Arduino

Az Arduino egy szabad szoftveres, nyílt forráskódú elektronikai fejlesztőplatform. Alacsony ára, széleskörű bővítési lehetőségei és „nyitottsága” világszerte nagyon népszerűvé tette. Habár az Egyesült Államokon kívül hivatalosan csak a Genuino testvérmárka termékeit lehet kapni, ennek ellenére a platformra mindenki az Arduino néven hivatkozik, itt az OB121-en sem fogok ettől a "szokástól" eltérni.

Az Arduino-val kapcsolatos információk, szoftverpéldák és könyvtárak a termék ismertetőoldalán találhatók meg.

A programokat nyílt (c++ vagy arduino native) forráskódú fejlesztői rendszerekkel lehet megírni és fordítani (az „alap”-szoftver például innen tölthető le) elsősorban az USB-n keresztül az un. Board-okra.

A Boardok az Arduino elsődleges hardveresztközei, ezek futtatják a programot és ezek bővíthetők elsősorban könnyen a board-okhoz illeszthető shield-ekkel, vagy az io csatlakozókon kívül szinte bármilyen egyéb hardvereszközökkel.

A board-okat és a bővítőeszközöket jelenleg ontja a sok különféle gyártó, és kínai internetoldalakról fillérekért is megszerezhetők ezek az eszközök, ezeknek az ismertetése található itt, kategóriákra bontva, illetve HW-típusonként is kereshetők ebben a jegyzékben: OB121.com hardver-index.

Arduino referenciák: Arduino funkciók, Arduino változók, Arduino struktúrák
Arduino szoftver: Arduino szoftver alapok, Arduino szoftvermegoldások, Arduino könyvtárak, avr-libc, Wemos D1 Wifi
Arduino hardvermegoldások: Kapcsolók, nyomógombok, IO bővítőmodulok, EEPROM, Relé-Modulok, DC Motorvezérlés, Szervovezérlés, Léptetőmotor vezérlés, Micro SD kártyamodul, USB vezérlőmodul, RFID (Wiegand), MP3 modulok, Lézer modulok, Joystick
Arduino Kommunikáció: I²C, SPI, 1-Wire, Wifi,.., nRF24, Bluetooth-Modulok, IR, Board to board, Rádiókommunikáció, Arduino LoRaWAN
Arduino szenzortechnika: Időmérés, Hőmérsékletmérés, Páratartalom-mérés, Nedvesség / esőszenzor, Súlymérés, Távérzékelés, Árammérés, Mozgásérzékelés, Nyomásérzékelés, Áramlásmérés, Elmozdulás / vibráció, Fény- és színérzékelés, Mágneses tér érzékelés, Levegő összetétel
Arduino HMI/LED: LiquidCristal LCD Modulok, 7 szegmenses kijelzők, LED / RGB LED vezérlés, Címezhető RGB LED-ek
Boardok: Arduino board-ok, Wemos board-ok, Arduino shield-ek

Az Arduino eleinte az Uno board-ot jelentette, de fejlődéstörténete töretlen. Egyrészt az olasz Arduino-s fejlesztőgárda is folyamatosan dob a piacra új típusokat, másrészt, mivel a típus open-project, azaz a hardvere szabadon másolható és módosítható, hihetetlen széles palettán mozognak az Arduino kompatibilis klónok is. A teljes Arduino-világot szinte lehetetlen áttekinteni, én is csak az általam ismert rész felületes összefoglalására vállalkozok ezen az oldalon.

Ez számít az Arduino-k "fő" memóriájának, ez tárolja a letöltött programot, és kikapcsolás után is megőrzi a tartalmát, azaz a programot elegendő csak egyszer letölteni ide, az minden ismételt bekapcsolás esetén "magától" újraindul. Programozás során nem számolhatunk a teljes memóriával, mivel a letöltőprogram (bootloader) és például a különböző kommunikációk is innen "csípnek le" részeket.

Ráadásul a letöltött könyvtárak is sok helyet tudnak innen foglalni, ezért alaphangon is egy 32 kb-s memória esetlén csak 24-30 kb-val számolhatunk (könyvtárak nélkül).

Ezen kívül a flash nem írható végtelenül újra, a maximális írásciklus-számát 100.000-ben limitálták. Ez arra elég, hogy egy naponta 10-szer újraírt programot mintegy 27 évig gond nélkül tároljon.

hu: statikus véletlen hozzáférésű memória
en: static random-access memory

Leegyszerűsítve, az SRAM tárolja a programban definiált belső változókat. Az SRAM - szemben a flash-memóriával - árammentes állapotában nem őrzi meg a tartalmát, ezért minden bekapcsolást követően a program újradefiniálja a változókat és azok az ott meghatározott "default" értékükkel kerülnek az SRAM-ba.

hu: programozható, törölhető, csak olvasható memória
en: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

Az EEPROM a board-ok nem felejtő változómemóriája. Ez - hasonlóan a Flash-hez - kikapcsolás során is megőrzi a tartalmát, de - és szintúgy, mint a Flash esetén - "csak" 100.000 írásciklusra van hitelesítve, azaz például a ciklikus adatírásra nem igazán alkalmas. Ráadásul egy kicsit lassabb is a kezelése, mint a "normál" SRAM-é. Ezekből a technikai jellemzőkből adódóan az EEPROM az alábbi funkciókra alkalmazható:

• konfiguráció(k) letárolása
• indulási alapbeállítások mentése
• újraindulásoktól független számlálók, értékek, gyüjtött értékek (pl. Üzemóraszámláló) mentése

A különböző Arduino board-ok eltérő méretű EEPROM-mal rendelkeznek:

• ATmega168: 512 Bytes
• ATmega8: 512 Byte
• ATmega328P: 1024 Byte
• ATmega32U4: 1024 Byte
• ATmega1280: 4096 Bytes
• ATmega2560: 4096 Bytes

Az EEPROM többféle módon is bővíthető:

• I²C-n keresztül elérhető EEPROM IC-vel: AT24C256 I²C EEPROM IC és modul
• SD kártyával: Micro SD kártyamodul

Az Arduino IDE egy JAVA nyelven írt feljesztői rendszer, mellyel miután programogokat írunk az Arduino-ra, ezekett lefordítja és debug-olja, majd le is tölti a kártyákra. A letöltés leggyakrabban az USB porton keresztül történik, mely szinte minden Arduino board-on megtalálható, de lehetőség van ISP vagy OTA letöltésre is, ha az adott kártya is biztosítja ezeket a lehetőségeket.

Az Arduino-k egy előre beégetett bootloader-rel rendelkeznek, ez teszi lehetővé a kódok letöltését külső hardver nélkül, egyszerűen az STK500 protokollon keresztül.

Amennyiben ez szükséges, a fenti bootloader az ICSP (In-Circuit Serial Programming) (→ISP) csatlakozó használatával megkerülhető.

Az Arduinók programozásához természetesen nagyon sok lehetőségünk van a meglehetősen fapados (de hatékony és ingyenes) Arduino IDE-n kívül is. használható például a VisualStudio is erre a célra egy Arduino bővítmény telepítése után.

Kapcsolódó oldalak:

• Az Arduino IDE telepítése lépésről lépésre
• Az Arduino IDE magyarra kapcsolása
• Felmerülő problémák az Arduino csatlakoztatása kapcsán

en: Over the Air

Az arduino is lehetőséget ad a programok wifin, vagy akár ethernet-shield-en keresztüli letöltésére. Különösen jó lehetőséget kínálnak ennek a funkciónak a kiaknázására az ESP-modulok (ESP8266 vagy ESP32), amiket közvetlenül lehet integrálni az Arduino board-okkal, és így a Wifin keresztüli letöltés megvalósításának nagy részét ezek a modulok viszik el.

Az OTA telepítését az Arduino IDE-ben "Eszközök / Könyvtárak kezelése" pont alatt a rendelkezésre álló könyvtárak listájából lehet kiválasztani:

en: Application Programming Interface

Az Arduino funkcionalitása a könyvtárrendszeren keresztül bővíthető. A könyvtárak alkalmazása memóriaigényes, de alapos kiválasztásukkal jól optimalizálható a memóriaterhelés, és a programozás jelentős részét is meg lehet spórolni az alkalmazásukkal. Vannak standard könyvtárak, például a Wire, AVR_C, String,.., de rendkívül sok, nagyon alaposan kidolgozott könyvtár tölthető le a Github-ról is. A szenzorok ismertetésénél szinte minden esetben a Github könyvtárakra hivatkozok.

Az Arduino Boardokon előre "betöltött" és az Arduino IDE-vel kompatibilis speciális program, amely lehetővé teszi a programok board-okra való feltöltését speciális eszközök nélkül; általában USB-n keresztül.

Az Arduino-n futatható programok neve a sketch (vázlat). A sketch-eket .ino fájlokba lehet menteni, vagy onnan betölteni. Az Arduino IDE-ben sok (alap) példaprogram található a File / Examples pont alatt, de szinte minden feltelepített könyvtár is tartalmaz példaprogramokat (ezek szintén a File / Examples pontban nyithatók a telepítésük után, a listán alul találhatók).

Sok sketch soros kapcsolaton keresztül kommunikál a számítógéppel. Az Arduino IDE beépített soros monitorral vagy terminállal rendelkezik, hogy segítsen ezeknek az adatoknak a megjelenítésében. Emellett adatokat is küldhet a board-ra a Monitor segítségével. A soros monitort az „Eszközök” → „Soros monitor” pont alatt találja. Ennek indítása általában újraindítja az Arduino board-ot. Győződjön meg arról, hogy a sebességet, vagyis a baudrátát a megfelelő értékre állította. Ha ezt nem teszi meg, akkor vagy csak szemetet vagy semmit nem fog itt látni. A jellemző adatátviteli sebességek: 9600 vagy 115.200 baud.

Az Arduino board-okat alapvetően PC-nkről az USB porton keresztül programozhatjuk (lásd fent, Bootloader, de van jópár más megoldás is..), és a program futása során a "serial" információk is ezen keresztül érkez(het)nek a PC-nkre. A legtöbb board a "klasszikus" FTDI vagy AtMega16U2 USB kommunikáció-IC-t tartalmazza a kapcsolatra, de előfordulhat, hogy az un. (kínai) CH340..CH341 IC-ket építettek be. Ezeknek mindegyike más-más drivert igényel, erre ügyelni kell az első eltérő board alkalmazásánál, mert előfordulhat, hogy a PC-nk nem látja az Arduino-t.

A legtöbb Arduino USB port rendelkezik egy túláramvédelemmel (resettable polyfuse), mely az 500 mA-t meghaladó áramfelvétel vagy rövidzárlat esetén automatikusan leold.

Arduino USB UART konverter típusok:

• FTDI: A korai Arduino-k konverter-típusa, túl drágának bizonyult. Külső konverterként továbbra is szokás használni (az ISP-re csatlakoztatva)
• Atmega8U2: Az első szériás Uno-k konvertere, az R2 verzióig
• AtMega16U2: Aktuálisan a legtöbb (hivatalos) Arduino board UART konvertere
• CH340/CH340G/CH341: a kínai gyártású Arduino klónok jellemző konvertere, a driverek letöltése némileg körülményes

Kapcsolódó oldalak:

• Az Arduino csatlakoztatása a PC-hez
• Felmerülő problémák az Arduino csatlakoztatása kapcsán

Sok esetben a letöltés nem lehetséges (vagy nem a legjobb megoldás) az USB-n keresztül. Az Arduino Mini és az Arduino Pro Mini sorozat például a helytakarékosság miatt eleve nem rendelkezik USB-csatlakozóval, így ezeknél elkerülhetetlen a külső letöltő alkalmazása.

A legegyszerűbb megoldás egy FTDI konverter beszerzése, így a PC irányából ugyanúgy USB-n történik a csatlakoztatás, csak a board-hoz kell megfelelő módon illeszteni az átalakítót.

A logikai magas (HIGH) és alacsony (LOW) szinteket alkalmazó (digitális) elektronikai berendezések többnyire az un. TTL logika (Transistor-Transistor Logic) alapján definiálják a magas/alacsony jelekhez köthető feszültségszinteket. Ezektől a szintektől az Arduino logikai szintjei némileg eltérnek:

V_OH: Minimális kimeneti tápfeszültségszint. Efölött a TTL eszköz HIGH jelet biztosít.
V_IH: Minimális bemeneti feszültségszint a magas (HIGH) jelhez.
V_IL: Maximális bemeneti feszültségszint az alacsony (LOW) jelhez.
V_OL: Maximális kimeneti feszültsége egy alacsony (LOW) jelhez.

A letakart részeken a bemenet kiértékelése (HIGH vagy LOW) bizonytalanná válik.

Míg a program-logikai szinteket a true (igaz, 1) és false (hamis, 0) konstansokkal, addig a pin-ek állapotát a HIGH (magas, 1) illetve a LOW (alacsony, 0) konstansokkal lehet jellemezni.

A HIGH állapot egy jel olvasása esetén az 5V-os bemeneteken 3V jelszint felett, míg a 3,3V bemeneteken 2,0V felett jelentkezik. A LOW állapotok 5-os board-oknál 1,5V alatt, 3,3V-os boardoknál kb. 1,0V alatt jelentkeznek.

A köztes feszültségszinteket (5V-os boardoknál 1,5V - 3,0V, 3,3V-os board-oknál 1,0V - 2,0V) érdemes kerülni, mert a bemeneti állapot bizonytalanná válik.

Amennyiben a bemeneti felhúzóellenállás előzőleg aktiválásra került az adott pin-en, akkor onnan jó eséllyel soha nem fogunk HIGH állapotot olvasni, lásd: digitalRead().

Kimenetek esetén a HIGH állapot kiadását követően a pin a maximális feszültségszintet veszi fel, azaz 3,3V-os board-oknál a 3,3V-ot, az 5V-osoknál az 5V-ot.

Amennyiben előzően a belső felhúzóellenállást aktiváltuk, a kimeneti feszültség is HIGH jel esetén az 5V helyett kevesebb (kb. 3,3V) lesz, lásd: digitalWrite().

Az Arduino-k (már csak egyszerű konstrukciójuknál fogva) nem igazán terhelhetők, és ezzel minden nagyobb áramot igénylő vezérlésnél (szolenid szelepek, relék,..) figyelembe kell venni. Komolyabb túlterhelés esetén a board egyszerűen meghal, kisebb (és rövid idejű túlterhelés esetén) lekapcsol. Rosszul méretezett relévezérlés esetén előfordulhat, hogy az Arduino egyszerűen ki-be kapcsolgat (a relék meg ennek megfelelően "klattyognak") - nos ilyen esetben érdemes átgondolni a board terhelését.

Főbb terhelhetőségi határértékek (ezek persze típusonként változhatnak):

• Pinek terhelhetősége az UNO esetén (5V): 20 mA
• Pinek terhelhetősége az Mega board esetén (5V): 40 mA
• Pinek terhelhetősége (3.3V esetén): 10 mA
• Az összes pin (Vcc, GND) maximális terhelhetősége (UNO): 200 mA
• Az összes pin (Vcc, GND) maximális terhelhetősége (Mega): 400..800 mA

Az Arduino pinek felhasználására van pár "apróbb" tudnivaló és trükk, ezek számos "megmagyarázhatatlan" problémának is az okai adott esetben:

• A pin0 és pin1 a soros kommunikációhoz van kötve, így amennyiben információt akarunk kapni a board-tól, és használjuk a "Serial.print" utasítást, hogy a serial monitorra információt küldjünk, ezek a pinek erre az időre digitális ki-bemenetként nem használhatók. Lehetőség szerint ne is definiáljuk ezeket digitális csatornaként, vagy ha ez nem meg, mert kifogytunk a pin-ekből, akkor olyan funkciót pakoljunk ide, melytől el tudunk köszönni a serial használatának az idejére.
• Az analog pin-eket minden további nélkül fel lehet használni digitális portként, ilyenkor egyszerűen, például az Uno esetén pin 14..19-ként kell rájuk hivatkozni, mint az a lenti ábrán is látható.
• Saját tapasztalatom az, hogy már a tervezésnél érdemes "kijelölni" a szabadon hagyandó portokat. Mivel kommunikációra leginkább az I²C-t használom, ezért az Uno esetén az A4-et és A5-öt erre a kommunikációra tarom fel. Ugyanígy - főleg a teszteléshez - érdemes számolni a soros kommunikációval és az ahhoz tartozó portokkal, azaz az Uno esetén a 0 (Rx) és 1 (Tx) pinekkel.

Az ISP (In-system programming) port, ami jellemzően az Arduino (és kompatibilis) kártyákra van integrálva, lehetőséget biztosít arra, hogy az USB/bootload megkerülésével törtsünk le programot a kártyára. Emellett kommunikációs lehetőséget is biztosít SPI kommunikációra, például kártyák között. A lehetséges portok lábkiosztásai:

Ráadásul ezek a lábak az IO portok megfelelő lábaival (lásd lent) is párhuzamosan vannak kötve, így itt egyszerűen csak össze vannak "csoportosítva" a letöltésekhez. Lehetőség van arra is, hogy egy Arduino kártyát alkalmazunk arra, hogy más Arduino-kra programokat töltsünk fel az ISP-n keresztül.

Az Arduino kártyákon egyik gyakran alkalmazott kommunikáció az SPI. Az ehhez szükséges könyvtárakat és a példa-bekötéseket a konkrét moduloknál ismertetem, ezeknek az összefoglalása itt található: Arduino SPI kommunikáció. Az Arduino-kon az ISP csatlakozómodul is SPI-t alkalmaz, ez viszonylag egyszerűen projektálható (sajnos az "SS" itt nem kapott helyet):

Az alapértelmezett portok a kommunikációhoz a külömböző board-okon az alábbiak:

Az Aduino-s SPI megoldások összefoglalása itt található: Arduino SPI kommunikáció.

Az Aduino SPI könyvtár leírása: https://www.arduino.cc/en/Reference/SPI

Meg ez is (de bővebb): http://www.gammon.com.au/spi

en: interrupt service routine

Az ISR (interrupt service routine) (magyarul megszakításkezelés) funkció a gyorsan váltakozó állapotú bemenetek felügyeletére lett kifejlesztve. Ezek a megszakítások jellemzően a gyors impulzusok (Hall-impulzusok - átfolyásmérők, áramjel-impulzusok) számlálására vagy figyelésére alkalmasak, függetlenek a program futásciklusától.

Szoftver oldalról ezeket a jeleket az attachInterrupt() funkcióval kell lekezelni, és csak az erre a célra kijelölt portokon lehet ezeket a gyors jeleket beolvasni:

A interrupthívásokhoz szükséges funkciók leírása itt található:

• attachInterrupt()
• detachInterrupt()
• interrupts()
• noInterrupts()

YF-S201 áramlásmérés

A PWM (pulse-width modulation) egy olyan jelképzési forma, mellyel a digitális kimeneten analóg kimeneti jeleket képezhetünk, azaz ez egy digitális-analóg konverter funkció. A PWM kimenetek vezérlését az Arduino-knál az analogWrite() funkcióval lehet végezni. A kijelölt - ~-lal jelölt - PWM digitális kimeneteken érhető el a PWM funkció.

*: az ATmega168-as vagy ATmega328-as board-oknál:

• timer0: pin 5 és 6, 8-bites PWM
• timer1: pin 9 és 10, 16-bites PWM
• timer2: pin 11 és 3, 8-bites PWM

Olyan szervoknál, amik 16 bites felbontást igényelnek, előfordulhat, hogy csak a 9. és 10. pin fog működni!

Az Arduino Micro-val csak 8-bites PWM valósítható meg.

Az AREF pinen keresztül, az analogReference() funkción keresztül az analóg bemenethez használt külső (type: EXTERNAL) referenciafeszültséget (azaz a bemeneti tartomány maximális értékét) lehet beállítani.

Az Arduino board-ok alapértelmezett kommunikációja a soros (UART), melyet az USB-n keresztül folytatnak a programozókészülékkel vagy a kommunikációs partner PC-vel. Az USB porttal párhuzamosan van kötve a board-ok TX és RX pin-jei is, így amennyiben soros kommunikációt használ, ezeket a pin-eket nem használhatja digitális portként.

Ez a csatorna természetesen használható más UART kommunikációra is, például RS-232-re, de ebben az esetben ügyelni kell a feszültségszintekre, ami az RS-232 esetén jellemzően ± 12V. Valamennyi Arduino board-nak legalább egy soros (UART) portja van, ezeknek a pin-kiosztása:

Alkalmazása: Serial funkció

Az Arduino kártyákon az egyik leggyakrabban alkalmazott kommunikáció az I²C. Az ehhez szükséges könyvtárakat és a példa-bekötéseket a konkrét moduloknál ismertetem, ezeknek az összefoglalása itt található: Arduino I²C kommunikáció. Az alapértelmezett portok a kommunikációhoz a különböző board-okon az alábbiak:

Az I²C általános leírása: I²C
Az Aduino-s I²C megoldások összefoglalása itt található: Arduino I²C kommunikáció.
Az Arduino WIRE könyvtárának a leírása (ez valósítja meg az I²C kommunikációt) itt található: WIRE library funkciók

Az Arduino természetesen alkalmas az etherneten keresztüli kommunikációra, az internetes funkciók elérésére. Az ethernet elérésének a legegyszerűbb módja ehternet modul vagy bővítmény alkalmazása. A modulok és bővítmények jellemzően SPI kommunikációt folytatnak az Arduino boardokkal:

Arduino Uno Ethernet SPI lábkiosztása	Arduino Mega Ethernet SPI lábkiosztása

A legtöbb ethernet boardra micro-SD kártyaolvasót is integráltak. Ennek a használata opcionális, de plusz egy pin-t foglal a board-on.

Az aktuális Arduino könyvtárinformációk itt találhatók: https://www.arduino.cc/en/reference/ethernet

A modulok / bővítmények ethernet kommunikációját jellemzően WIZnet W5x00 sorozatú IC-i végzik. Ezeknek a főbb tulajdonságainak összehasnlítása: