PROTOTYPING UNIVERSITA DEL SALENTO. Dip. Ingegneria dell Innovazione

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1 CORSO di ELECTRONIC DESIGN AND RAPID PROTOTYPING UNIVERSITA DEL SALENTO Dip. Ingegneria dell Innovazione Prof. P. Visconti

2 Arduino è un progetto formato da una parte hardware il cui cuore è un microcontrollore della ATMEL; da una parte software per la programmazione del dispositivo. Offre un ampio ventaglio di interfacce: Seriale, Bluetooth, Ethernet, SD, SPI, I2C, Wireless Prof. P. Visconti Il sito di riferimento è

3 Arduino principali caratteristiche Caratteristiche tecniche: - Microcontrollore ATmega328 -Tensione di lavoro 5V -Tensione di ingresso (consigliato) 7-12V -Tensione limite 6-20V -14 pin digitali I / O : 6 utilizzabili come uscite di tipo PWM; 4 utilizzabili per comunicazione SPI; 2 utilizzabili per comunicazione I2C; 2 utilizzabili per i collegamenti seriali TTL level; 2 utilizzabili per interrupt esterno; 6 pin di ingresso analogico -Corrente per I / O 40 ma -Corrente per 3,3 V 50 ma Prof. P. Visconti -32 KB di memoria Flash di cui 0,5 KB utilizzati dal bootloader -SRAM 2 KB -EEPROM 1 KB -Velocità di clock 16 MHz

4 Arduino Uno: pinout Prof. P. Visconti

5 Pin Digitali Ognuno dei 14 pin Digital I/O dell Arduino può essere utilizzato sia come input che come output. Pertanto Arduino è in grado di acquisire informazioni da sensori e gadget elettronici e al contempo pilotare motori, emettere suoni o accendere luci. I pin Digital I/O operano ad una tensione di 5V e possono fornire fino a 40mA di corrente. Alcuni di questi pin hanno funzioni specifiche: Serial: pin 0 (RX) e pin 1 (TX). Sono rispettivamente il pin di trasmissione e ricezione per la comunicazione seriale. Lavorano a 5V e sono connessi con l USB. Possono essere utilizzati per connettere un modulo bluetooth. In questo caso il modulo deve essere scollegato per permettere la scrittura del firmware attraverso l USB. External Interrupts: pin 2 e 3. Questi pin possono essere configurati per la generazione di interrupt. Possono cioè essere configurati in modo che se il valore del pin cambia, l esecuzione del codice viene interrotta momentaneamente per eseguire un altra operazione, associata al cambiamento del pin Prof. P. Visconti

6 Arduino principali caratteristiche La modulazione a larghezza di impulso è largamente utilizzata per regolare la potenza elettrica inviata ad un carico, per esempio negli inverter, per regolare la velocità dei motori in corrente continua e per variare la luminosità delle lampadine. Come si può intuire, con un duty cycle pari a zero la potenza trasferita è nulla, mentre al 100% la potenza corrisponde al valore massimo trasferito nel caso non sia presente il circuito di modulazione. Ogni valore intermedio determina una corrispondente fornitura di potenza. Prof. P. Visconti

7 SPI (Serial Peripheral Interface) Il Serial Peripheral Interface è un sistema di comunicazione tra un microcontrollore e altri circuiti integrati o tra più microcontrollori. La trasmissione avviene tra un dispositivo detto master e uno o più slaves. Il master controlla il bus, emette il segnale di clock, decide quando iniziare e terminare la comunicazione. Il bus SPI si definisce: di tipo seriale sincrono per la presenza di un clock che coordina la trasmissione e ricezione dei singoli bit e determina la velocità di trasmissione full-duplex in quanto il "colloquio" può avvenire contemporaneamente in trasmissione e ricezione. Prof. P. Visconti

8 SPI (Serial Peripheral Interface) Ogni device ha uno shift register contenente i dati. Il trasferimento prevede lo scambio del contenuto. In ogni trasferimeno avvengono gli scambi M->S e S<-M Il Master indirizza lo slave, e gestisce il trasferimento con il segnale SCK I dati in uscita vengono scritti in corrispondenza del fronte di salita [discesa] di SCK I dati vengono campionati sul fronte opposto Prof. P. Visconti

9 I 2 C Acronimo di Inter Integrated Circuit, è un sistema di comunicazione seriale bifilare utilizzato tra circuiti integrati. Il classico bus I²C è composto da almeno un master ed uno slave. La situazione più frequente vede un singolo master e più slave; possono tuttavia essere usate architetture multimaster e multislave in sistemi più complessi. Il protocollo hardware dell'i 2 C richiede due linee seriali comunicazione: SDA (Serial DAta line) per i dati SCL (Serial Clock Line) per il clock (per la presenza di questo segnale l'i 2 C è un bus sincrono). Prof. P. Visconti

10 Arduino principali caratteristiche Memoria SRAM 2KB; Memoria FLASH 32KB di cui 2 utilizzati per il bootloader; Memoria EEPROM 1KB Microcontrollore ATMEGA328 a 16 MHz Prof. P. Visconti

11 SRAM La SRAM, acronimo di Static Random Access Memory, è un tipo di RAM volatile che non necessita di refresh. I banchi di memorie SRAM consentono di mantenere le informazioni per un tempo teoricamente infinito, hanno bassi tempi di lettura e bassi consumi. Prof. P. Visconti

12 FLASH La memoria flash, anche chiamata flash memory, è una tipologia di EEPROM, quindi di memoria non volatile, che per le sue prestazioni può anche essere usata come memoria a lettura-scrittura. La memoria flash, trattandosi di memoria a stato solido, non presenta alcuna parte mobile quindi è piuttosto resistente alle sollecitazioni e agli urti, inoltre è estremamente leggera e di dimensioni ridotte. La memoria flash è particolarmente indicata per la trasportabilità, proprio in virtù del fatto che non richiede alimentazione elettrica per mantenere i dati e che occupa poco spazio. Molto usata nei lettori di musica portatili, nelle pendrive (chiavette), ecc. Prof. P. Visconti

13 Bootloader Il microcontrollore è fornito con un bootloader, che è un software che permette il caricamento dei programmi in memoria senza l ausilio di programmatori esterni (occupa 2 KB di memoria flash). Quando si resetta la scheda viene fatto girare il bootloader (se presente) che fa lampeggiare il led collegato al pin 13. Il bootloader si mette in ascolto di comandi o dati in arrivo dal computer (che generalmente sono i programmi scritti dall utente) e li carica nella memoria flash del microcontrollore; dopodiché viene lanciato il programma in memoria. Se non ci sono programmi in arrivo dal computer viene lanciato l ultimo sketch caricato. Se invece, il microcontrollore è vuoto viene lanciato in continuazione il bootloader. Prof. sketch: P. Visconti programma scritto dall utente

14 Bootloader Il microcontrollore è fornito con un bootloader, che è un software che permette il caricamento dei programmi in memoria senza l ausilio di programmatori esterni (occupa 2 KB di memoria flash). Quando si resetta la scheda viene fatto girare il bootloader (se presente) che fa lampeggiare il led collegato al pin 13. Il bootloader si mette in ascolto di comandi o dati in arrivo dal computer (che generalmente sono i programmi scritti dall utente) e li carica nella memoria flash del microcontrollore; dopodiché viene lanciato il programma in memoria. Se non ci sono programmi in arrivo dal computer viene lanciato l ultimo sketch caricato. Se invece, il microcontrollore è vuoto viene lanciato in continuazione il bootloader. Prof. sketch: P. Visconti programma scritto dall utente

15 Comunicazione Arduino comunica con il PC attraverso la porta USB. Nella scheda trova posto l integrato FTDI FT232RL che consente di avere un collegamento seriale virtuale sopra un collegamento USB. I driver del chip FTDI FT232RL devono essere caricati nel PC e comunque sono forniti insieme al software per la programmazione di Arduino. Il sito di riferimento del chip è sketch: programma scritto dall utente Prof. P. Visconti

16 Comunicazione Il software per la programmazione di tutti i tipi di schede Arduino, si chiama semplicemente Arduino IDE. Ne esistono diverse versioni sia per Windows (quella testata in questo lavoro), sia per Linux sia per Mac. L ultima versione disponibile è la 1.85 Essa è un'applicazione multipiattaforma in Java, ed è derivata dall'ide creato per il linguaggio di programmazione Processing e per il progetto Wiring. Il linguaggio di programmazione deriva dal Java e soprattutto dal C / C++, ma in versione «alleggerita», mettendo a disposizione dell utente funzioni più ad elevato livello Prof. P. Visconti sketch: programma scritto dall utente

17 Open Software

18 Arduino IDE (integrated development environment) L'ambiente di sviluppo integrato Arduino rende semplice la scrittura di codice e caricarlo sulla scheda. Funziona su Windows, Mac OS X e Linux. L'ambiente è scritto in Java e basato su Processing, avr-gcc e altri software open source.

19 Arduino IDE (integrated development environment) I principali comandi del software sono: Verify: per compilare il programma; Stop: per interrompere la verifica del programma; Save: per salvare lo sketch; Open: per aprire uno sketch salvato in precedenza; New: per creare un nuovo sketch; Upload: per caricare lo sketch nel microcontrollore.

20 Arduino IDE (integrated development environment) See: for more information

21 Arduino IDE (integrated development environment) Select Serial Port and Board selection See: for more information

22 Arduino IDE (integrated development environment) Status Messages See: for more information

23 Arduino IDE (integrated development environment) Status Messages See: for more information

24 Arduino IDE (integrated development environment) Uno strumento utilissimo nella fase di programmazione e di debug è il Serial Monitor che permette di inviare e di ricevere dati testuali dalle Arduino board. Il Serial Monitor durante il suo funzionamento tiene occupati i due pin del collegamento seriale: pin 0 (Rx) e pin 1 (Tx); per tale motivo questi due pin non possono essere utilizzati come ingressi o uscite.

25 Il linguaggio di Arduino Linguaggio C/C++ Sintassi semplificata da funzioni di supporto alla programmazione Astrazione dei nomi dei pin, passaggio ai numeri Facile da imparare e potente Facilità di riutilizzo del codice C per altri progetti Librerie scritte in C/C++ Moltissimo codice di esempio (Tutorial Playground) Moltissime librerie già pronte (GitHub GoogleCode)

26 Parole chiave del C auto double int struct break else long switch case enum register typedef char extern return union const float short unsigned continue for signed void default goto sizeof volatile do if static while

27 Struttura di UNO sketch Uno sketch si compone di due funzioni principali che non accettano nessun parametro e non restituiscono alcun valore: void setup(), tutte le istruzioni contenute all interno di questa funzione vengono eseguite una sola volta al lancio dello sketch da parte del microcontrollore; void loop(), tutte le istruzioni contenute in questa funzione sono eseguite in continuazione. E sempre possibile inserire parti di programma all interno di altre funzioni che vengono richiamate dal programma principale all occorrenza.

28 Struttura di UNO sketch Un programma su Arduino == sketch Deve obbligatoriamente avere: setup() loop() setup() Configura il modo dei pin loop() Corpo principale del programma impostato come ciclo infinito Come un while(1) { } Dov è la funzione main()? /* Blink Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly. This example code is in the public domain. */ int led = 13; // the setup routine runs once when you press reset: void setup() { // initialize the digital pin as an output. pinmode(led, OUTPUT); } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { digitalwrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalwrite(led, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW } delay(1000); // wait for a second

29 Struttura di UNO sketch Di solito uno sketch utilizza delle librerie di comandi che consentono di controllare dei particolari dispositivi. Le librerie possono essere scritte anche dagli utenti a proprio uso e consumo. Le librerie vengono inserite con il comando #include <SoftwareSerial.h>

30 Linguaggio di programmazione Il linguaggio di programmazione può essere diviso in tre parti: Strutture; Variabili e costanti; Funzioni.

31 Linguaggio di programmazione Strutture setup() loop() if if...else for switch case while do... while break continue return

32 Linguaggio di programmazione Variabili e costanti Le variabili permettono di assegnare un nome e memorizzare un valore numerico da utilizzare per scopi successivi nel corso del programma. Variabile globale: Una variabile globale è una variabile che può essere vista e usata da ogni istruzione e funzione del programma; nell'ambiente di sviluppo di Arduino, ogni variabile dichiarata al di fuori di una funzione (come ad es. setup(), loop(),..) è una variabile globale. Variabile locale: Le variabili locali sono visibili solo dalle funzioni entro cui sono dichiarate o all'interno di funzioni o cicli dove vengono definite. Variabile static: La parola chiave Static viene utilizzata per creare una variabile che è visibile solo da una funzione. Variabile volatile: essa indica al compilatore di caricare la variabile dalla memoria RAM ( memoria temporanea dove le variabili del programma sono memorizzate e manipolate ), e non dalla memoria register. Variabile const: É un qualificatore di variabile che modifica il comportamento della variabile, rendendola una variabile di solo lettura.

33 Linguaggio di programmazione Variabili e costanti Le variabili permettono di assegnare un nome e memorizzare un valore numerico da utilizzare per scopi successivi nel corso del programma. Le variabili sono numeri che possono cambiare a differenza delle costanti che invece non possono mai cambiare. Ex dichiarazione di una variabile: int inputvar=0; //inizializza la variabile di nome inputvar inputvar=analogread(2); // assegna alla variabile su inizializzata il valore // letto dal pin analogico 2 variandone il contenuto

34 Linguaggio di programmazione Variabili e costanti Le stringhe di caratteri possono essere rappresentate in due modi: usando il tipo String, che fa parte del codice di Arduino a partire dalla versione 0019; costruendo una stringa con un array di caratteri e null (/n) per terminarla. Ex. char Str3[8]={'a','r','d','u','i','n',o','/0'}; // esplicitamente viene aggiunto il // carattere null (/0). L'oggetto String permette più funzionalità a scapito però di maggiore occupazione di memoria. Infatti, permette l'uso e la manipolazione di stringhe di testo in maniera più complessa di quanto permette l'array di char. Si possono concatenare stringhe, appendere altro testo ad esse, cercare e sostituire parti di stringhe, e molto altro.

35 Linguaggio di programmazione Variabili e costanti Le costanti sono variabili predefinite nel linguaggio per Arduino e vengono utilizzate per rendere il programma più semplice da leggere. Le costanti sono classificate in diversi gruppi. Costanti booleane: true, false; Costanti INPUT, OUTPUT; Costanti HIGH, LOW; Costanti a numero interi (integer)

36 Le funzioni di Arduino Digital I/O pinmode() digitalwrite() digitalread() Analog I/O analogreference() analogread() analogwrite() - PWM Due only analogreadresolution() analogwriteresolution() Advanced I/O tone() notone() shiftout() shiftin() pulsein() Time millis() micros() delay() delaymicroseconds() Math min() max() abs() constrain() map() pow() sqrt() Trigonometry sin() cos() tan() Random Numbers randomseed() random() Bits and Bytes lowbyte() highbyte() bitread() bitwrite() bitset() bitclear() bit() External Interrupts attachinterrupt() detachinterrupt() Interrupts interrupts() nointerrupts() Communication Serial Stream USB (Leonardo and Due only) Keyboard Mouse

37 Le funzioni di Arduino: I/O digitali pinmode(pin,mode); pin numero del pin di cui si vuole impostare la modalità ingresso o uscita mode sempre INPUT o OUTPUT Esempio: int ledpin=10; //led connesso al pin digitale 10 void setup( ){ pinmode(ledpin,output); //imposta il pin digitale come uscita (output) } I pin analogici possono essere usati come pin digitali purché non riferisca con i nomi A0, A1...A5.

38 Le funzioni di Arduino: I/O digitali digitalwrite() : Scrive un valore HIGH o LOW su un pin impostato come digitale. Se il pin è stato impostato come OUTPUT con il pinmode(), la sua tensione sarà impostata al corrispondente valore di 5V per HIGH e 0V per LOW. Altresì, se il pin è impostato come INPUT tramite il pinmode(), scrivendo un valore HIGH con digitalwrite() si abiliterà un resistore interno di pullup da 20K. Scrivendo basso sarà disabilitato il pullup. Il resistore di pullup è sufficiente per far illuminare un led debolmente, per cui sembra che il diodo lavori anche se debolmente (questa è una probabile causa). digitalwrite(pin,valore); pin è il pin di cui si vuole impostare il valore valore HIGH o LOW

39 Le funzioni di Arduino: I/O digitali digitalwrite() : Esempio: int ledpin=13; // led connesso al pin digitale 13 void setup( ){ pinmode(ledpin, OUTPUT); // imposta il pin digitale come output } void loop( ) { digitalwrite(ledpin, HIGH); // accende il LED delay(1000); // aspetta per 1 secondo digitalwrite(ledpin, LOW); // spegni il LED delay(1000); // attendi 1 secondo }

40 Le funzioni di Arduino: I/O digitali digitalread(): Legge il valore da un pin digitale specifico digitalread(pin) pin è il numero intero del pin di cui si vuole leggere il valore alto o basso. Esempio; int ledpin = 13; // LED connesso al pin digitale13 int inpin = 7; // pulsante connesso al pin digitale7 int val = 0; // variabile che memorizza il valore letto void setup( ) { pinmode(ledpin, OUTPUT); // imposta il pin digitale 13 come uscita pinmode(inpin, INPUT); // imposta il pin digitale 7 come ingresso } void loop( ){ val = digitalread(inpin); // legge il pin di ingresso e lo memorizza in val digitalwrite(ledpin, val); // imposta il LED a seconda dell'azione svolta // sul pulsante }

41 MAIN.cpp #include <Arduino.h> int main(void) { init(); #if defined(usbcon) USBDevice.attach(); #endif Semplificazioni dell IDE nasconde: Main.cpp Prototipi delle funzioni Gestione degli #include setup(); for (;;) { serialeventrun(); } return 0; } loop(); if (serialeventrun)

42 Impostare la direzione di un pin Con Arduino IDE pinmode(pin_no., dir) Es. impostare il pin 3 di Arduino (PD3) come uscita pinmode(3, OUTPUT); Nota: un pin alla volta Supponiamo di voler impostare i pin 3, 5 e 7 (PD3, PD5 e PD7) come uscite. Come possiamo fare?

43 Esempio 1 Impostare i pin 3, 5 e 7 (PD3, PD5 e PD7) come uscite Arduino IDE Registri DDRD = 0b ; pinmode(3, OUTPUT); pinmode(5, OUTPUT); pinmode(7, OUTPUT); or DDRD = 0xA8; or DDRD = 1<<PD7 1<<PD5 1<<PD3;

44 PINMODE() void pinmode (uint8_t pin, uint8_t mode) { uint8_t bit = digitalpintobitmask(pin); uint8_t port = digitalpintoport(pin); volatile uint8_t *reg, *out; } if (port == NOT_A_PIN) return; // JWS: can I let the optimizer do this? reg = portmoderegister(port); out = portoutputregister(port); if (mode == INPUT) { uint8_t oldsreg = SREG; cli(); *reg &= ~bit; *out &= ~bit; SREG = oldsreg; } else if (mode == INPUT_PULLUP) { uint8_t oldsreg = SREG; cli(); } else { } *reg &= ~bit; *out = bit; SREG = oldsreg; uint8_t oldsreg = SREG; cli(); *reg = bit; SREG = oldsreg;

45 Uso di un pin per accendere un LED Accendiamo un LED connesso al pin 7 di Arduino (PD7) (occhio alla resistenza!) ATmega328 Come si deve impostare la direzione del pin 7 (PD7)? pinmode(, ); Arduino pin 7 (PD7) Accendiamo il LED digitalwrite(7, HIGH); Spegniamo il LED digitalwrite(7, LOW);

46 Esempio 2 Impostare i pin 0 e 1 (PD0 e PD1) come uscite con un livello del segnale ALTO Arduino pinmode(0, OUTPUT); pinmode(1, OUTPUT); digitalwrite(0, HIGH); digitalwrite(1, HIGH); Registri DDRD = b ; PORTD = b ; o DDRD = 0x03; PORTD = 0x03; oppure DDRD = 1<<PD1 1<<PD0; PORTD = 1<<PD1 1<<PD0;

47 Digitalwrite() void digitalwrite (uint8_t pin, uint8_t val) { uint8_t timer = digitalpintotimer(pin); uint8_t bit = digitalpintobitmask(pin); } uint8_t port = digitalpintoport(pin); volatile uint8_t *out; if (port == NOT_A_PIN) return; // If the pin that support PWM output, we need to turn it off // before doing a digital write. if (timer!= NOT_ON_TIMER) turnoffpwm(timer); out = portoutputregister(port); uint8_t oldsreg = SREG; cli(); if (val == LOW) { *out &= ~bit; } else { *out = bit; } SREG = oldsreg;

48 PIN, sensori e resistenze di pull-up - 1 Usiamo un pulsante come sensore Vogliamo leggere lo stato del pulsante Qual è la direzione da attribuire al pin 3 di Arduino (PD3)? pinmode(, ); Qual è la tensione sul pin PD3 quanto il contatto è chiuso? ATmega328 Arduino pin 3 (PD3) Qual è la tensione sul pin PD3 quanto il contatto è aperto? Indeterminata!

49 PIN, sensori e resistenze di pull-up - 2 Forniamo una tensione sul pin PD3 per determinare lo stato attivando la resistenza di pull-up Impostiamo PD3 come input-pullup: pinmode(3, INPUT); digitalwrite(3,high); oppure pinmode(3, INPUT_PULLUP); ATmega328 V TG = +5V 1 0 PD3 Che tensione leggero sul pin PD3 quanto il pulsante è aperto? V TG Che tensione leggero sul pin PD3 quanto il pulsante è chiuso? GND

50 PIN, sensori e resistenze di pull-up - 3 Spegniamo la resistenza di pull-up Dopo aver impostato PD3 come input: pinmode(3, INPUT);. digitalwrite(3, LOW); ATmega328 V TG = +5V 1 0 PD3

51 PIN, sensori e resistenze di pull-up - 4 Weak Drive Settando il pin come input e attivando la resistenza di pull-up interna la corrente in uscita dal pin è debole. ATmega328 V TG = +5V Il valore tipico delle resistenze di pull-up per l ATmega328 è tra i 20 e 50 kω 1 0 i weak PD3

52 Esempio 3 Impostare i pin 0 e 1 (PD0 e PD1) come ingresso attivando la resistenza di pull-up Arduino pinmode(0, INPUT); pinmode(1, INPUT); digitalwrite(0, HIGH); digitalwrite(1, HIGH); oppure pinmode(0, INPUT_PULLUP); pinmode(1, INPUT_PULLUP); Registri DDRD = 0; // all PORTD pins inputs PORTD = b ; o PORTD = 0x03; oppure DDRD & = ~(1<<PD1 1<<PD0); PORTD = (1<<PD1 1<<PD0);

53 Risorse en.wikipedia.org/wiki/arduino camillomiller.com/arduino/leggi-online.html forum.arduino.cc

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