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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Arduino. Conocido. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / diseñador radioaficionado Probablemente llegue un momento en la vida de cualquier radioaficionado principiante en el que ya no esté satisfecho con los dispositivos electrónicos más simples. Existe el deseo de diseñar algo prácticamente útil. Sin embargo, es difícil esperar que dispositivos basados en un par de transistores resuelvan problemas más o menos complejos. Por otro lado, un programador novato puede querer que los programas que escribe controlen algún tipo de robot autónomo u otro dispositivo similar. Una cosa es cuando un programa simplemente trabaja con información en la memoria de la computadora, y otra muy distinta cuando un robot, obedeciendo un programa escrito, emprende un "viaje" por la habitación o un microcontrolador programado se convierte en parte de algún dispositivo útil. Al mismo tiempo, ni un radioaficionado novato ni un programador tienen todavía los conocimientos y habilidades suficientes para replicar, y mucho menos rediseñar, un dispositivo microcontrolador. Después de todo, en esencia, un microcontrolador es una computadora muy pequeña y simple, pero aún así. Es necesario conocer en detalle la arquitectura de un microcontrolador concreto y estudiar el lenguaje ensamblador específico del mismo. La forma más sencilla de resolver este problema es utilizar un kit ya preparado para crear robots, como los que fabrica el fabricante más famoso de todo tipo de juegos de construcción para niños: Lego. Este kit contiene todos los componentes necesarios para fabricar un robot: una unidad de microcontrolador, motores eléctricos, sensores. La ventaja indudable de un kit de este tipo es que es posible construir un robot a partir de él de forma muy sencilla y rápida. Todo el software necesario está incluido con el kit y tiene una interfaz intuitiva. La documentación técnica está diseñada para los entusiastas de la tecnología más jóvenes. Sin embargo, según el autor, por un conjunto no muy grande de sensores y actuadores, así como por un conjunto de piezas de plástico estándar, tendrá que pagar una cantidad excesivamente grande. Sin embargo, esto no niega el hecho de que estos juegos de construcción son los más adecuados para el grupo de edad más joven. A pesar del alto costo de los diseñadores especializados, la idea misma de utilizar una cantidad relativamente pequeña de unidades funcionales estándar para crear un dispositivo complejo parece bastante sensata. Este es exactamente el camino que tomaron los desarrolladores de la placa Arduino con el microcontrolador de la serie AVR y muchas placas de expansión para él. La versión más común de esta placa en la actualidad es Arduino UNO. Para crear programas personalizados existe un entorno de desarrollo especializado, el Arduino IDE, en el que la programación se realiza en un lenguaje basado en el ampliamente utilizado lenguaje C++. La gran ventaja de Arduino es su apertura casi total. En el sitio web oficial del desarrollador puedes descargar el entorno de desarrollo de forma gratuita [1,2]. Cuando lo inicie, se abrirá el que se muestra en la Fig. 1 ventana en la que puede ingresar un programa, traducirlo a código de máquina, cargarlo en el microcontrolador de la placa Arduino y ejecutarlo para su ejecución.
Cabe señalar que la empresa desarrolladora de Arduino se ha dividido en dos empresas independientes, Arduino LLC y Arduino SRL, que continúan produciendo productos bajo la misma marca, lo que genera confusión. Sin embargo, el software se actualiza periódicamente; existen versiones para Windows, Linux y MacOS. Además del software suministrado por los desarrolladores de placas, existen muchos otros entornos de desarrollo, por ejemplo [3]. Lo mejor es colocar la carpeta con el software en la carpeta raíz de la unidad C. Junto con el editor de texto y el compilador del programa, contiene subcarpetas con ejemplos de programas estándar y un conjunto de bibliotecas para resolver problemas estándar, lo que simplifica enormemente la vida. de un programador novato. Cuando conecte por primera vez la placa Arduino a su computadora, el sistema operativo detectará un nuevo dispositivo y le pedirá que instale su controlador, que también está disponible en la carpeta del software. Después de instalar el controlador, debe reiniciar la computadora. Como resultado de una instalación exitosa, se mostrará un puerto COM adicional en el Administrador de dispositivos de Windows. El uso de un lenguaje de alto nivel simplifica el desarrollo y reduce en gran medida los requisitos de calificación del programador, pero, por otro lado, el programa resultante no será óptimo en términos de uso de memoria y velocidad de ejecución. Un programa escrito en un lenguaje de bajo nivel (lenguaje ensamblador) ocuparía mucho menos espacio de memoria y se ejecutaría más rápido. Pero en los desarrollos de aficionados esto puede pasarse por alto. Naturalmente, en casos críticos, Arduino debe utilizarse con extrema precaución. Sin embargo, en principio es posible utilizar Arduino en una amplia variedad de dispositivos: desde el termostato más simple hasta vehículos aéreos no tripulados. Por ejemplo, la empresa aeroespacial rusa Lin Industry [4], que diseña vehículos de lanzamiento ultraligeros, creó una unidad de registro de parámetros de vuelo (Fig. 2) para su cohete experimental basada en Arduino (Fig. 3). Y los científicos del Instituto Indio de Investigación y Educación Científica (Trivandrum) utilizaron Arduino en un radiotelescopio educativo [5].
Un programa especial de cargador de arranque está pregrabado en el microcontrolador instalado en la placa Arduino. Con su ayuda, un programa de aplicación desarrollado en una computadora se escribe en la memoria del programa del microcontrolador. El propio gestor de arranque ocupa una parte de esta memoria (de uno a cuatro kilobytes, según la versión), pero gracias a esta organización de la interacción con la computadora, es difícil para el usuario llevar el microcontrolador a un estado inoperativo mediante comandos incorrectos. . La placa Arduino UNO (Fig. 4) contiene un microcontrolador ATmega328P, que tiene 2 KB de RAM y 32 KB de memoria de programa. La frecuencia de reloj del microcontrolador de 16 MHz se ajusta mediante un resonador de cuarzo. Arduino UNO no necesita un programador aparte, la placa se puede conectar directamente al conector USB de un ordenador, para lo cual dispone de un conector USB-BF y un conversor de interfaz de microcontrolador USB a serie. En otras versiones de placas Arduino, se puede utilizar un conector micro-USB para conectarse a una computadora. En placas obsoletas y caseras también puede encontrar un puerto COM normal.
La placa Arduino UNO conectada al ordenador se alimenta desde el conector USB. Y para trabajar sin computadora, es necesario alimentarla con un voltaje de 7...12 V desde una fuente externa, para lo cual hay un conector especial en la placa. Gracias al regulador de voltaje incorporado, Arduino UNO no tiene requisitos especiales en cuanto a la calidad del voltaje de suministro. Por lo tanto, su fuente puede ser casi cualquier fuente de alimentación de pequeño tamaño cuya tensión de salida se encuentre en el rango requerido, e incluso una batería galvánica de 9 V, por ejemplo una Krona (6F22) o dos baterías 3336 conectadas en serie (3R12). Para la comunicación con actuadores externos, así como para recuperar información de los sensores, existen 14 líneas de entrada/salida digitales, denominadas D0-D13. Seis de ellos pueden generarse mediante un microcontrolador con pulsos de ciclo de trabajo controlado por software (PWM). Están marcados en el tablero con signos "~". Además, hay seis líneas de entrada analógica A0-A5. Las entradas analógicas están conectadas a un convertidor analógico-digital de diez bits integrado en el microcontrolador, pero si es necesario también se pueden utilizar como líneas de E/S digitales adicionales D14-D19. Cabe señalar que de una versión a otra de la placa cambia el número de líneas de entrada analógica y líneas capaces de operar en modo PWM. Por ejemplo, la placa Arduino Leonardo y su copia doméstica Iskra Neo tienen 12 líneas analógicas y siete líneas PWM. Como regla general, todas las líneas de E/S de las placas están marcadas, por lo que no es difícil entenderlas. La placa Arduino UNO cuenta con cuatro LED: un indicador de encendido (ON), un LED conectado permanentemente a la línea D13 (L) y dos LED para indicar el intercambio de información con un dispositivo externo a través del puerto serie (TXi RX), así como un Botón para llevar el microcontrolador al estado inicial. Una de las ventajas de Arduino es una amplia gama de placas adicionales, las llamadas "escudos". Le permiten conectar motores eléctricos y otras cargas potentes a Arduino, proporcionar trabajo en redes informáticas a través de protocolos Ethernet y WiFi, transmitir información a través de la red celular GSM, trabajar con sonido, etc. Proporcionan trabajo con escudos con una variedad de software listo para usar. bibliotecas, tanto oficiales como aquellas escritas por terceros autores. La placa Arduino UNO es ideal para depurar programas en la etapa de desarrollo y configurar diseños. Pero para muchas aplicaciones prácticas, las capacidades de Arduino UNO son redundantes y su tamaño puede ser demasiado grande para instalarlo en un producto terminado. Las placas Arduino Nano y Arduino Mini están diseñadas para usarse en diseños terminados. En cuanto a parámetros, son casi idénticos a los Arduino UNO, pero tienen un diseño simplificado, dimensiones más reducidas y son algo más económicos. Si las capacidades de Arduino UNO no son suficientes, puede utilizar la placa Arduino Mega con una gran cantidad de memoria y cantidad de líneas de E/S. La lista de opciones de placas Arduino no es exhaustiva, pero otras opciones son menos adecuadas para el estudio inicial. Sólo el nombre Arduino en sí está protegido por derechos de autor, por lo que muchos fabricantes producen sus propias versiones bajo los nombres Free-duino, Craft Duino, Funduino, Diavolino, etc. Entre toda esta diversidad, hay diseños que también replican completamente los originales. como desarrollos propios, que son compatibles con el original en ocasiones en cuestión. Sin embargo, como regla general, los dispositivos de diferentes fabricantes están estandarizados, por lo que si la placa se declara como una copia de Arduino UNO, entonces todo lo dicho sobre Arduino UNO también se aplica a ella, aunque, por supuesto, no se puede responder por cada fabricante. Un nivel de calidad aceptable para un aficionado puede proporcionarlo no solo los fabricantes de dispositivos originales, sino también empresas poco conocidas que ofrecen diseños similares a un precio mucho más bajo. La placa Arduino no es muy complicada y es bastante accesible para la fabricación propia; la documentación al respecto se puede encontrar en el sitio web oficial del fabricante [6]. También se publicó en la revista Radio [7] una descripción de una placa casera, parte de la familia Arduino. Gracias a estas ventajas, Arduino se ha convertido en una especie de estándar entre los entusiastas de la electrónica. El uso de bloques funcionales completos y bibliotecas de programas simplifica enormemente y, por tanto, acelera el desarrollo. De hecho, los escudos Arduino son "cajas negras". Es importante cómo reacciona una unidad en particular a determinadas señales e influencias, pero su estructura interna no es fundamental. Existen publicaciones impresas en ruso que describen Arduino, pero, francamente, no se encuentran en los estantes de todas las librerías o bibliotecas. Como ejemplo, podemos citar el libro [8], y entre las publicaciones periódicas podemos destacar una serie de artículos en la revista “Levsha” (suplemento de la revista “Joven Técnico”). Allí, a partir de En el nº 6 del año 2012 se publican artículos mensuales dedicados al uso de Arduino [9]. Sin embargo, en Internet se pueden encontrar muchos recursos, tanto completamente dedicados a Arduino [10-12], como sitios con un enfoque científico y técnico más amplio, que tienen sus correspondientes secciones [13-16]. En conclusión, puedes ver que para facilitar el trabajo con Arduino, puedes crear varios dispositivos simples. Por ejemplo, no es muy conveniente enchufar los extremos pelados de los cables en los enchufes del conector. Para ello existen los que se muestran en la Fig. 5 cables de conexión especiales con puntas, que vienen tanto en clavijas como en enchufes. Es fácil hacer cables similares usted mismo utilizando contactos de conectores. Y para conectar rápidamente dispositivos externos, es mejor utilizar cables de conexión similares a los que se muestran en la Fig. 6, en un extremo del cual está soldado un conector de cocodrilo y en el otro, un contacto de clavija.
A menudo es necesario conectar varios cables a un pin de la placa, por ejemplo, para alimentar varios sensores. Aquí se pueden utilizar enchufes PBS o similares, cuyos cables deben conectarse entre sí y soldarse a un cable de conexión, en cuyo extremo opuesto se encuentra un contacto pin. Para el montaje rápido de dispositivos sencillos sin el uso de un soldador, las placas de pruebas especiales son muy adecuadas. El aspecto de uno de ellos se muestra en la Fig. 7, y el diagrama está en la Fig. 8.
Los terminales rígidos de las piezas se insertan en los casquillos de resorte de dichos tableros y las conexiones faltantes entre ellos se realizan con puentes de cables o con los cables descritos anteriormente. Entonces, la principal ventaja de Arduino, por un lado, es la presencia de capacidades flexibles y bien desarrolladas para convertirse en la base de diseños bastante complejos; por otro lado, la cantidad de conocimientos iniciales necesarios para comenzar no es suficiente. en realidad van más allá de los cursos escolares de física e informática. Literatura
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