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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Arduino. Bekanntschaft. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Wahrscheinlich kommt im Leben eines jeden unerfahrenen Funkamateurs der Moment, in dem er mit den einfachsten elektronischen Geräten nicht mehr zufrieden ist. Es besteht der Wunsch, etwas praktisch Nützliches zu entwerfen. Von Geräten, die auf einem Transistorpaar basieren, ist jedoch kaum zu erwarten, dass sie mehr oder weniger komplexe Probleme lösen. Andererseits möchte ein unerfahrener Programmierer möglicherweise, dass die von ihm geschriebenen Programme eine Art autonomen Roboter oder ein ähnliches Gerät steuern. Es ist eine Sache, wenn ein Programm einfach mit Informationen im Speicher des Computers arbeitet, und eine ganz andere, wenn ein Roboter, einem geschriebenen Programm gehorchend, auf eine „Reise“ durch den Raum geht oder ein programmierter Mikrocontroller Teil eines nützlichen Geräts wird. Gleichzeitig verfügt weder ein unerfahrener Funkamateur noch ein Programmierer über ausreichende Kenntnisse und Fähigkeiten, um ein Mikrocontroller-Gerät zu wiederholen oder gar neu zu entwerfen. Tatsächlich ist ein Mikrocontroller ein sehr kleiner und einfacher, aber dennoch ein Computer. Es ist notwendig, die Architektur eines bestimmten Mikrocontrollers im Detail zu kennen, um die dafür spezifische Assemblersprache zu studieren. Der einfachste Weg, dieses Problem zu lösen, besteht darin, einen vorgefertigten Bausatz zum Erstellen von Robotern zu verwenden, wie er vom berühmten Hersteller aller Arten von Konstrukteuren für Kinder – Lego – hergestellt wird. Ein solcher Bausatz enthält alle notwendigen Komponenten für die Herstellung eines Roboters: eine Mikrocontroller-Einheit, Elektromotoren, Sensoren. Der unbestrittene Vorteil eines solchen Sets besteht darin, dass es sehr einfach und schnell möglich ist, einen darauf basierenden Roboter zu entwerfen. Die gesamte erforderliche Software ist im Kit enthalten und verfügt über eine intuitive Benutzeroberfläche. Die technische Dokumentation richtet sich an die jüngsten Technikbegeisterten. Für einen nicht sehr großen Satz an Sensoren und Aktoren sowie einen Satz an Standard-Kunststoffteilen muss laut Autor jedoch ein unangemessen hoher Betrag bezahlt werden. Dies schließt jedoch nicht aus, dass solche Designer am besten für die jüngere Altersgruppe geeignet sind. Trotz der hohen Kosten für spezialisierte Konstrukteure erscheint die Idee, aus einer relativ kleinen Anzahl von Standardfunktionseinheiten ein komplexes Gerät zu erstellen, durchaus sinnvoll. Diesen Weg verfolgen die Entwickler des Arduino-Boards mit dem Mikrocontroller der AVR-Serie und vielen Erweiterungsboards dafür. Die heute am weitesten verbreitete Version dieses Boards ist das Arduino UNO. Zur Erstellung benutzerdefinierter Programme gibt es eine spezielle Entwicklungsumgebung Arduino IDE, in der die Programmierung in einer Sprache erfolgt, die auf der weit verbreiteten Sprache C++ basiert. Der große Vorteil von Arduino ist seine nahezu vollständige Offenheit. Auf der offiziellen Website des Entwicklers können Sie die Entwicklungsumgebung kostenlos herunterladen [1,2]. Wenn es startet, erscheint das in Abb. 1 Fenster, in dem Sie das Programm eingeben, in Maschinencode übersetzen, in den Mikrocontroller des Arduino-Boards laden und zur Ausführung ausführen können.
Es ist zu beachten, dass sich das Arduino-Entwicklungsunternehmen in zwei unabhängige Unternehmen, Arduino LLC und Arduino SRL, aufgespalten hat, die weiterhin Produkte unter demselben Markennamen produzieren, was zu Verwirrung führt. Dennoch wird die Software regelmäßig aktualisiert, es gibt Versionen für Windows, Linux, MacOS. Neben der von den Board-Entwicklern bereitgestellten Software gibt es viele weitere Entwicklungsumgebungen, beispielsweise [3]. Den Ordner mit der Software legen Sie am besten im Stammordner von Laufwerk C ab. Zusammen mit dem Programmtexteditor und dem Compiler enthält er Unterordner mit Beispielen typischer Programme und eine Reihe von Bibliotheken zur Lösung von Standardaufgaben, was das Leben erheblich vereinfacht ein unerfahrener Programmierer. Wenn Sie das Arduino-Board zum ersten Mal an Ihren Computer anschließen, erkennt das Betriebssystem das neue Gerät und fordert Sie auf, den Treiber zu installieren, der auch im Softwareordner verfügbar ist. Nach der Installation des Treibers müssen Sie Ihren Computer neu starten. Als Ergebnis einer erfolgreichen Installation wird im Windows-Gerätemanager ein zusätzlicher COM-Port angezeigt. Die Verwendung einer Hochsprache vereinfacht die Entwicklung und reduziert die Anforderungen an die Qualifikation des Programmierers erheblich, andererseits wird das resultierende Programm jedoch hinsichtlich des belegten Speichers und der Ausführungsgeschwindigkeit nicht optimal sein. Ein in einer Low-Level-Sprache (Assemblersprache) geschriebenes Programm würde deutlich weniger Speicherplatz beanspruchen und schneller laufen. Bei Amateurentwicklungen kann dies jedoch vernachlässigt werden. Natürlich ist in kritischen Fällen beim Umgang mit dem Arduino äußerste Vorsicht geboten. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, Arduino in einer Vielzahl von Geräten einzusetzen: vom einfachsten Thermostat bis hin zu unbemannten Luftfahrzeugen. Beispielsweise hat das russische Luft- und Raumfahrtunternehmen „Lin Industry al“ [4], das sich mit der Entwicklung ultraleichter Trägerraketen befasst, eine auf Arduino basierende Flugparameter-Aufzeichnungseinheit (Abb. 2) für seine Versuchsrakete (Abb. 3) entwickelt. Und Wissenschaftler des Indian Institute of Research and Science Education (Trivandrum) verwendeten Arduino in einem Trainingsradioteleskop [5].
Ein spezielles Bootloader-Programm ist im auf dem Arduino-Board installierten Mikrocontroller vorab geschrieben. Mit seiner Hilfe wird das am Computer entwickelte Anwendungsprogramm in den Programmspeicher des Mikrocontrollers geschrieben. Der Bootloader selbst belegt einen Teil dieses Speichers (je nach Version ein bis vier Kilobyte), aber dank dieser Organisation der Interaktion mit dem Computer ist es für den Benutzer schwierig, den Mikrocontroller durch falsche Befehle in einen funktionsunfähigen Zustand zu versetzen . Auf dem Arduino UNO-Board (Abb. 4) ist ein ATmega328P-Mikrocontroller verbaut, der über 2 KB RAM und 32 KB Programmspeicher verfügt. Die Taktfrequenz des Mikrocontrollers von 16 MHz wird durch einen Quarzresonator eingestellt. Arduino UNO benötigt keinen separaten Programmierer, die Platine kann direkt an den USB-Anschluss des Computers angeschlossen werden, wofür sie über einen USB-BF-Anschluss und einen USB-zu-Seriell-Schnittstellenkonverter am Mikrocontroller verfügt. Bei anderen Varianten von Arduino-Boards kann ein Micro-USB-Anschluss zum Anschluss an einen Computer verwendet werden. Auf veralteten und selbstgebauten Boards findet man auch einen regulären COM-Port.
Das an den Computer angeschlossene Arduino UNO-Board wird über den USB-Anschluss mit Strom versorgt. Und um ohne Computer arbeiten zu können, muss er von einer externen Quelle mit einer Spannung von 7 ... 12 V versorgt werden, wofür die Platine über einen speziellen Anschluss verfügt. Dank des eingebauten Spannungsreglers stellt Arduino UNO keine besonderen Anforderungen an die Qualität der Versorgungsspannung. Seine Quelle kann also fast jedes kleine Netzteil sein, dessen Ausgangsspannung im erforderlichen Bereich liegt, und sogar eine galvanische 9-V-Batterie, zum Beispiel Krona (6F22) oder zwei in Reihe geschaltete 3336-Batterien (3R12). Zur Kommunikation mit externen Aktoren sowie zum Abrufen von Informationen von Sensoren stehen 14 digitale Ein-/Ausgabeleitungen mit der Bezeichnung D0-D13 zur Verfügung. Auf sechs davon kann der Mikrocontroller Impulse mit einem softwaregesteuerten Tastverhältnis (PWM) ausgeben. Sie sind auf der Tafel mit „~“ gekennzeichnet. Darüber hinaus gibt es sechs analoge Eingangsleitungen A0-A5. Analoge Eingänge sind mit einem im Mikrocontroller eingebauten 14-Bit-Analog-Digital-Wandler verbunden, können aber bei Bedarf auch als zusätzliche digitale Eingangs-Ausgangsleitungen D19-DXNUMX verwendet werden. Es ist zu beachten, dass sich von Version zu Version der Platine die Anzahl der analogen Eingangsleitungen und der Leitungen, die im PWM-Modus betrieben werden können, ändert. Beispielsweise verfügen das Arduino Leonardo-Board und sein inländisches Gegenstück Iskra Neo über 12 analoge Leitungen und sieben PWM-Leitungen. In der Regel sind alle I/O-Leitungen auf den Platinen gekennzeichnet, so dass sie leicht verständlich sind. Auf der Arduino UNO-Platine befinden sich vier LEDs: eine Betriebsanzeige (EIN), eine dauerhaft mit der D13-Leitung verbundene LED (L) und zwei LEDs zur Anzeige des Informationsaustauschs mit einem externen Gerät über die serielle Schnittstelle (TXi RX). , sowie eine Taste, um den Mikrocontroller in den Ausgangszustand zu versetzen. Einer der Vorteile von Arduino ist eine große Auswahl an Zusatzplatinen, den sogenannten „Shields“ (engl. Shield – Shield). Sie ermöglichen den Anschluss von Elektromotoren und anderen leistungsstarken Lasten an Arduino, ermöglichen die Arbeit in Computernetzwerken mithilfe von Ethernet- und WiFi-Protokollen, übertragen Informationen über ein GSM-Mobilfunknetz, arbeiten mit Ton usw. Viele vorgefertigte Softwarebibliotheken, sowohl offizielle als auch offizielle , mit Schildern arbeiten. und solche, die von Dritten geschrieben wurden. Das Arduino UNO-Board eignet sich gut zum Debuggen von Programmen in der Entwicklungsphase und zum Erstellen von Designs. Für viele praktische Anwendungen sind die Fähigkeiten des Arduino UNO jedoch überflüssig und seine Größe ist möglicherweise zu groß, um in das fertige Produkt eingebaut zu werden. Arduino Nano- und Arduino Mini-Boards sind für den Einsatz in vorgefertigten Designs konzipiert. Von den Parametern her sind sie nahezu identisch mit dem Arduino UNO, haben aber ein vereinfachtes Design, kleinere Abmessungen und sind etwas günstiger. Wenn die Fähigkeiten des Arduino UNO nicht ausreichen, können Sie das Arduino Mega-Board mit mehr Speicher und der Anzahl der I/O-Leitungen verwenden. Die Liste der Optionen für Arduino-Boards ist damit noch nicht erschöpft, andere Optionen sind für das erste Studium jedoch weniger geeignet. Nur der Name Arduino ist urheberrechtlich geschützt, daher veröffentlichen viele Hersteller ihre eigenen Versionen unter den Namen Free-duino, Craft Duino, Funduino, Diavolino usw. Unter all dieser Vielfalt gibt es auch Designs, die die Originale vollständig wiederholen eigene Designs, deren Kompatibilität mit dem Original teilweise fraglich ist. In der Regel sind jedoch Geräte verschiedener Hersteller standardisiert. Wenn das Board also als Kopie des Arduino UNO deklariert ist, gilt für dieses alles, was über das Arduino UNO gesagt wurde, obwohl Sie natürlich nicht für jeden Hersteller bürgen können. Ein für den Amateur akzeptables Qualitätsniveau können nicht nur Hersteller von Originalgeräten bieten, sondern auch wenig bekannte Unternehmen, die ähnliche Designs zu einem deutlich günstigeren Preis anbieten. Das Arduino-Board ist nicht sehr kompliziert und für die Eigenproduktion durchaus erschwinglich, die Dokumentation dazu findet man auf der offiziellen Website des Herstellers [6]. Eine Beschreibung des selbstgebauten Boards, das zur Arduino-Familie gehört, wurde auch im Radio-Magazin [7] veröffentlicht. Dank dieser Vorteile ist Arduino unter Elektronikliebhabern tatsächlich zu einer Art Standard geworden. Der Einsatz vollständiger Funktionsbausteine und Programmbibliotheken vereinfacht und beschleunigt die Entwicklung erheblich. Tatsächlich sind Arduino-Shields „Black Boxes“. Es ist wichtig, wie dieser oder jener Block auf bestimmte Signale und Einflüsse reagiert, seine innere Struktur ist jedoch nicht grundlegend. Es gibt gedruckte Veröffentlichungen in russischer Sprache, die sich mit der Beschreibung von Arduino befassen, aber ehrlich gesagt liegen sie nicht im Regal jeder Buchhandlung oder Bibliothek. Als Beispiel können wir das Buch [8] anführen, und unter den Zeitschriften können wir eine Reihe von Artikeln in der Zeitschrift „Levsha“ (einem Anhang zur Zeitschrift „Young Technician“) erwähnen. Da, beginnend mit Nr. 6 für 2012, monatliche Veröffentlichung von Artikeln zur Verwendung von Arduino [9]. Im Internet finden Sie jedoch zahlreiche Ressourcen, die sich sowohl ausschließlich mit Arduino befassen [10–12], als auch Websites mit einer breiteren wissenschaftlichen und technischen Ausrichtung, die über entsprechende Abschnitte verfügen [13–16]. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass man zur Erleichterung der Arbeit mit Arduino ein paar einfache Geräte herstellen kann. Beispielsweise ist es nicht sehr praktisch, die abisolierten Enden der Drähte in die Buchsen der Steckverbinder zu stecken. Hierzu gibt es in Abb. 5 spezielle Anschlussdrähte mit Kabelschuhen, die sowohl Stifte als auch Buchsen sind. Mit Kontakten aus Steckverbindern lassen sich ähnliche Drähte ganz einfach selbst herstellen. Und für den schnellen Anschluss externer Geräte ist es besser, Verbindungskabel wie das in Abb. gezeigte zu verwenden. 6, an dessen einem Ende ein Krokodilstecker angelötet ist und am anderen Ende ein Stiftkontakt.
Oft ist es notwendig, mehrere Leitungen an einen Ausgang der Platine anzuschließen, um beispielsweise mehrere Sensoren mit Strom zu versorgen. Hier können Sie PBS-Buchsen oder ähnliches verwenden, deren Leitungen alle miteinander verbunden und an den Anschlussdraht angelötet werden müssen, an dessen gegenüberliegendem Ende sich ein Stiftkontakt befindet. Für den schnellen Zusammenbau einfacher Geräte ohne Lötkolben sind spezielle Prototyping-Boards gut geeignet. Das Aussehen eines von ihnen ist in Abb. dargestellt. 7, und das Diagramm ist in Abb. 8.
Die harten Anschlüsse der Teile werden in die Federsockel solcher Platinen gesteckt und die fehlenden Verbindungen zwischen ihnen mit Drahtbrücken oder den oben beschriebenen Drähten hergestellt. Der Hauptvorteil von Arduino ist also einerseits das Vorhandensein gut entwickelter und flexibler Fähigkeiten, um die Grundlage für ziemlich komplexe Designs zu werden, andererseits ist die Menge an anfänglichem Wissen, das für den Einstieg erforderlich ist, nicht vorhanden gehen tatsächlich über Schulkurse in Physik und Informatik hinaus. Literatur
Autor: D. Lekomtsev
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▪ Standortabschnitt Parameter, Analoga, Kennzeichnung von Funkkomponenten. Artikelauswahl ▪ Artikel von Hans Christian Andersen. Berühmte Aphorismen ▪ Artikel Wandern Schmetterlinge? Ausführliche Antwort ▪ Artikel Zuckerrübe. Legenden, Kultivierung, Anwendungsmethoden ▪ Artikel Labornetzgerät, 220/3-24 Volt 2,7 Ampere. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
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