách. Všetky dosky Arduino sú založené na open source licenčných pravidlách, ktoré umožňujú používateľom vyrobiť si ich sami a prispôsobiť ich svojim špecifickým potrebám. Softvér je tiež typu open source a vyvíjaný prostredníctvom práce používateľov po celom svete.

Prečo práve Arduino?

Pred niekoľkými rokmi mal každý z výrobcov hodnotiacich dosiek alebo mikrokontrolérov nejaký štandard konektorov, dnes väčšina z nich zodpovedá neformálnemu „štandardu“ zavedenému spoločnosťou Arduino. Pravdepodobne hlavným dôvodom je popri popularite samotného prostredia Arduino dostupnosť obrovského množstva rozširujúcich modulov (tzv. shield - tu). Ak sú deriváty ponúkanej hodnotiacej dosky v súlade s výstupmi spoločnosti Arduino, užívateľ má možnosť voľne využívať širokú škálu rozširujúcich modulov pre Arduino, čo umožňuje jednoduché, lacné a rýchle získanie očakávanej funkčnosti prototypu. Poskytuje to tiež výhodu výrobcovi hodnotiacej dosky, pretože sa môže sústrediť na aplikáciu samotného mikrokontroléra, obklopuje ho len minimálnym množstvom spolupracujúcich komponentov a znižuje jeho konečnú cenu.

Foto 2. Rozšírený modul s GSM modemom. Hodí sa pri výrobe alarmu s notifikáciou.

Vďaka jednoduchosti použitia, dostupnosti, ako aj rôznorodosti potrieb používateľov, medzi projektmi realizovanými s Arduino nájdete riešenia mnohých problémov a realizáciu takmer ľubovoľných zariadení. Môžu byť použité priamo alebo ako funkčná súčasť v referenčnom projekte. Softvér na vývoj aplikácií (Arduino IDE) je veľmi ľahko použiteľný začiatočníkmi, pričom je zároveň flexibilný a poskytuje veľa príležitostí pre pokročilých používateľov. Môže byť spustený pod operačnými systémami MacOS, Windows a Linux. Vďaka tomu je prístupný používateľom s rôznymi hardvérovými preferenciami a rôznymi veľkosťami zdrojov.

Nie je možné spočítať všetky použitia Arduino, pretože je rovnako obľúbený odborníkmi, ako aj nadšencami. Učitelia a študenti používajú Arduino na výrobu lacných meracích prístrojov, nielen pre elektrické aplikácie, ale aj pre použitie v chemických a fyzikálnych experimentoch. V školách po celom svete sa používa na štúdium programovania a robotiky. Projektanti a architekti budujú prototypy interaktívnych budov pomocou Arduina, hudobníci a umelci vytvárajú interaktívne umelecké inštalácie a experimentujú s novými typmi hudobných nástrojov. Pre mnohých ľudí je platforma Arduino kľúčovým nástrojom na učenie sa nových zručností. Používať ho môže každý: deti, nadšenci, umelci, vývojári, konštruktéri zariadení a mnoho ďalších osôb. Ktokoľvek si môže postaviť nejaké zariadenie podľa pokynov na zloženie krok za krokom alebo zdieľať nápady online s ostatnými členmi komunity Arduino.

Ktoré Arduino si vybrať?

Na vytvorenie prototypu alebo zariadenia postaveného na platforme Arduino je zvyčajne potrebné obstarať si základnú dosku vybavenú mikrokontrolérom vhodným pre naše potreby, predĺžovací modul – prekrytie shield, softvér Arduino IDE, USB kábel, napájací zdroj a PC. V súčasnosti ekosystém obsahuje rôzne typy Arduino, s rôznymi mikrokontrolérmi a obrovské množstvo rozširujúcich modulov. Príklady modulov sú zobrazené na fotografiách 1... 3.

V závislosti od typu sú dosky Arduino vybavené konektormi – zásuvkami pre goldpiny alebo spájkovacími bodmi, ktoré sa dajú použiť nielen na pripevnenie dosky, ale aj na jej pripevnenie k doske s plošnými spojmi vstavaného zariadenia, ak mikropočítač Arduino plní úlohu centrálnej jednotky. Každý z nich má uložený bootloader v pamäti mikrokontroléra, ktorý sa používa na programovanie procesora „in-circuit” (bez odpájkovania zo zostavy) pomocou jednoduchého výberu možností z ponuky prostredia Arduino IDE.

Foto 3. Rozšírený modul s rozhraním Ethernet. Môže sa hodiť pre zariadenia domácej automatizácie.

Aktuálny zoznam základných dosiek Arduino je nájdete v tabuľke. Väčšina využíva jadrové mikrokontroléry AVR, ale môžete medzi nimi nájsť aj procesor Intel a SAM21 s jadrom ARM Cortex-M0+. Stojí za zmienku, že v tabuľke nie sú žiadne dosky vybavené procesormi Espressif Systems (napríklad populárny ESP8266) a môžu byť tiež naprogramované pomocou Arduino IDE. Pri výbere dosky k aplikácii sa musíte riadiť schopnosťami mikrokontroléra na nej namontovaného. Jednotlivé jednotky sa líšia veľkosťou dostupnej pamäte, prevádzkovou rýchlosťou jadra a vybavením funkčných blokov, ako sú rozhrania, časovače, generátory PWM atď. Je tiež potrebné venovať pozornosť výstupu dosky, pretože niektoré z nich nemajú konektory, ale sú určené na spájkovanie.

Tabuľka 1. Zoznam momentálne ponúkaných základných dosiek Arduino

Typ dosky Arduino Typ procesora IO napätie/napájanie[V] Taktovacia frekvencia CPU[MHz] Analógové vstupy/výstupy Vstupy-digitálne výstupy/PWM číslo EEPROM[kB] SRAM[kB] Flash[kB] USB UART
LilyPad USB ATmega32U4 3,3/3,8…5 8 4/0 9/4 1 2,5 32 - Micro
Mega 2560 ATmega2560 5/7…12 16 16/0 54/15 4 8 256 Typ B 4
Micro ATmega32U4 5/7…12 16 12/0 20/7 1 2,5 32 Micro 1
MKR1000 SAMD21 Cortex-M0+ 3,3/5 48 7/1 8/4 - 32 256 Micro 1
Uno ATmega328P 5/7…12 16 6/0 14/6 1 2 32 Typ B 1
Zero ATSAMD21G18 3,3/7…12 48 6/1 14/10 - 32 256 2×Micro 2
Due ATSAM3X8E 3,3/7…12 84 12/2 54/12 - 96 512 2×Micro 4
Leonardo ATmega32U4 5/7…12 16 12/0 20/7 1 2,5 32 Micro 1
Nano ATmega168; ATmega328P 5/7…9 16 8/0 14/6 0.512; 1 1; 2 16; 32 Mini 1
MKRZero SAMD21 (Cortex-M0+) 3,3 48 7 (ADC 8/10/12 bit)/1 (DAC 10 bit) 22/12 - 32 kB 256 kB Áno 1
Yun Rev 2 ATmega32U4; Atheros AR9331 5; 3,3V 16; 400 12/0 20 1 2,5; 64 MB DDR2 32; 16 MB Áno 1
Uno WiFi Rev2 ATmega4808; Rádiový modul u-blox NINA-W102 5/7…12 16 6/0 14 0,256 6 48 Áno 1
Nano 33 IoT SAMD21 (Cortex-M0+) 3,3/3,6…21 48 8/1 14 - 32 256 Áno 1
Nano 33 BLE nRF52840 3,3/3,6…21 64 8/0 14 - 256 1MB Áno 1
Nano 33 BLE Sense nRF52840 3,3/3,6…21 64 8/0 14 - 256 1MB Áno 1
MKR1000 WiFi SAMD21 (Cortex-M0+) 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Áno 1
MKR1010 WiFi SAMD21 (Cortex-M0+) 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Áno 1
MKR Vidor 4000 SAMD21 (Cortex-M0+); FPGA Intel Cyclone 10CL016 3,3/5 48; 48…200 7/1; -/- 8; 22 - 32; 8MB SDRAM 256; 2MB Áno 1; 7
MKR Fox 1200 SAMD21 (Cortex-M0+); Rádiový modul Microchip Smart RF ATA8520 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Áno 1
MKR GSM 1400 SAMD21 (Cortex-M0+); Rádiový modul u-blox SARA-U201 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Áno 1
MKR NB 1500 SAMD21 (Cortex-M0+); Rádiový modul u-blox SARA-R410M-02B 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Áno 1
MKR WAN 1310 SAMD21 (Cortex-M0+); Rádiový modul CMWX1ZZABZ 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Áno 1
MKR WAN 1300 (LoRA Connectivity) SAMD21 (Cortex-M0+); Rádiový modul CMWX1ZZABZ 3,3/5 48 7/1 8 - 32 256 Áno 1
Portenta H7 STM32H747XI (Cortex-M7+M4); Rádiový modul Murata 1DX WiFi a Bluetooth 5.1 3,3/5 480 7/2 15/8 - 1MB 2MB Áno 4

 

Zoznam momentálne ponúkaných základných dosiek Arduino - PDF

Arduino Nano, Arduino Uno a ďalšie

Cenovo dostupné dosky a voľné vývojové prostredie Arduino sú veľmi dobrou alternatívou k mnohým komerčne dostupným hodnotiacim platformám ponúkaným napr. výrobcami mikrokontrolérov. Dostupnosť dokumentácie a otvorených zdrojov vám umožní upraviť platformu sami a prispôsobiť ju vlastným potrebám. Hotové dosky Arduino sú k dispozícii za rozumnú cenu. Dobrým východiskovým bodom pre začiatočníkov je Arduino Uno. Dodáva sa s bežným konektorom USB, pomocou ktorého môžete dosku spojiť s počítačom a jednoducho prenášať softvér jedným kliknutím. Mikrokontrolér ATMega328 namontovaný na doske má dostatok pamäte a hardvérových zdrojov pre mnoho riadiacich a kontrolných aplikácií. Frekvencia taktovania jadra je 16 MHz, čo prináša strojový cyklus s trvaním 62,5 ns a jadro AVR používané v mikrokontroléri implementuje väčšinu inštrukcií v jednom cykle stroja. Počas získavania skúseností a praxe si môžete vybrať viac variantov ako je napríklad Arduino Due, Mega 2560 a ďalšie. Po prvé, stojí za to venovať pozornosť modelu Arduino Nano, ktorý je miniaturizovanou verziou väčších sústav, chýba mu napríklad stabilizátor napätia a port USB v plnej veľkosti. Arduino Nano je však vybavený rovnakým, 8-bitovým procesorom ako doska Uno, s pôsobivým zmenšením veľkosti. V prípade radu Nano je rozmer PCB 18 mm x 45 mm! Dôležité je, že napriek zmene hardvéru stále profituje z rovnakého vývojového prostredia.

Programovanie mikrokontrolérov sa zvyčajne vykonáva prostredníctvom rozhrania USB. Aby USB rozhranie Arduino fungovalo správne s operačným systémom, ktorý používate, bude potrebný vhodný ovládač, nainštalovaný operačným systémom po vložení dosky a spustení aplikácii spúšťacieho mikrokontroléra, tzv. bootloadera. Pôvodne bol Arduino IDE napísaný pre Windows, a preto bola väčšina bootloaderov sprístupnená pre Windows a len niektoré z nich boli šité na mieru iným operačným systémom. Ak pracujete na počítači so systémom MacOS alebo Linux stojí pred rozhodnutím o kúpe konkrétnej základnej dosky Arduino za to skontrolovať, či je kompatibilná so systémom, ktorý používate.

Foto 4. Arduino Uno R3 odporúčané pre začiatočníkov.

Nakoniec stojí za zmienku webová stránka používateľov Arduino, ktorá je k dispozícii na adrese, https://www.arduino.cc/, kde nájdete aktuálne verzie programov, početné aplikácie, užívateľské fórum a znalostnú základňu. Existujú aj schémy a elektrické parametre dosiek Arduino, popisy a špecifikácie parametrov vrátane popisu Arduino Uno R3 (foto 4) odporúčaného pre začiatočníkov. V našej ponuke nájdete mnoho rozširujúcich modulov a mnohé príklady aplikácií sú k dispozícii aj na iných webových stránkach — môžete ich nájsť pomocou vyhľadávačov alebo diskusných skupín venovaných programovaniu a elektronike.

Váš prehliadač už nie je podporovaný, stiahnite si novú verziu