Az Arduino egyszerűen használható indulókészlete Önt is az építők világába emelheti

Akik szeretnék megtudni, hogyan lehet a környezetet érzékelő és arra reagáló eszközöket készíteni – azaz az „építők” –, több száz e célra szentelt erőforrást érhetnek el. Ez a műszaki és nem műszaki emberek számára egyaránt termékeny alkotói szubkultúrának bizonyul, amelyben mindenki részt vehet, hogy megismerje és továbbfejlődésre serkentse az elektronika, a vezérlőrendszerek, a mikroszámítógépek, az érzékelők és a működtetőelemek világát. Az ebbe a világba való belépés egyik legegyszerűbb módja az építők egyik ikonja, az Arduino által kifejlesztett indulókészlet.

Az Arduino mikrovezérlő-kártyákat és hozzájuk való szoftvereket forgalmaz a nyitott forrású hardvereket és nyitott forráskódú szoftvereket használó és fejlesztő közösség számára. Az elektronikus áramköri kártyák kombinálják a mikrovezérlőket és az azokat támogató véletlen hozzáférésű memóriákat (RAM), csak olvasható memóriákat (ROM) és integrált áramköröket, és így nyílt forrású elektronikus prototípuskészítő platformokat alkotnak, amelyen megtalálható minden olyan alkotóelem, amely a jól dokumentált építőiprojektek sorának véghezviteléhez szükséges.

1. ábra  Az Arduino Starter Kit egy Arduino UNO mikrovezérlő-kártyát, valamint egy csomag elektronikai alkatrészt tartalmaz, és jár hozzá egy 171 oldalas Arduino Projects Book (Arduino projektismertető könyvecske), amely mindenki számára ablakot nyit a felhasználói beavatkozást lehetővé tevő (interaktív) elektronika világára (A kép forrása: Amazon.com)

Az Arduino Starter Kit

Az Arduino Starter Kit (indulókészlet) mindent tartalmaz, amire 15 különböző projekt azonnali megvalósításához szükség lehet (1. ábra).
Az indulókészlet a népszerű Arduino UNO mikrovezérlő-kártyát használja, amely a Microchip Technology cég ATmega328P jelű mikrovezérlő integrált áramkörére épül (2. ábra).
Az UNO kártya tizennégy digitális be- és kimeneti érintkezővel rendelkezik, amelyek közül hat támogatja a LED-ek fényerejének és a hangerőnek a szabályozásához szükséges impulzusmodulációt (PWM). Van ezenkívül hat analóg bemenet is, amelyek jeleit egy 10 bites felbontású, a teljes felbontás használata esetén 15 ezer minta/másodperc (kS/s) sebességű sorozatos közelítéses (szukcesszív approximációs) analóg-digitális átalakító (ADC) teszi használhatóvá. Ezenkívül van még a kártyán egy saját 16 MHz-es kvarckristállyal rendelkező beépített órajelgenerátor is. A számítógéphez való egyszerű csatlakoztatás érdekében egy USB-port is található a kártyán. Az áramellátás megoldható az USB-porton keresztül vagy a kártyán lévő tápcsatlakozón át. A kártya automatikusan választja ki az áramforrást.

2. ábra  Az Arduino UNO kártya tartalmazza az ATmega328P mikrovezérlő támogatásához szükséges összes alkatrészt (A kép forrása: Arduino, képfeliratok: Digi-Key Electronics)

Bár az UNO el van látva a kártyán található rendszerbetöltő programmal a normál programozás érdekében, ez megkerülhető, így lehetőség van arra, hogy a mikrovezérlőt egy áramkörön belüli soros tüskesor (ICSP) segítségével programozzák. Végezetül az UNO kártyán van még egy nullázógomb (RESET), amely lehetővé teszi az alapállapotba való egyszerű visszaállítást.
Az ATmega328P processzor egy kis fogyasztású 8 bites mikrovezérlő, továbbfejlesztett csökkentett utasításkészletű számítógépi (RISC) architektúrával (3. ábra). A RISC architektúra egyetlen órajel alatt végrehajtott utasításokat használ, ami nagyon nagy végrehajtási teljesítményt eredményez.
Az ATmega328P kártyán található egy 32 kB flash programmemória, 1 kB elektronikusan törölhető, programozható csak olvasható memória (EEPROM) és 2 kB statikus véletlen hozzáférésű memória (SRAM). Az Arduino UNO kártyán lévő ATmega328 gyárilag programozva tartalmaz egy rendszerbetöltő programot, amely lehetővé teszi, hogy a felhasználó új kódot töltsön fel a mikrovezérlőbe anélkül, hogy ehhez külső hardveres programozóegységre lenne szükség. A rendszerbetöltő program 500 bájtot foglal el a flash programmemórián belül. A kártya több soros adatillesztőt tartalmaz, köztük egy univerzális aszinkron adó-vevőt (UART), egy soros perifériaillesztőt (SPI) és egy kétvezetékes illesztőt vagy más néven integrált áramkörök közötti (I2C) sínt.
Az Arduino Starter Kit öt különböző nyelven kapható. Tartalmazza az Arduino UNO mikrovezérlő-kártyát, és minden olyan alkatrészt, amelyre 15 különböző projekt megvalósításához szükség lehet. A felhasználót egy 171 oldalas Arduino Projects Book (Arduino projektismertető könyvecske) kalauzolja végig ezeken a projekteken. A könyvecske ismerteti az Arduino UNO kártyát az összes projekt lelkeként használó hardver- és szoftverelemeket.

3. ábra  Az Arduino UNO kártyán lévő 8 bites ATmega328P mikrovezérlő működési blokkvázlata. A RISC architektúrájú mikrovezérlő gyors, egyetlen órajel alatt történő utasítás-végrehajtással rendelkezik (A kép forrása: Microchip Technology)

Az eszközök és a szakkifejezések világos magyarázata

Az egyik gond – amivel a kezdők gyakran találkoznak, amikor először próbálkoznak az elektronika és a programozás világának felderítésével – az, hogy nem ismerik a kapcsolódó eszközöket és a szakkifejezéseket. Az Arduino Projects Book azzal küszöböli ki ezt a problémát, hogy a könyvecske elején bemutatja a készletben lévő különféle alkatrészeket. Ez 134 elektronikai alkatrészt jelent, valamint magát az Arduino UNO kártyát. Ebben a fejezetben minden alkatrészfajtát képpel és szerepének ismertetésével mutatnak be. A fejezet végén mindegyik alkatrész rajzjelét is ismerteti a könyvecske.
Mivel a kezdők nem biztos, hogy ismerik az elektronikus prototípuskészítő kártyákat vagy deszkamodelleket, a könyv egy külön fejezete bemutatja, hogyan lehet a mellékelt deszkamodellt az alkatrészek forrasztás nélküli összekapcsolására használni. Rajzon ismerteti a deszkamodell összekötő sínjeinek mintázatát, és elmagyarázza, hogyan futnak az áramellátó sínek. Ezzel rengeteg téves összekapcsolás megelőzhető a készlet prototípuskészítő kártyájának első használata során.
Az Arduino Projects Bookban található általános alkatrész-ismertetőt az UNO kártya elhelyezésének áttekintése követi, amely a kártya csatlakozóira, visszajelző elemeire és a felhasználói beavatkozást lehetővé tevő kapcsolóira helyezi a hangsúlyt. Ez a fejezet egy hardveres szókincset is megismertet az olvasóval, amelyet aztán következetesen használ a következő fejezetekben.
A következő fejezet az Arduino szoftver Windows, Mac és Linux operációs rendszereken való beállításának alapvető utasításait ismerteti. A használt elsődleges szoftver az Arduino beépített fejlesztőkörnyezet (IDE, integrated development environment), amelyet az Arduino webhelyéről lehet letölteni. Az IDE az Arduino UNO kártyára feltölthető és azon futtatható kódok létrehozására használt szoftverkörnyezet.

4. ábra  Az Arduino Projects Bookban látható huzalozási útmutató és a tényleges huzalozás a prototípuskészítő kártya és az UNO kártya felhasználásával. Az útmutatás kép és kapcsolási rajz formájában is látható a könyvecskében (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

A projektek elkezdése

Az IDE szoftver letöltése után az útmutató részletesen ismerteti a gazdaszámítógép és az UNO kártya között az USB-kapcsolaton át végzett kommunikáció megteremtésének lépéseit. Arra az esetre, ha valami nehézség fordulna elő, a fejezetben az Arduino hibakeresési fejezetére és az IDE referenciafejezetére mutató hivatkozások is fel vannak tüntetve. Ezen a ponton a felhasználó elkezdheti a projekteket.
Mindegyik projekthez részletes útmutatók tartoznak arról, hogy hogyan kell kiválasztani a szükséges alkatrészeket (a lista minden projekt esetén ábrákkal együtt mutatja az alkatrészeket mint „hozzávalókat”), és hogyan kell őket összekötni a prototípuskészítő kártyán. Példaként az „Űrhajó-kezelőpult” nevet viselő 02. projekt (Project 02) egy kapcsolót és három LED-et köt össze, hogy azok egy „kezelőpultot” alkossanak úgy, hogy a gomb megnyomása határozza meg, hogy a LED-ek hogyan világítsanak. A könyvecske mindegyik projekt bevezetőjében ismerteti a projekt végrehajtásának becsült idejét is – ez esetben ez 45 perc.
A „hozzávalók” listán a 02. projekt esetében egy nyomógomb, három LED, három 220 Ω-os ellenállás és egy 10 kΩ-os ellenállás szerepel. Az áramkör huzalozását a prototípuskészítő deszkamodellen kell végrehajtani lecsupaszított végű, készre vágott átkötőhuzalokkal. Ebben a fejezetben egy oldalt arra szánnak, hogy megtanítsák az új felhasználóknak, hogyan kell értelmezni az ellenállások színkódolását a jövőbeni saját, független projektjeik során.

5. ábra  A 02. projekthez tartozó program vagy „vázlat” az Arduino IDE programszerkesztőben látható módon (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

 
A 4. ábra az összehuzalozott áramkört mutatja az Arduino Projects Bookban szereplő ábrával együtt. Az Arduino Projects Book kép és kapcsolási rajz formájában is mutatja a huzalozást. A két ábra összehasonlítása segít a felhasználóknak, hogy gyorsan megtanulják, hogyan kell értelmezni az áramköri jeleket és az alkatrészek összekötését.
A folyamat utolsó szakasza a projekt szoftveres részének megvalósítása. Az olyan mikrovezérlők, mint az Arduino UNO kártyán lévő ATmega328P, nagyon alacsony szintű programutasításokat használnak. Ezeket gépi kód néven ismerik. Ez a kód alapvetően bináris számok sorából áll, és ez vezérli a belső hardvert. Azt senkitől sem várják el, hogy kézzel írjon gépi nyelvű kódot. A programozást magasabb szintű nyelven végzik, amelyet néhány lépésben lefordítanak olyan bináris parancsokká, amelyeket megért a mikrovezérlő. Ez nagymértékben leegyszerűsíti a programozás folyamatát. Az eszköz, amely ezt elvégzi, az Arduino beépített IDE környezete, amelyről fentebb már esett szó.
A 02. projekt a szoftveres kóddal kapcsolatos útmutatóval folytatódik, ezekre az Arduino „vázlat” néven hivatkozik. A könyvecske a vázlat esetében bemutat minden szükséges lépést, és elmagyarázza, mit csinálnak a kódban szereplő utasítások (5. ábra).
A felhasználó beírhatja a kódot kézzel, vagy letöltheti a fájl lenyíló menüjéből (6. ábra).

6. ábra  Az összes projekthez tartozó minden vázlat elérhető az Arduino IDE környezetben. A felhasználó kijelölheti őket, vagy ha úgy szeretné, beírhatja kézzel a kódot (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

Miután a kód beírása megtörtént, az IDE illesztőfelület Sketch (Vázlat) lenyíló menüjében található Verify/Compile (Ellenőrzés/Lefordítás) paranccsal lehet lefordítani. A fordítóprogram ellenőrzi a kódot, hogy nincsenek-e benne szintaktikai vagy egyéb hibák. Az IDE illesztőfelület jelzi, amikor a fordítás elkészült, és a kód feltölthető az UNO kártyán lévő flash programmemóriába. A feltöltési funkció szintén a Sketch (Vázlat) lenyíló menüből indítható el. Miután az UNO kártya programozása megtörtént, a zöld LED-nek ki kell gyulladnia. Ha megnyomják a nyomógombot, a zöld LED kialszik, és a piros LED-ek felváltva villognak.
Ezekben az egyszerű lépésekben rengeteg programozási „varázslat” rejlik, olyanok, mint az Assembly nyelv, az összekapcsolás és a betöltés a magas szintű parancsoknak a mikrovezérlő által futtatható bináris kódra való lefordítása során. Az újonc idővel és egyre gyarapodó tapasztalattal megszerzi ezt a tudást, de ebben a fázisban még nincs erre szükség ahhoz, hogy élvezni kezdje, amit csinál.
Ezen a ponton az Arduino Projects Book jó pár kérdést feltesz a felhasználónak arra vonatkozóan, hogyan lehet megváltoztatni a programot, arra biztatva a felhasználót, hogy kísérletezzen a vázlattal. Ahogy a felhasználó halad előre a projektekkel, úgy nő az áramkörök és a programozás bonyolultsága, bővítve a felhasználó tapasztalatait és növelve a tudását.

Következtetés

A nyílt forrású prototípuskészítő platformnak, az elektronikai alkatrészek sokféleségének és a könnyen használható szoftvernek köszönhetően az Arduino Starter Kit indulókészlet mindent tartalmaz, amire a műszaki és nem műszaki embereknek egyaránt szüksége lehet ahhoz, hogy megtegyék az első lépéseket az elektronikaépítők világában.

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
Angol/német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Director, Global Strategic Business Development
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.digikey.hu

Még több Digi-Key Electronics