Workshop de Arduino - Tato Equipamentos · Enviar código para o Arduino Monitor de porta série Criar nova Tab Ambiente de Desenvolvimento (C) 2008, Filipe Valpereiro, ... •Inspirada

Workshop de Arduino

(C) 2008, Filipe Valpereiro,http://www.inmotion.pt

Características

• 16kB de memória Flash

• 1kB de RAM

• 16MHz (Apple II: 1MHz)

• 13 portas de I/O digital

• 6 portas de entrada analógica

• RS232, PWM, I2C, SPI




Compilação de código

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Enviar código para o Arduino

Monitor de porta série

Criar nova Tab

Ambiente de Desenvolvimento


1 2 34

Monitorização

1 - Velocidade da porta série

2, 3 - Envio de mensagens para o Arduino.

4 - Consola de output


Exemplo 1int ledPin = 13; int count = 0;

void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); Serial.begin(38400); }

void loop() { count = 0; while(Serial.available() > 0) { Serial.read(); digitalWrite(ledPin, HIGH); delay(250); digitalWrite(ledPin, LOW); delay(250); count++; } if(count) Serial.println(count); delay(100); }


Arduino API

• Inspirada na linguagem Processing

• Abstrações simples do hardware

• Reutilização de código (Wiring, AVR, ...)

• Escrita em C/C++


Estrutura de um programa

• Header

• Variáveis globais

• Setup

• Loop


Tipos de dados básicos• boolean, char, byte

• int, unsigned int

• long, unsigned long

• float, double

• string, arrayO Arduino é um microcontrolador

de 8 bits!!! O GCC transforma alguns dos tipos de dados em código RISC do ATMEGA168


Arduino APIConstantes utilizadas e modo de definição

HIGH | LOW INPUT | OUTPUT true | false

Notação decimal 123 | 123U | 123L | 123UL

Notação octal 0137

Notação hexadecimal 0x9F


HIGHEm modo INPUT um pino HIGH quando lido com a função digitalRead tem um valor TRUE quando a tensão no pino é igual ou superior a 3V

Em modo OUTPUT um pino HIGH apresenta uma tensão de saída de 5V (source) até 50mA


LOWEm modo INPUT um pino LOW quando lido com a função digitalRead tem um valor FALSE quando a tensão no pino é igual ou inferior a 2V

Em modo OUTPUT um pino LOW é colocado a 0V. Desta forma ele pode absorver (sink) até 40mA de corrente.


ExtrasPROGMEMIndica ao compilador que deve guardar os dados de uma variável na memória flash em vez de utilizar a memória RAM. Especificado em: <avr/pgmspace.h>

dataType varName[] PROGMEM = {d0, ..., dn};

Ex: char message[] = “Hello World”; // 12 bytes em RAMchar message[] PROGMEM = “Hello World”; // 12 bytes em FLASH

Desvantagens:Os dados guardados na memória FLASH devem ser lidos com utilização de uma API específica (pgm_read_word, pgm_read_word_near, ...)


Registos especiais IExistem três portas especiais no Arduino, que permitem a leitura simultânea de várias entradas digitais, aumentando a eficiência das operações de I/O.

PORTB (pinos 8 a 13)

PORTC (pinos de input analógico)PORTD (pinos 0 a 7)

Cada porta dispõem dos seguintes registos:DDRD - Data Direction Register (para a porta D)PORTD - O registo da porta D PIND - Registo de input dos pinos da porta D (read-only)


Registos especiais IIExemplo de leitura da PORTAD (pinos 0 a 7)

// pinos 2 a 7 para output, pinos 0 e 1 inalteradosDDRD = DDRD | B11111100;

// coloca os pinos 3, 5 e 7 a HIGHPORTD = B10101000;

// lê os pinos 2 a 7byte data = PIND & B11111100;

A utilização destas portas torna o código mais difícil de depurar.


HAL


Abstrações de Hardware I

• Digital I/O

• Analog I/O

• Advanced I/O

• Temporizadores

• Comunicação série


Digital I/OpinMode(pin, mode)Define os modos dos pinos 0 a 13, sendo que o pino 0 e o pino 1 estão geralmente reservados para a porta série (RX/TX). Os pinos de entrada analógicos (0 a 5) também podem ser utilizados como pinos de entrada digital (14 a 19)

digitalWrite(pin, value)Escreve o valor TRUE ou FALSE no pino.

digitalRead(pin)Lê o valor de um pino (TRUE ou FALSE). Se o pino não estiver ligado a leitura poderá oscilar.


Analog I/OanalogRead(pin)Lê um valor analógico (0 a 5V) nos pinos 0 a 5. A resolução do ADC é de 10bits, permitindo mapear tensões de entrada em valores inteiros até 1023 com uma resolução de 4.9mV por valor. O tempo de conversão e leitura é de 100uS (10ks amostras por segundo)

analogWrite(pin)Escreve um valor analógico (PWM) com uma frequência de 490Hz. Esta função só está disponível nos pinos 3, 5, 6, 9, 10 e 11


PWM vs Sinal Analógico


Sinal PWMoutput = (on_time / off_time) * max_voltage


Características do sinal PWMLarguro do impulso numa gama de valores mínimo e máximo

Período do impulso = 1 / impulsos por segundo

Tensão do impulso em valores bem definidos ex: 0 a 5V


Aplicações do sinal PWM IInterface de dados para sensores ou circuitos externos. O valor a enviar é proporcional ao período do impulso.


Aplicações do sinal PWM II

Frequencia PWM de 50HzImpulsos desde 1 a 2 milisegundo

1 milisec = posição a 0º2 milisec = posição a 180º


Aplicações do sinal PWM III


Advanced I/OshiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, value)Envia um conjunto de 8 bits um a um pela ordem indicada (MSBFIRST, LSBFIRST). Quando o bit é escrito, o pino do clock é activado dando indicação de que o valor já está disponível. Este modo de comunicação é conhecido por SPI (Synchronous Protocol Interface). Os dois dispositivos estão sempre sincronizados e comunicam perto do limite de velocidade máxima.

unsigned long pulseIn(pin, value)unsigned long pulseIn(pin, value, timeout)Lê um valor PWM de um pino de I/O digital. A leitura do impulso digital é sincronizada no valor indicado (HIGH ou LOW) sendo medido o tempo decorrido até que o valor de entrada mude de estado. Retorna valores de leitura fiáveis para impulso entre 10uS e 3 minutos.


shiftOut(dPin, cPin, order, value)

Temporizadoresunsigned long millis()Número de millisegundos decorridos desde o início de execução do programa.

delay(ms)Esta função gasta ciclos de relógio até ter decorrido o tempo indicado em milisegundos. Quando se utiliza um valor inteiro superior a 32726 deve-se utilizar o prefixo UL.

delayMicroseconds(us)Esta função gasta ciclos de relógio até ter decorrido o tempo indicado em microsegundos. A actual implementação desta função garante resultados até um valor de 16383 uS.



Comunicação Série

Comunicação Série ISerial.begin(speed)Configura a porta série (pinos 0 e 1) para comunicar com a velocidade indicada.

int Serial.available()Número de bytes (caracteres) disponíveis na porta série.

int Serial.read()Lê um byte da porta série.

Serial.flush()Limpa os dados da porta série, isto é: qualquer chamada a Serial.available() ou Serial.read() retornam os dados mais recentes depois da última chamada a esta função.


Comunicação Série IISerial.print(b)Envia pela porta série qualquer tipo de valor inteiro em formato ASCII

Serial.print(b, fmt)Envia pela porta série qualquer tipo de valor inteiro em formato ASCII de acordo com um dos seguintes formatos: DEC, HEX, OCT, BIN, BYTE

Serial.print(str)Envia pela porta série uma string ASCII.


Comunicação Série IIISerial.println()Envia pela porta série os caracteres ASCII 13 ‘\r’ e ASCII 10 ‘\n’

Serial.println(b)Serial.println(b, fmt)Serial.println(str)Ver família de funções Serial.print(). Estas funções colocam os dados na porta série juntamente com os caracteres ASCII 13 e 10


Abstrações de Hardware II

• Interrupts

• Interrupts externos


Interruptsinterrupts()Activa o modo de interrupt depois deste ter sido desactivo pela função noInterrupts(). Os interrupts permitem a execução de tarefas em background. Por omissão, o Arduino executa sempre com este modo activo.

noInterrupts()Desactiva o modo de interrupts. Algumas funções podem produzir resultados inesperados se este modo estiver desactivo, em especial funções de tempo e comunicação de dados com o exterior. Contudo, em secções críticas de código é conveniente desligar os interrupts.


Interrupts ExternosattachInterrupt(interrupt, function, mode)Activa um interrupt externo (0, 1 nos pinos 2, 3) e associa a função indicada ao interrupt. A função será executada quando o modo indicado for detectado na porta correspondente. Os modos de activação são: LOW, CHANGE, RISING, FALLINGQualquer variável modificada pela função associada deve ser declarada como volatil

detachInterrupt(interrupt)Desliga um interrupt externo.


Bibliotecas Básicas

• Math

• Trigonometria

• Números aleatórios


Mathabs(x)min(x, y)max(x, y)

constrain(x, a, b)Restringe um número x à gama de valores [a, b] para todos os tipos de dados.

map(value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh)Mapeia um valor da gama [fromLow, fromHigh] para a gama [toLow, toHigh].

pow(base, exponent)Calcula a potência da base. Esta função permite a utilização de frações, úteis para gerar mapeamentos exponenciais de valores ou curvas (ex: curva de comportamento de um sensor)


GP2D12/GP2D15

Fig.5 Analog Output Voltage vs. Surface

Illuminance of Reflective Object

Fig.4 Distance Characteristics

Fig.6 Analog Output Voltage vs.Distance to

Reflective Object

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

L H

H L

Hystersis width

Distance to reflective object L (cm)

(Non detection)

(Detection)

Outp

ut (V

)

Output H

Output L

Output switching point distanceL=24±3cm

GP2D15

An

alo

g o

utp

ut

vo

ltag

e V

O (

V)

Surface illuminance of reflective object (lx)

0

3.0

2.8

2.4

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

0 1400012000100004000 80002000 6000

Light source equivalent to sun light

GP2D12

Reflective objectKodak Co., Ltd. gray cards R-27(reflective ratio : 90%)

L=10cm

L=30cm

L=60cm

GP2D12

illuminance meter

Draft Reflectivity

White 90%

Gray 18%

Distance to reflective object L (cm)

An

alo

g o

utp

ut

vo

ltag

e V

O (

V)

0 50 8060 70403020100

3.0

2.8

2.4

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

White

Gray

GP2D12

Fig.7 Analog Output Voltage vs.Ambient

Temperature

Fig.8 Analog Output Voltage vs.Detection

Distance

An

alo

g o

utp

ut

vo

ltag

e V

O (

V)

30 9040 7050 60 800!10 10!20 200

3.0

2.8

2.4

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

Ambient temperature Ta (°C)

L=10cm

L=15cm

L=20cm

L=50cm L=40cm L=30cm

L=60cm L=70cm L=80cm

GP2D12

An

alo

g o

utp

ut

vo

ltag

e V

O (

V)

!3 52 3!1 40!4 1!5 !20

3.0

2.8

2.4

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

Detection distance X (cm)

L(Distance toreflective object)

Kodak Co., Ltd. gray cards R-27(reflective ratio : 90%)

SensorGP2D12

X(Detection distance)

!X(Detection distance)

L=10cm

L=20cm

L=30cm L=40cm

L=80cm

GP2D12

Curva de comportamento do sensor Sharp GP2D12


Exemplo da função POW

TrigonometriaAs seguintes funções estão disponíveis:

sin(angle)cos(angle)tan(angle)


Números aleatóriosrandomSeed(seed)long random(max)long random(min, max)

A função random utiliza o seu valor de seed se este não for especeficado.


Bibliotecas avançadas I

• EEPROM interna, 512 bytes

• SoftwareSerial

• Wire


EEPROM interna O Arduino tem 512 bytes de memória permanente (EEPROM) interna (ATMEGA168) com capacidade para 100000 ciclos de escrita.

byte EEPROM.read(address)EEPROM.write(address, value)Leitura/escrita da EEPROM. Gama de endereços de 0 a 511.


SoftwareSerialO Arduino tem suporte nativo para comunicação e dados através da porta série (pinos 0 e 1), sendo que pode receber até 64 bytes na UART. Esta biblioteca implementa uma porta série por software com as seguintes limitações:

• Velocidade até 9600 BAUD

• A função Serial.available() não está disponível

• Serial.read() só retorna depois de receber dados

• Só recebe dados durante a execução da função Serial.read()


Barramento I2CDesenvolvido pela Philips em 1992 permite a conexão de 112 dispositivos num barramento de duas linhas digitais até alguns metros de extensão. Suporta as seguintes velocidades de transferência de dados:

• low-speed (10kbits/s)

• standard mode (100kbits/s)

• fast mode (400kbits/s)

• fast mode plus (1Mbit/s)

• high speed mode (3.4 Mbits/s)


Diagrama temporal I2C


WireA biblioteca Wire permite a comunicação com dispositivos I2C ou TWI. No Arduino as linhas SDA (Serial Data Line) e SDL (Serial Data Clock) estão disponíveis nos pinos 4 e 5 (geralmente configurados como entradas analógicas)


Wire API Ibegin()begin(address)Liga o Arduino ao barramento I2C como master ou slave, indicando o endereço.

requestFrom(address, quantity)Envia um pedido de dados a um dispositivo. O barramento irá devolver n bytes que passam a estar disponíveis para leitura com as funções Wire.available() e Wire.receive()

beginTransmission(address)Inicia a transmissão de dados para o dispositivo indicado. Os pedidos de envio seguintes via send() serão guardados numa queue e enviados quando é executada a função endTransmission()


Wire API IIendTransmission()Envia os dado da queue para o dispositivo indicado anteriormente.

send(value)send(string)send(data, quantity)Envia dados ao de um dispositivo slave em resposta a um pedido do master ou guarda dados na queue para envio posterior (de master para slave) durante o intervalo entre uma chamada a beginTransmission() e endTransmission()


Wire API IIIbyte available()Retorna o número de bytes disponíveis para leitura: função receive() Esta função deve ser chamada num dispositivo master depois da chamada à função requestFrom() ou dentro da função onReceive() no cado de dispositivos slave

byte receive()Lê um byte de dados de um master/slave

onReceive(handler)Regista uma função que é chamada quando um dispositivo slave recebe uma transmissão de dados de um master.

onRequest(handler)Regista uma função que é chamada quando um dispositivo master pede uma transmissão de dados um slave.


Bibliotecas avançadas II

• Metro

• MsTimer2

• Firmata

• SimpleMessageSystem


Eventos periódicos

• Surgem sempre que temos mais que uma tarefa recorrentes

• Podem ser modelados com tabelas de periodicidade ou com a biblioteca Metro


Eventos periódicosÉ possível programar um Arduino para pulsar dois LEDS com períodos diferentes? E para três? e para N?

Uma solução:Metro led_1 = Metro(100);Metro led_2 = Metro(250);

if(led_1.check() == 1)digitalWrite(LED1, HIGH);

...


MetroEsta biblioteca facilita a implementação de eventos.

Metro(ms)Constrói um objecto metro com um período de ms milisegundos.

check()Verifica o estado do período de tempo. Devolve 1 se já passou o intervalo definido ou 0 caso contrário.

interval(ms)Altera o valor actual do perído do evento a associado.


MsTimer2Esta biblioteca facilita a utilização do Timer2 com uma resolução de 1milisegundo

MsTimer2::set(ms, task)Permite a execução da tarefa indicada com um período mínimo de ms milisegundos.

MsTimer::start()Inicializa o Timer2.

MsTimer::stop()Termina o Timer2.


FirmataEsta biblioteca permite a implementação de firmware’s simples, expondo o hardware do Arduino através de comandos enviados pela porta série.

O protocolo de transmissão de dados é controlado pela biblioteca, permitindo que todo o trabalho necessário se concentre na lógica de controlo.


SimpleMessageSystemEsta biblioteca permite a troca de mensagens de e para o Arduino. É possível com esta biblioteca controlar directamente os valores de cada uma das portas digitais bem como ler valores analógicos.


SPI InterfaceManipulação directa do barramento SPI por registos

SPCRSPI Control Register, utilizado para configurar o barramento SPI

SPSRSPI Status Register, utilizado pelo ATMEGA para indicar o estado de uma comunicação.

SPDRSPI Data Register, utilizado para enviar dados pelo barramento SPI.

Ligação de um dispositivo SPISLCKSerial clock

MOSIMaster Output Slave Input

MISOMaster Input, Slave Output

SSSlave Select


Diagrama Temporal, SPI

Alguns Links Úteis


http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

http://arduino.cc/en/Reference/HomePage

http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus

http://en.wikipedia.org/wiki/I2c

Alguns manuais em PDF e exemploshttp://todbot.com/blog/bionicarduino/

Documents

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