Оригинальный Arduino был разработан для одной специфической задачи, и справился с этой задачей в совершенстве. С успехом первой оригинальной платы Arduino, компания решила создать больше проектов, некоторые из них для очень специфических задач. Кроме того, поскольку оригинальный дизайн Arduino был под открытой лицензией, несколько компаний и частных лиц разработали свои собственные Arduino совместимые платы расширений, или следуя принципам открытого исходного кода, предложили свои изменения в Arduino. Arduino начал программу сертификации для обеспечения совместимости с бордами, которые используют различные процессоры, и Intel Galileo был первым, кто получил подобный сертификат. Любой может сделать свой собственный Arduino-совместимый прибор, но наименование и логотип Arduino зарезервирован как торговая марка. Таким образом, вы найдете множество плат с именами, заканчивающимися на "uino", подразумевающие совместимость.
Arduino сделал дизайн платы с открытым исходным кодом, но они по-прежнему производят платы самостоятельно. Эти платы известны как официальные. Другие компании также делают Arduino совместимые платы.
Arduino Uno
является стандартной платой Arduino и возможно наиболее распространенной. Она основана на чипе Atmel ATmega328, имеющем на борту 32 КБ флэш-памяти, 2 Кб SRAM и 1 Кбайт EEPROM памяти. На периферие имеет 14 дискретных (цифровых) каналов ввода / вывода и 6 аналоговых каналов ввода / вывода, это очень разносторонне-полезные девайсы, позволяющие перекрывать большинство любительских задач в области микроконтроллерной техники. Чип ATmega16u2 на борту управляет последовательной связью. Данная плата контроллера является одной из самых дешовых и наиболее часто используемых. При планировании нового проекта, если вы незнакомы, с платформой Arduino, советую начать с Uno.
Arduino Leonardo
Платформа немного отличается от Uno. На основе ATmega32u4, этот микроконтроллер имеет расширенные возможности USB и, следовательно, не требует отдельного микрочипа для последовательной связи по USB, как Uno. Это означает меньшую стоимость; меньше микросхем - дешевле решение. Это также означает, что разработчик может использовать микроконтроллер в качестве родного устройства USB, увеличивается гибкость при коммуникации с компьютером. Леонардо может эффективно эмулировать клавиатуру и мышь через USB HID.
Arduino Ethernet
Платформа Arduino Ethernet на основе ATmega 328, взятая с Uno , может подключаться к сети Ethernet ,функциональность необходимая во множестве проектов. Физически, платформа Arduino Ethernet имеет те же14-дискретных входов / выходов, как Arduino Уно, с темисключением, что 4 используются для управления модулем Ethernet и встроенным считывателем микро- SD карт, ограничиваяколичество доступных выводов.
Интересноотметить, что Arduino Ethernet имеет дополнительный модуль POE (Power Over Ethernet ). Эта опция позволяет Arduino Ethernet питаться непосредственно от сети Ethernet , без необходимости использования внешнегоисточника питания при условии, что питание POE подключено на другом конце кабеля Ethernet . Без POE Arduino должен быть запитан с помощью внешнего источника питания.
Еще одно отличиеот других плат Arduino - это отсутствие разъема USB . Потому что довольно много места занято разъемом Ethernet , зато устройство поддерживает коммуникации черезобычные выводы.
Arduino Mega 2560
лиш немного длиннее, чем Arduino Uno, но она имеет значительно больше каналов ввода - вывода. Она имеет в общей сложности 54 цифровых линий ввода / вывода и 16 аналоговых входов. Она также имеет большое количество флэш-памяти: 256 КБ, что позволяет хранить большие программы, чем Uno. Она также имеет немалую SRAM и EEPROM: 8 КБ и 4 КБ, соответственно. Она также имеет 4 аппаратных UART порта, что делает ее идеальной платформой для коммуникаций с несколькими устройствами параллельно.
Платы Arduino Mega используются там, где необходимо большое количество входов и выходов.
Arduino Mini
Платформа Arduino Mini это крошечное устройство, используемое в проектах, требующих максимальной экономии места. Она содержит 14 цифровых входов / выходов и 4 аналоговых входных контакта. (Еще четыре доступны, но не выведены.) Устройство настолько миниатюризировано, что не имеет ни USB-разъема, ни регулятора мощности ни даже гребёнки для подключения периферии. Программирование осуществляется с помощью внешнего USB или RS232 через TTL последовательный адаптер.
Arduino Micro
полностью соответствует своему названию; это одна из самых маленьких плат из линейки Arduino. Несмотря на свой небольшой размер, она все же имеет большое количество входных и выходных выводов; она имеет 20 цифровых каналов ввода / вывода, из которых 7 могут быть использованы как выходы ШИМ. Она также имеет 12 аналоговых входов. Микро не спроектирована, для наращивания подсоединенными шилдами, но у её такое расположение выводов гребенок, что её удобно размещать непосредственно на макетной плате.
Arduino Due
Контроллер Arduino Due отличается от всех Arduino тем, что он спроецирован не на базе AVR, а на чипе Atmel SAM3X8E архитектуры ARM Cortex-M3. Этот передовой микроконтроллер работает на частоте 84 МГц и является полноценным 32-разрядным устройтвом. Он имеет большое количество дискретных и аналоговых входов / выходов: 54 цифровых канала (12, из которых могут быть использованы в качестве ШИМ) и 12 аналоговых входов. На плате предусмотрены 4 UART, порт SPI, интерфейс Twin-Wire, а так же включает в себя порт JTAG.
Платформа Arduino Due имеет более высокие требования пи питанию и питается от 3,3 В. Будьте осторожны, чтобы не подать 5 В на любой из выводов: в противном случае, вы можете спалить плату. При выборе шилда расширения для Due, убедитесь, что он поддерживает питание 3.3 В.
Arduino Due невероятно мощный Arduino. Due имеет на борту 512 КБ флэш-памяти и в суммарно 96 КБ SRAM. Он может обрабатывать крупнейшие программы на высокой скорости. Если вам нужны мощные вычислительные процессы, то эта Ардуина для вас.
LilyPad Arduino
LilyPad Arduino - довольно интересное устройство. Оно выпадает из привычных стереотипов об обычном Arduino, потому что имеет не прямоугольную, а круглую форму. Во-вторых, оно не поддерживает механические соединения с шилдами. Оно предназначено для, небольших автономных устройство. Круглая форма продиктовала то, что разъемы равномерно распределены по окружности, и его небольшой размер (2 дюйма в диаметре) делает его идеальным для переносных устройств. Это устройство легко спрятать, и несколько производителей разработали устройства, специально для LilyPad: экраны, датчики света, даже коробки для батарей питания, которые могут быть зашиты в ткань. Для того, чтобы сделать LilyPad как можно меньше и как можно легче, на сколько возможно, были принесены некоторые жертвы. У LilyPad нет регулятора напряжения на борту, так что ему для питания будет необходимо обеспечить по крайней мере 2,7 вольт, и не более 5,5 вольт; в противном случае, будет пшик.
Arduino Pro
Контроллер Arduino Pro заявлен в двух версиях, на основе ATmega168 и ATmega328. Версия 168 работает на 3,3 В с тактовой частотой 8 МГц, а версия 328 работает на 5 В и частоте 16 МГц. Обе версии имеют 14 цифровых входов / выходов и 6 аналоговых входов. Контроллер имеет разъем питания батареи JST, переключатель для выбора между режимами питания, и пространство, отведенное для модуля питания, при необходимости. На плате нет порта USB, но вместо него используется кабель FTDI для программирования.
Arduino Pro отличается от большинства других Arduino тем, что являясь отдельной самостоятельной макетной платой, он также может быть использован для расширения функционала других контроллеров в качестве шилда. Он выпускается без портов и привычных гребёнок. Все цифровые и аналоговые входы и выходы расположены по краям платы, сохраняя стандартное для Ардуино расположение отверстий, готовых к припаиванию гребенок или проводов, по необходимости. Вместо использования для прототипирования новых проектов, Arduino Pro больше направлен на окончательный монтаж в готовой продукции. Arduino Pro не разрабатывался самим Arduino, а был разработан и запущен в производство фирмой SparkFun Electronics.
Arduino Robot
Arduino Robot, это попросту говоря, Arduino на колесах. В его состав входят две платы контроллеров - один управляет двигателями на борту, а другой обрабатывает сигналы датчиков. Управляющий контроллер дает команды плате управления двигателями о том, что делать.
Управляющая плата контролируется чипом ATmega32u4, с 32 КБ флэш, 2,5 КБ SRAM и 1 Кбайт EEPROM памяти. Она также имеет внешнее I2C EEPROM устройство, обеспечивая больше места для хранения информации. На борту есть компас, динамик, три светодиода, клавиатура на пять кнопок и ЖК-экран. Она также имеет три вывода под пайку для внешнего I2C устройства. Она также имеет отдельные каналы ввода / вывода, с пятью цифровыми входами / выходами, шестью ШИМ и четырьмя аналоговыми входами. Оставлено место для восьми аналоговых входов (для датчиков расстояния, ультразвуковых датчиков или других) и шести дискретных входов / выходов для других устройств (четыре из которых могут быть использованы для аналогового входа).
Плата двигателей полностью независима, основана на ATmega32u4, тоесть на том же чипе что и плата управления. Плата двигателей имеет в своем составе два двигателя с колесами, запитанных отдельно, пять ИК датчиков, I2C и SPI порты. Она также содержит батарейный блок, в который вставляется четыре аккумуляторные батареи типа АА, а так же содержит гнездо для подзарядки аккумуляторов на борту. Плата может быть также запитана от разъема USB, но в этой конфигурации, из каких-то соображений безопасности, двигатели при этом отключаются.
Arduino Esplora
Arduino Esplora это довольно странное устройство. Большинство плат Arduino предназначены для стационарного размещения на столе или в щите, но Esplora предназначен для держания руками. Основан ATmega32u4, геометрически не совместим с шилдами и не имеет на борту контактов для входов и выходов. Вместо этого, он выглядит и ощущается в руках как геймпад; у него есть курсор под большой палец в виде четырех дискретных кнопок, один аналоговый джойстик, а так же линейный потенциометр. В качестве обратной связи предусмотрены зуммер и трехцветный светодиод. Esplora также имеет следующие датчики: она имеет на борту микрофон, датчик температуры, разъем для подключения ЖК-экрана и трех-осевой акселерометр. У Esplora 32 Кб флэш памяти; 4 Кб используются загрузчиком. Так же имеется 2,5 Кб SRAM и 1 Кбайт EEPROM памяти. Для совместимости Esplora c другими контроллерами, предусмотрены 4 разъёма TinkerKit: с двумя входами и двумя выходами.
Платформа Arduino Yun базируется на чипе ATmega32u4, но он также имеет Atheros AR9331 на одной плате. Процессор Atheros имеет полный дистрибутив Linux, на основе OpenWRT, операционной системы распространенной в беспроводных маршрутизаторах на Linux. Плата Arduino Yun имеет встроенный Ethernet и WiFi, а также слот для micro-SD. Юн отличается от других Arduino и шилдов тем, что у него серьезная сетевая функциональность; Arduino может посылать команды в OpenWRT, и дальше продолжать обработку своего скетча. Оба процессора работают самостоятельно, существующая библиотека обмена данными облегчает коммуникацию между двумя процессорами.
Arduino Tre
Arduino Tre только планируется запустить в производство но обещает стать феноменальным монстром в сфере любительских контроллеров. До этого момента, самым быстрым Arduino был Due, на основе ARM-совместимого микроконтроллера. Tre, созданный Arduino и BeagleBoard, сочетает в себе мощность полного компьютера с гибкостью каналов ввода / вывода платформ Arduino. Tre будет иметь процессор класса Cortex-A8 под названием Sitara AM335X, работающий на частоте 1 ГГц. Этот процессор имеет доступ к 512 Мб оперативной памяти и имеет HDMI порт способный отображать Full HD (1920 х 1080). Вся эта мощь сопряжена с интерфейсом разработчика с помощью Atmel ATmega32u4 используя среду программирования Arduino, столь полюбившуюся фанатам.
Arduino Zero
Arduino Zero это новый Arduino на чипе Atmel SAM D21 микроконтроллера. У него 256 Кб флэш-памяти, 32 Кб оперативной памяти, и работает он на частоте 48 МГц. Arduino Zero предназначен для удовлетворения будущих потребностей сообщества разработчиков, предлагая дизайн, который одновременно является мощным, надежным, и достаточно гибким, который будет востребован в робототехнике и переносных проектах.
Ардуино – одна из удобнейших систем микроконтроллеров, позволяющих инженеру реализовать любую свою задумку, без лишних проблем в программной части. Всё, что необходимо, уже присутствует в бесплатных библиотеках, которые можно скачать на нашем сайте.
А благодаря модульности появляется возможность сконструировать любую систему, в зависимости от необходимости. Начиная с простого смарт-прибора для контроля освещённости и температуры в помещении, и заканчивая умными аграрными системами. Давайте же разберёмся, что такое Ардуино модули и какие их виды существуют.
Для начала стоит понять, зачем вообще подобная модульность необходима. Ведь, казалось бы, Ардуино – это всего лишь микроконтроллер, к которому можно приспособить любой сторонний датчик. Но на деле всё не так просто, как раз из-за программной части и других особенностей системы, поэтому, для расширения функционала, и присутствуют специальные Аrduino модули, позволяющие приспособить МК к любым потребностям человека, который его использует. Это основная функция, объясняющая необходимость модульности, помимо неё, присутствуют и другие причины такого решения:
- Стандартизированный набор датчиков с одинаковыми характеристиками позволяет писать универсальные решения для различных ситуаций. Таким образом, захотев воплотить в жизнь какой-то проект, вам не нужно самостоятельно изучать язык программирования и создавать уникальную электросхему. В большинстве случаев, уже готовая система или какие-то её части присутствуют в свободном доступе, инженеру лишь остается их правильно скомпоновать, что значительно экономит время при реализации задумок.
- Простота работы с Ардуино . Уже описанная выше стандартизация, позволяет быть уверенным, что купленный вами датчик или специальный модуль, не нужно будет подключать с помощью дополнительных шлейфов или переходников. Хоть иногда и появляется необходимость самостоятельно паять платформу под Ардуино, но, в большинстве случаев, вы можете приобрести уже готовую, под конкретные модули и потребности. Более того, существуют универсальные платы, полностью раскрывающие возможности модульной системы.
Виды
Условно, модули для Ардуино можно разделить на два гигантских лагеря, у которых уже присутствуют свои ответвления:
- Датчики . Разнообразные системы или контроллеры, позволяющие считывать, отправлять и обрабатывать информацию. Хотя последние иногда относят ко второму классу модулей, но из-за тесной связи с устройствами ввода-вывода их лучше причислить именно к датчикам, тем более, зачастую они выполняют сразу две функции. Все эти устройства направленны на расширение аппаратного функционала системы, например, чтобы дать возможность Ардуино считывать расстояние до объекта или влажность воздуха, что просто необходимо для многих систем.
- Модули , расширяющие вычислительные мощности проекта. Это различные карты памяти, дополнительные буферы для проведения операций и вспомогательные многопоточные процессоры. К ним же можно отнести вариации самого микроконтроллера, характеристики которого варьируются от версии к версии. Они направлены именно на улучшение возможностей программной части системы, например, дополнительные карты памяти позволяют хранить больше информации в различных кодеках, чтобы воспроизводить какие-то аудиодорожки. Особенно необходимы при проектировании сложных систем с нейросетями или в робототехнике, в которой также используется Ардуино.
Сами же датчики отдельно делятся на:
- Устройства ввода или получения информации. Это различные сканеры, которые позволяют получить данные об окружающей среде, будь то уровень освещённости или влажности воздуха. С их помощью возможно ввести различные переменные, в зависимости от которых система будет определять свои дальнейшие действия. Являются базой для большинства систем, и без них невозможно реализовать любой смарт-девайс. Простейшим примером будет всё тот же датчик расстояния, хотя и их существует несколько видов.
- Устройства обработки информации. Зачастую уже встроены в предыдущий тип, из-за чего считаются комбинированными, но нередко такие модули устанавливаются и отдельно. Имеют небольшой объем памяти или вовсе продаются без него, и способны выполнять лишь простые промежуточные операции. Подобным модулем можно считать даже МК Ардуино различных версий, но не стоит их путать с устройствами, расширяющими вычислительные возможности главного контроллера, ведь они именно выполняют операции.
- Устройства вывода информации. У большинства ассоциируются с простейшим ЖК-экраном, хотя это далеко не единственная разновидность данных девайсов. Необходимы для того, чтобы выводить результаты вычислений, для получения фидбека от системы и проверки различного функционала. Бывают звуковыми, визуальными и тактильными, соответствуя каждому из органов чувств человека. Также могут комбинироваться с первыми двумя видами, становясь гибридным дополнением к микроконтроллеру.
Существуют и разновидности дополнений, без строгой типизации, так как их сложно отнести к какой-то конкретной группе устройств. Это происходит или из-за узкой направленности их функционала, или из-за изначальной гибридности модулей.
К ним можно отнести различные девайсы, для передачи информации по сети или другим протоколам, так как, с одной стороны, они расширяют программный функционал продукта, используя протоколы, которые невозможно реализовать через стандартные аппаратные возможности, а с другой – как раз дополняют последние.
Технические характеристики, свойства и функции
Технические характеристики и функционал напрямую зависят от докупаемого пользователем модуля, поэтому невозможно выделить конкретные свойства продуктов. Единственная их общая черта – специальная распиновка, для подключения к платформам Ардуино, без которых было бы невозможно или крайне тяжело выполнять связь между микроконтроллером и устройством. В остальном, все характеристики крайне вариативны и зависят от девайса к девайсу.
Примеры популярных Ардуино модулей
Ультразвуковой дальномер HC-SR04
Самый популярный ультразвуковой датчик, которые работает по следующему принципу: отправляет ультразвуковую волну, считает время, за которое она возвратится. Мы знаем скорость звука и время, за которое волна вернулась, а далее мы рассчитываем расстояние до объекта. Данный модуль стоит довольно дешево, диапазон измерений от 2 см до 4 метров.
Инфракрасный дальномер Sharp
Также довольно широко используются дальномеры Sharp с рабочим диапазоном от 20 см до 1,5 метров. Цена таких модулей выше, чем звуковых дальномеров.
Модуль температуры и влажности DHT11
Этот Ардуино модуль измеряет температуру в диапазоне от 0 до +50 °C и влажность от 20 до 90%. Часто используется для измерений данных в комнате или теплице. Также оченб популярен при создании систем по управлению климатом или умных домов.
Барометр BMP085 или BMP180
С помощью модуля Барометр можно определить атмосферное давление от 30 до 110 кПа. Используется при создании на базе Ардуино аналогов метеостанциё.
Модуль-датчик влажности почвы FC-28
Модуль измеряет влажности почвы или среды в которую его втыкают. Состоит из двух частей. Его используют для автоматизированного полива растений.
Bluetooth HC06
Помогает организовать беспроводную связь Ардуино с компьютером, телефоном или другими устройствами.
Как подсоединить
Подсоединяются модули с помощью всё той же распиновки, но не напрямую к МК. Зачастую для этого используют специальные платформы с дорожками, которые делаются самими инженерами или заказываются отдельно.
В первом случае чаще всего применяют химический способ изготовления плат с помощью сильных щелочей. Дорожки заранее прочерчиваются, и на них наклеивают стойкий материал, беря за основу, например, медную плату. Затем, вследствие химической реакции, окисляется всё, кроме защищенных участков, служащих в качестве проводников тока.
Стоимость
Стоимость дополнительных датчиков и других девайсов также крайне вариативна, может начинаться от 50 центов и заканчиваться десятками долларов. Всё напрямую зависит от того, где вы их заказываете, конкретной разновидности и множества других факторов, поэтому выдать какое-то среднее арифметическое по их цене – невозможно.
Сейчас мы рассмотрим три платформы для разработки встраиваемых приложений: Arduino Uno, RaspberryPi, сравним их и дадим рекомендации по выбору подходящей для вашего следующего проекта (Рисунок 1). В общем случае, для профессионалов можно порекомендовать все три.
Эти три модели были выбраны для сравнения не случайно: все они реально доступны, выполнены в комактном форм-факторе и могут использоваться для создания различных цифровых устройств. Прежде чем мы перейдем к сравнению, представим краткое описание каждой из них.
Плату Arduino Uno с некоторых пор можно считать основным компонентом в сообществе радиолюбителей (Рисунок 2). Сейчас платы Arduino доступны в различных форм-факторах, с различным набором периферии. Большая их часть выполненыа на 8-разрядном микроконтроллере компании Atmel. А не так давно была анонсирована плата Arduino Due на мощном ARM микроконтроллере с ядром Cortex-M3. Для нашего обзора была выбрана Arduino Uno в качестве представителя платформы Arduino. Для нее доступны простая среда разработки и большая база знаний и наработок, что говорит о возможности создания достаточно функциональных приложений.
Плата Raspberry Pi является новичком в «игре» - это одноплатный компьютер, позиционирующийся на рынке как дешевое решение для начинающих разработчиков встраиваемых систем (Рисунок 3). Несмотря на скромный вид и низкую стоимость (около 35$), вы получаете реальный компьютер, который может стать основой для множества проектов.
BeagleBone является, пожалуй, наименее известной из всех трех платформ, но ее возможности заслуживают внимания создателей встраиваемых приложений. Это мощный Linux-компьютер компактных размеров, который поддерживает работу с ОС Android и Ubuntu (Рисунок 4).
|
|
|
| Рисунок 4. | |
Сравнение трех платформ для разработки.
Все три платы имеют определенный функционал и набор периферии, которые делают их ценными для разработчиков и проектировщиков микроконтроллерных систем. Ниже мы постарались сравнить их по некоторым важным параметрам (Таблица 1). Можно заметить, что именно отличия плат делают каждую из них идеальной для разработки определенного типа приложений.
Таблица 1. Сравнение характеристик плат Arduino Uno, BeagleBone, RaspberryPi.
| Платформа | Arduino Uno | Raspberry Pi | BeagleBone |
| Модель | R3 | Model B | Rev A5 |
| Ориентировочная цена | 29.95$ | 35$ | 89$ |
| Габаритные размеры | 7.5 × 5.3 см | 8.5 × 5.4 см | 8.6 × 5.3 см |
| Микроконтроллер | ATmega328 | ARM11 | ARM Cortex-A8 |
| Тактовая частота | 16 МГц | 700 МГц | 700 МГц |
| ОЗУ | 2 Кбайт | 256 Мбайт | 256 Мбайт |
| Flash-память | 32 Кбайт | SD карта | 4 Гбайт (SD карта) |
| EEPROM | 1 Кбайт | - | - |
| Напряжение питания | 7 - 12 В | 5 В | 5 В |
| Минимальное энергопотребление |
42 мА (0.3 Вт) | 700 мА (3.5 Вт) | 170 мА (0.85 Вт) |
| Цифровые линии ввода/вывода |
14 | 8 | 66 |
| Аналоговые входы | 6 (10-битный АЦП) |
- | 7 (12-битный АЦП) |
| Каналы ШИМ | 6 | - | 8 |
| Интерфейс TWI/I2C | 2 | 1 | 2 |
| Интерфейс SPI | 1 | 1 | 1 |
| Интерфейс UART | 1 | 1 | 5 |
| Инструменты разработки |
Arduino IDE | IDLE, Scratch, Squeak/Linux |
Phyton, Scratch, Squeak, Cloud9/Linux |
| Порт Ethernet | - | 10/100 | 10/100 |
| Интерфейс USB Master | - | 2 USB 2.0 | USB 2.0 |
| Видео выход | - | HDMI, композитный | - |
| Аудио выход | - | HDMI, аналоговый | Аналоговый |
Arduino и Raspberry Pi - недорогие платы стоимостью до 40$. BeagleBone предлагается по цене почти трех Arduino Uno. Однако Arduino в 40 раз медленнее и имеет в 128,000 раз меньше оперативной памяти, чем два оставшихся участника. Уже на данном этапе вы можете видеть важные отличия. Arduino и Raspberry Pi - дешевые платы, а Raspberry Pi и BeagleBone - гораздо более мощные.
Кажется, что Raspberry Pi выглядит на данный момент оптимальным решением, но это не совсем так: для работы вам потребуется отдельно приобрести карту памяти SD, а это еще 5 - 10$ к стоимости самой платы. Также, несмотря на одинаковую тактовую частоту, по тестам BeagleBone работает вдвое быстрее Raspberry Pi. И как бы парадоксально это не звучало, Arduino является оптимальным выбором, по крайней мере, для новичков. Основной причиной этому является операционная система Linux, под управлением которой работают платы Raspberry Pi и BeagleBone. Это «причудливое» ПО превращает платы в крошечные компьютеры, которые способны выполнять несколько программ одновременно и могут программироваться на различных языках. Разработка же приложений на Arduino очень проста из-за отсутствия многозадачности и программирования на языке низкого уровня Си++.
Заметим интересную особенность Raspberry Pi и BeagleBone: возможность запускать программные приложения с карты памяти (SD-карта для Raspberry Pi, microSD - для BeagleBone). Это означает, что вы можете иметь различные конфигурации ОС, приложения, сборки и образы ОС на разных картах памяти, и выбор того или иного проекта осуществляется просто заменой карты памяти. Таким же образом можно сменить операционную систему.
Выбор платформы для разработки
Для новичков, мы рекомендуем Arduino. На сегодняшний день сообщество Arduino - это множество пользователей, огромное количество учебных материалов, готовых решений и проектов, которые можно использовать в своих приложениях. Кроме того, Arduino предлагает самый простой способ взаимодействия с внешней периферией.
Изначально платформа Arduino разрабатывалась с целью обеспечения простого подключения различных датчиков и исполнительных механизмов к микроконтроллеру без дополнительных внешних схем, поэтому для разработки простых приложений и устройств не потребуется глубоких познаний в электронике. Если вы прежде не использовали Arduino, то стоит приобрести и попробовать. Это будет действительно большой опыт, который пригодится при создании серьезных и сложных проектов.
Для компактных устройств мы рекомендуем платформу Arduino. Все три тестируемые модели плат для разработки являются малогабаритными. Единственный отрицательный момент присущ Raspberry Pi - установленная в слот карта памяти SD делает плату больше остальных участников теста (Рисунок 8).
Как мы заметили выше, существует очень много вариаций плат Arduino (Рисунок 5), но у всех есть две общие черты: используется определенный микроконтроллер компании Atmel и программный загрузчик (bootloader) Arduino, который реализует базовые функции платы. Для компактных устройств (возможно, не требующих применения печатной платы) вы можете приобрести этот дешевый микроконтроллер и запрограммировать в него загрузчик с помощью любого программатора AVR микроконтроллеров.
Для разработки приложений, требующих подключения к сети Интернет, мы рекомендуем BeagleBone или Raspberry Pi. Оба устройства работают под управлением ОС Linux, имеют порты Ethernet и USB (Рисунок 6). Посредством USB можно подключать модули беспроводной передачи данных и, таким образом, реализовать функции беспроводной передачи данных и подключение к сети Интернет (Рисунок 7). К тому же, ОС Linux имеет множество встроенных программных компонентов, предоставляющих расширенные сетевые функции.
На платформе Arduino тоже можно реализовать приложения с поддержкой обмена данными по Ethernet с помощью плат расширения, именуемых Shield, однако сетевая функциональность таких приложений будет очень ограничена. Приобретение отдельных плат расширения также потребует дополнительных финансовых затрат.
Для приложений и систем взаимодействующих с внешними датчиками и исполнительными механизмами мы рекомендуем Arduino или BeagleBoard. Любой вариант аппаратной платформы Arduino подразумевает простое подключения внешних сенсоров и взаимодействие с ними. Для радиолюбителей доступно нескольких вариантов плат с напряжением питания 3.3 В и 5 В, что упрощает подключение внешней периферии. Напряжение питания платы BeagleBone составляет 3.3 В, поэтому в случае подключения некоторых типов внешних устройств необходимо использовать дополнительные резисторы или схемы согласования логических уровней. И Arduino, и BeagleBone имеют интерфейс аналого-цифрового преобразователя (разрешение АЦП, встроенного в микроконтроллер на плате BeagleBoard, несколько выше), что говорит о возможности подключения различных аналоговых датчиков.
С учетом сказанного, важно отметить, что многие современные датчики снабжены цифровыми интерфейсами I 2 C или SPI. Все три платы поддерживают этот тип последовательного интерфейса и реализовать взаимодействие с ним можно довольно легко.
Для устройств с батарейным питанием мы рекомендуем Arduino. Такое решение связано с тем, что Arduino имеет наименьшее энергопотребление, однако с точки зрения соотношения вычислительной мощности на Ватт BeagleBoard является явным лидером. Тем не менее, преимущество Arduino в том, что ее работоспособность сохраняется в широком диапазоне питающего напряжения. Таким образом, в качестве источника питания платы можно использовать различные типы элементов питания, работосопособность микроконтроллера сохраняется даже в случае, когда элементы питания израсходовали свой ресурс.
Для приложений с графическим пользовательским интерфейсом рекомендуется использовать Raspberry Pi. Одноплатный компьютер Raspberry Pi действительно можно выделить в отдельную категорию, поскольку плата снабжена выходом HDMI (Рисунок 8). Это означает, что вы можете подключить к плате мышь и клавиатуру, а саму плату подключить непосредственно к телевизору. Таким образом, вы получаете полнофункциональный компьютер, который идеально подходит для применения в торговых терминалах и киосках. Мы ради интереса в ходе тестирования установили на Raspberry Pi программные инструменты разработки для Arduino, написали небольшую программу и запрограммировали плату Arduino через интерфейс Raspberry Pi.
Заключение
Arduino - это достаточно функциональная и гибкая платформа разработки встраиваемых приложений с огромными возможностями для взаимодействия с внешним миром. Она прекрасно подойдет для изучения микроконтроллеров и может служить основой для небольших проектов. Raspberry Pi будет оптимальным выбором для приложений, требующих наличия дисплея, графического пользовательского интерфейса и подключения к Интернет.
В платформе BeagleBone идеально совмещена гибкость Arduino, производительность процессора платы Rapberry Pi и ОС Linux (и на самом деле, производительность выше, чем у Raspberry Pi). Имея достаточное количество входов/выходов, BeagleBone обеспечивает простое подключение к сети и позволяет реализовать web-сервер.
Существует множество разновидностей плат Арудино: Nano, Mini, Uno, Leonardo, Mega, Lilypad… Новичку сложно разобраться в их многообразии. В этой статье я расскажу о разновидностях плат ардуино. В конце статьи есть ссылки на проверенных мной продавцов, у которых можно купить плату Arduino. Нажмите на для быстрого перехода к таблице со ссылками.
Основные различия плат Arduino:
Ардуино отличаются между собой:
- размером
- количеством выводов
- объёмом памяти
Размер платы , прежде всего влияет на удобство работы с ней. Самая распространённая плата – Arduino Uno (и её обновлённая версия Arduino Leonardo) имеют размер примерно 6×5 см. Это позволяет обходиться без лупы при создании прототипа на макетной плате и получать достаточно компактные рабочие устройства. Arduino Nano - очень компактна. Её размер всего 4,4×1.9 см, при этом её функционал ничем не отличается от больших плат. Также Arduino Nano отлично крепится на макетной плате за счет выводов типа «папа». В попытке сделать платы еще меньше были выпущены версии Arduino Micro (клон Arduino Uno, выпущенный на плате размером 4.8х1.77 см) и Arduino Mini (минимальная комплектация — отсутствует разъем USB для питания и заливки прошивки, прошивка заливается через специальный переходник. Забавный факт: arduino mini гораздо меньше, чем micro, при этом micro почти одинакового размера с nano. Так что название моделей плат — это просто названия моделей плат и реальный размер оно не отражает. Существует ещё огромная, 10,2 * 5,3 сантиметров Arduino Mega. Такой размер она получила не просто так. На плате расположено целых 70 выводов.
Количество выводов
определяет количество внешней периферии, которое вы сможете подключить к плате: светодиоды, сервоприводы, разнообразные датчики, модули,кнопки и многое другое. На платах есть цифровые и аналоговые выводы. Цифровые выводы могут принимать только 2 значения: HIGH и LOW. HIGH соответствует наличию тока на выводе, LOW – отсутствию. Захотели зажечь светодиод - перевели вывод в состояние HIGH. На выводе появилось напряжение и светодиод загорелся. Выдали LOW и светодиод погас. Цифровые выводы могут также и считывать значения, аналогично, только 2 состояния. Если на вывод извне (например, с кнопки) подаётся напряжение ~+5В, то контроллер считает значение HIGH. Напряжение меньше 5 вольт будет определено, как LOW.
Аналоговые выводы позволяют считывать значение прилагаемого напряжения в диапазоне от 0 до 1024. Где 0 — 0 вольт, 1024 — 5 вольт. Диапазон измерений может быть изменён путём подачи опорного напряжения на специальный вывод AREF. При этом, любой аналоговый вывод можно использовать как цифровой. Но цифровой не может быть использован как аналоговый.
Цифровые выводы могут ещё поддерживать : специальный режим работы для управления яркостью свечения светодиода или скоростью вращения моторчика. Однако, здесь всё просто: nano, mini и uno располагают шестью выводами с поддержкой ШИМ. Leonardo и micro оборудованы семью ШИМ выводами, и только гигантская Arduino Mega 2560 вырывается вперёд с четырнадцатью ШИМ выводами.
Объём памяти , на первый взгляд, очень важный параметр. Однако, не относитесь к плате, как к компьютеру. Здесь не нужно много оперативной и уж тем более постоянной памяти. Я не буду подробно останавливаться на этом. Потому, что самая «бедная» в этом плане Arduino Nano имеет всего 32 килобайта постоянной и 2 килобайта оперативной памяти, но к тому моменту, как написанная вами программа для микроконтроллера перестанет влезать в эти 32 килобайта постоянной памяти, вы уже будете прекрасно разбираться во всём самостоятельно, и эта статья вам не понадобится. Серъёзно: 32 килобайта — просто огромная память для программы микроконтроллера.
Объём энергонезависимой памяти , более интересный параметр. Энергонезависимая память, как ясно из её названия, сохраняет в себе данные независимо от наличия питания. При этом значения переменных в вашей программе сохраняются в оперативную память, которая стирается при перезагрузке контроллера. Помимо энергонезависимой памяти для хранения самой программы, отдельно выделена область памяти (она же EEPROM), которая позволяет прямо из программы контроллера сохранить значения переменных в специальную ячейку. Тогда после перезагрузки устройство сможет восстановить состояние, в котором оно находилось перед отключением питания. Большинство контроллеров позволяют сохранить лишь 1 килобайт данных. Кроме малого объёма существует ещё и лимит на количество операций записи. Всего 10 000 раз можно записать данные в одну ячейку (считывать данные можно любое количество раз). 10 000 — на первый взгляд не так уж и мало. Запись осуществляется в ячейки по 1 байту. Итого, у нас есть 1 000 ячеек. Например, если опрашивать некий датчик всего один раз в минуту и сохранять его значение в память и при том каждый раз в новую ячейку, устройство проработает (((100 000 * 1 000)/60)/24)/365 = 190 лет. Однако, чаще всего приходится записывать данные в одну ячейку (например, количество секунд). И тогда ресурс снижается уже до 2,5 месяцев непрерывной работы, и это для записи раз в минуту. Если же возникнет задача обновлять значение раз в секунду, то и вовсе всего через 27 часов EEPROM будет повреждена. Поэтому, энергонезависимую память используют для сохранения настроек и других редко обновляемых значений. А показания датчиков или журнал работы устройства удобнее писать на SD карту (кстати, у меня есть о подключении SD карты к Arduino).
Выбираем плату
Самая популярная плата - Arduino Uno. Все остальные платы имеет смысл сравнивать именно с ней. Это плата небольшого размера. По краям платы расположены 14 цифровых и 6 аналоговых входов/выходов.
Плата размером 6,9 × 5 ,3 см наиболее удобна для создания быстрых прототипов. Не слишком большой размер и удобные разъёмы для подключения проводов от макетной платы делают её весьма удобной для новичков. Так называемые шилды (Shield) - в 99% случаев созданы именно для установки на плату Arduino Uno. Сейчас получает распространение другая плата, Arduino Leonardo, которая является идеологическим продолжением UNO. Она имеет незначительные различия в назначении некоторых специальных выводов и подключается к компьютеру гораздо более компактным кабелем micro USB. Большинство шилдов для UNO подходят и к Leonardo, но возможны неприятные сюрпризы из-за несоответствия некоторых выводов.
Это действительно наиболее оптимальный вариант платы Arduino. Если вы приобретаете плату первый раз и просто хотите попробовать свои силы, ваш выбор — Arduino Uno или Leonardo. Большинство готовых наборов, кстати именно поэтому и комплектуются именно платой UNO. Подробнее о подборе готового набора я расскажу в конце статьи.
Довольно интересная разновидность - Arduino Nano. Это плата размером всего 4,4см x 1.9см, при этом она полностью совместима с Leonardo по функционалу. Продаются даже специальные переходники для подключения шилдов от UNO к Nano. Платы идентичны по количеству выводов, объёму памяти, быстродействию. Nano, благодаря миниатюрным размерам, удобно использовать в готовом устройстве, чтобы сэкономить место в тесном корпусе. Ардуино Нано вместо отверстий для подключения соединительных проводов оборудована штырьками. Это добавляет хлопот при прототипировании (плату приходится устанавливать на макетную плату и занимать место, однако помогает при переносе прототипа в реальное устройство. К выводам контроллера можно просто припаять провода.
Arduino Mega - самая большая плата семейства Arduino. Больше памяти, огромное количество выводов (70!). Эта плата предназначена для сложных устройств, к которым планируется подключение множества разнообразной периферии. На самом деле правильное название для платы - Arduino Mega 2560. Но поскольку Arduino Mega (без цифр в названии) в данный момент считается устаревшей, купить её фактически невозможно и для краткости плату называют просто Arduino Mega. Но в реальности плата оказывается бесполезной как при создании прототипа. так и в готовом устройстве. В прототипе больше всего мешает её огромный размер, а для готового устройства может быть полезным, разве что, количество выводов, но получить дополнительные выводы легко можно на любой другой плате с помощью или, если не хватает выводов с ШИМ, можно воспользоваться . Единственное серъёзное преимущество Mega перед другими платами- объём памяти для загрузки программы. Однажды мне понадобилось вывести на бегущую строку большое количество графической информации и программа занимала почти 100Кб. Проект собирался на пару дней и переписывать алгоритм под хранение информации на SD карте не хотелось. Тут мне на помощь и пришла Mega.
Где покупать плату Arduino
Изначально Arduino была разработана итальянскими инженерами. Автором идеи считается Массимо Банци (Massimo Banzi). Именно плата, произведённая в Италии считалась оригинальной Ардуино. Позже в команде разработчиков случился раскол и оригинальные платы производятся как в Италии, так и в США. Однако, изначально чертежи Arduino стали распространяться под свободной лицензией. Это значит, что кто угодно может производить платы в точности повторяющие конструкцию оригинала. Авторские права распространяются лишь на само название Arduino. Именно поэтому существует огромное количество модификаций и альтернативных версий платы от сторонних производителей. Разумеется, Китай, как настоящий центр производства электроники в настоящее время предлагает массу ардуино совместимых плат. Лично я рекомендую не переплачивать тысячи рублей за оригинал, а обратить внимание на копию платы по приемлемой цене. Серъёзно, самая дешёвая плата Arduino Mini, оригинал с завода в Италии, в России стоит 1400 рублей, тогда как Китайский клон можно заказать за 2$ c бесплатной доставкой. Покупать платы удобнее всего на популярной интернет-площадке Aliexpress. В конце статьи я собрал для вас ссылки для заказа плат и различных датчиков, которые я сам заказал и убедился в их качестве. Так же там вы найдёте ссылки для заказа готовых наборов для начала изучения мира Arduino. Если же вы по каким-то причинам намерены приобрести оригинальную плату, то отправляйтесь на сайт «Амперка» . Там точно оригинальные платы.
Итог
Если вы новичок, то без раздумий покупайте Arduino Leonardo.
Если у вас уже есть несколько прототипов, и вы планируете превратить их в готовые устройства, присмотритесь к Arduino Nano.
Если же вы сломали голову, но так и не придумали, как впихнуть всю начинку устройства в тесный корпус, воспользуйтесь сверхкомпактной Arduino Mini.
Небольшая сравнительная таблица основных характеристик:
| Плата | Размер, см | Количество выводов (цифровых/аналоговых) | Объём постоянной памяти, КБ | Объём оперативной памяти, КБ | Объём энергонезависимой памяти для хранения значений переменных, КБ | Тактовая частота, МГц |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 4,4×1,9 | 14 / 8 | 30 | 2 | 1 | 16 | |
| Arduino Mini | 1,8×3,3 | 14 / 8 | 16 | 1 | 0,5 | 16 |
| 6,9×5,3 | 14 / 6 | 32 | 2 | 1 | 16 | |
| 6,6×5,2 | 20 / 12 | 32 | 2,5 | 1 | 16 | |
| 11×5,2 | 54 / 16 | 128 | 8 | 4 | 16 |
Платы Arduino
| Название | Статус |
|---|
Все, кто пользуется микроконтроллерами от Ардуино, не понаслышке знакомы с вопросом экономии. Однако покупать китайские платы от неизвестных производителей в надежде, что хоть часть из них будет работать как заявлено, - не лучшая стратегия. Но среди множества бесполезных железок можно найти и достойную дешёвую замену arduino stm32, которая уже стала известной в своих кругах.
Давайте же разберёмся, достойна ли эта плата до 10 долларов с доставкой своей популярности, и что она способна дать пользователю, в сравнении с обычной Ардуино ПРО версии. Для этого проведём разбор обоих микроконтроллеров и составим список всех их достоинств с недостатками, чтобы вы могли ответить самому себе, стоит ли тратить деньги на arduino stm32 ide.
Давайте сравним две платы по их техническим параметрам:
| Характеристики | STM32F103C8T6 | Arduino Nano |
| Частота контроллера, МГц | 72 | 16 |
| Память программ, кБайт | 64 | 32 |
| Питание, В | 3.3 | 5 |
| ОЗУ, кБайт | 20 | 2 |
| USB 2.0 | да | нет |
| DMA | да | нет |
| CAN | да | нет |
| RTC | да | нет |
| UART | 3 | 1 |
| Прошивка через USB | нет | да |
| Цена, $ | 2.1 | 1.8 |
Как мы видим - по многим параметрам ардуино проигрывает стм32. Ниже мы попробуем сравнить платы с разных сторон.
Плюсы и минусы микроконтроллеров Arduino и STM32
Начнём с достоинств преждевременного фаворита – самого ардуино. И главное из них известно всем, кто работал с данным чипом и его собратьями – собственная экосистема. Вы можете найти ответы на все возникающие вопросы в интернете, ведь база знаний и количество пользователей микроконтроллера даже в СНГ сегменте поражает. А это значит, что не придётся искать инструкции на английском, чего не скажешь об stm32f103c8t6 arduino. Большое количество пользователей подразумевает и широкий программный функционал, лишь крупинка которого предоставляется самими производителями.
Фанатская база ежедневно создаёт десятки библиотек, поэтому вы сможете воплотить в жизнь любую свою задумку. Некоторые схемные решения с микроконтроллером stm8s001j3 могут не порадовать новичков в этом деле, ардуино же старается максимально угодить новому пользователю и не предоставляет никаких сложностей.
Отсюда выплывают доступные шилды, простота использования, чем не могут похвастаться микроконтроллеры stm, и простое программирование под Atmel, без необходимости учить все тонкости языка на практике. Ну а более продвинутые оценят EEPROM, идущий с коробки, чем микроконтроллер stm32 не может похвастаться.
Однако, как и везде, есть свои недостатки:
- Низкий порог вхождения предполагает большое количество кривых и неотлаженных библиотек, работающих чуть ли не на последнем издыхании. Наткнувшись пару раз на такой софт и занимаясь его дебагингом в течение пары дней, вы решите, что проще написать собственный.
- Следующее преимущество stm32 ардуино не предоставляет нормальной отладки, из-за чего поиск ошибок в тех же кривых библиотеках и занимает так много времени.
- Нормальная производительность на Атмега – миф, и на деле вам потребуется изворачиваться и отказываться от многих функций продукта, чтобы он работал без подлагиваний. Нормальных планировщиков тоже не найти, а те, что можно подсоединить, съедают слишком много ресурсов. Из-за чего поделки на ардуино славятся кривым и лагающим интерфейсом с долгим временем отклика, если речь идёт о чём-то сложнее, чем электронная щеколда или конструкция из микроконтроллера и датчика движений.
- Множество кривой и откровенно бесполезной продукции на этих платах, в особенности от китайцев, лишь ухудшает имидж Ардуино.
- Нормальных книг по микроконтроллерам stm32, конечно, не найти, но и ардуино не предоставляет много профессиональной информации, помимо форумов, где отладкой занимаются сами пользователи.
- А сама среда разработки софта под неё требует просто невероятной производительности, не сравнимой ни с чем, что есть на рынке. Притом, куда идут все съедаемые ресурсы, не совсем понятно. А соответственно, виной всему – ужасающая оптимизация.
С другой стороны, перед пользователем встаёт arduino stm32f103 и arduino stm8 высокопроизводительный контроллер, упрощающий переход с микроконтроллера stm32 на микроконтроллер миландр и множеством периферии в дополнение.
Проектировка плат значительно облегчается благодаря свободному ходу ног, стоковая среда разработки – достаточно мощный инструмент, а отладка изначально построена так, чтобы работать без нареканий даже в чужих средах. Вам предоставляют красочные графики и точки, не говоря уже о текстовой информации. Простой перенос кода, возможность запускать отдельные контроллеры в 41 Мбитной развёртке и наличие USB портов практически везде. Всё это может запросто завлечь более продвинутых разработчиков, но им стоит ознакомиться и с рядом недостатков:
- Высокий порог входа, для нормального пользования необходим хороший базис.
- Библиотеки также присутствуют, но большинство из них устарели или же сделаны каждым лично для себя. Проще уже создать собственную. Но если вспомнить о проблемах Ардуино, то вполне вероятно, что вы уже умеете это делать.
- Нижние пробелы и, в целом, некрасивая семантика в сравнении с простыми функциями конкурента.
- С99 это всё же далеко не С++, и вы сразу прочувствуете все сложности перехода. Однако многие утверждают, что спустя время – наоборот, рады такому нюансу.
- В целом, дешевизна плат в сравнении с Ардуино.
Возможности улучшения «юзабильности» STM32 до уровня Arduino
Однако не всё так плохо, как это может выглядеть. Изначально платы СТМ32 могут быть запрограммированы в среде разработки ардуино, хоть это и не лучшее решение. Следует помнить, что таким образом вы урезаете функционал, используете множество костылей и сами себе же стреляете в колено.
Однако, при переходе, это достаточно полезный нюанс, позволяющий более плавно осваивать все прелести. Семантика С99 может не прийтись по душе первые недели, оттого лучше найти транслятор, ибо среда Ардуино полностью уничтожает смысл покупки иного микроконтроллера.
Отладка микроконтроллера STM32
Как уже упоминалось, отладка микроконтроллера достойна отдельных тирад и восторженных откликов. Сразу с коробки вы получаете устройство, что свободно можно отлаживать в любой среде, переменные выводятся в консоль, а удобные графики информации позволяют визуально засечь баг. Это особенно удобно, когда объём кода просто не позволяет пройтись по нему пошагово.
После перехода на STM32 вы со временем и вовсе забудете о выводе данных через консоль, ведь на замену этих шаблонов придут куда более разумные и практичные решения.
В следующем материале мы по шагам как можно сделать так, чтобы использовать Arduino IDE для платы STM32.
