Arduino čili mikrokontroléry pro každého

Co to je Arduino a proč se to stalo neformálním standardem ve vzdělávání a prototypování?

Každý elektronadšenec přinejmenším slyšel o Arduino, které získalo obrovskou popularitu díky svým jedinečným vlastnostem. Společnost, kterou založili a vytvořili nadšenci, určuje dnes standardy konektorů a distribuce signálů velkým korporacím – výrobcům mikrokontrolérů nebo vyhodnocovacích desek. Co je Arduino a proč se stalo neformálním standardem ve vzdělávání a prototypování? A v neposlední řadě, jaké jsou typy Arduino, co lze s Arduino dělat a jak je používat pro vlastní potřeby?

Arduino – ideální volba pro začínající programátory

Pokud se chcete naučit programovat mikrokontroléry, je platforma Arduino skvělou volbou. Podobně pokud jste elektronadšenci, máte nějaký nápad a chcete rychle vytvořit zařízení založené na mikrokontroléru a na standardních periferních zařízeních, jako jsou alfanumerické a grafické displeje, LED, LCD s přidruženými tlačítky nebo bez nich, senzory, přenosové moduly, ovladače motorů nebo elektroventilů a mnoho jiných. Platformu Arduino stojí za to také využít, pokud chcete vyrobit krátkou sérii zařízení, v nichž bude „srdcem“ mikrokontrolér, který nemusí nutně spolupracovat s rozšiřujícími moduly Arduino.

Arduino – co je to?

Co je Arduino? Nejčastěji, když se řekne „Arduino“, máme na mysli pouze desku mikropočítače, ale ve skutečnosti to je kompletní platforma založená na snadno použitelném hardwaru a softwaru. Důležité je, že se jedná o open source platformu, což znamená přístup k bezplatné, podrobné dokumentaci a programovým schématům a zdrojům. Zařízení vyrobené na základě platformy Arduino se obvykle skládá ze základní desky s mikrokontrolérem a k ní připojeného rozšiřujícího modulu, kterému se říká „shield“.

Většina základních desek Arduino má USB rozhraní určené pro jejich programování pomocí PC. Na některých deskách jsou signály mikrokontroléru přiváděny do zásuvek, ke kterým jsou připojeny rozšiřující moduly, na jiných zase k pájecím bodům. Vzhledem k tomu, že takové desky jsou nabízeny jako miniaturní moduly, občas jsou hovorově označovány jako „mikrokontrolér Arduino“ nebo „mikropočítač Arduino“.

Programování v Arduino

Syntaxe jazyka umožňujícího programování Arduino je podobná jako u jazyka C++ a stala se velmi oblíbenou mezi programátory mikrokontrolérů. Silnou stránkou vývojového prostředí Arduino je dostupnost četných hotových knihoven usnadňujících tvorbu programu a nespočetného množství hotových aplikací vyvinutých uživateli této platformy z celého světa. Důležité také je, že vývojové prostředí je veřejně přístupné, bez ohledu na účel jeho použití. Obdobně samotná základní deska – pokud ji nechcete kupovat, můžete si ji vyrobit sami podle dostupné dokumentace.

Stručná historie vzniku Arduino

Myšlenka Arduino se zrodila v Itálii, v Ivrea Interaction Design Institute. Platforma Arduino měla být určena pro rychlé prototypování a výuku programování studentů, kteří se doposud nezabývali elektronikou a programováním. Autoři Arduino měli skvělý nápad, protože se Arduino osvědčilo nejen na univerzitě, ale i mimo ni. Pomáhalo totiž mnoha lidem ve výuce nebo rychlé realizaci nápadů.

Poté, co platforma Arduino překročila hranice univerzity a byla přijata mnohem širším okruhem uživatelů, musela se přizpůsobit novým výzvám a uspokojit nové potřeby. Zároveň se nabídka základních desek výrazně diverzifikovala, zahrnovala totiž nejen jednoduché 8bitové jednotky, ale také rozsáhlejší, určené pro použití v zařízeních IoT, přenosných zařízeních, 3D tiskárnách a jiných, mnohem náročnějších aplikacích. Všechny desky Arduino jsou založeny na principech open source licence, která umožňuje uživatelům zhotovit je samostatně a přizpůsobit konkrétním potřebám. Také software je typu open source a je vyvíjen díky práci uživatelů po celém světě.

Proč právě Arduino?

Ještě před několika lety měl každý výrobce vyhodnocovacích desek nebo mikrokontrolérů svůj vlastní standard konektorů. Nyní se většina z nich přizpůsobuje neformálnímu „standardu“ zavedenému společností Arduino. Hlavním důvodem je zcela jistě kromě oblíbenosti samotného Arduino dostupnost velkého množství rozšiřovacích modulů, tak zvaných „shield“. Pokud jsou výstupy nabízené vyhodnocovací deskou v souladu s výstupy Arduino, má uživatel možnost volně využít obrovskou nabídku modulů pro Arduino, což umožňuje snadné, levné a rychlé získání očekávané funkčnosti prototypu. Přináší to také výhody pro výrobce vyhodnocovací desky, protože se může zaměřit na aplikaci samotného mikrokontroléru, který obklopí pouze minimální sadou spolupracujících komponentů, což umožňuje snížit její konečnou cenu.

Díky snadnému použití, dostupnosti a s ohledem na různé potřeby uživatelů můžeme mezi projekty realizovanými pomocí Arduino najít řešení mnoha problémů a realizovat téměř jakékoli zařízení. Mohou být použity přímo nebo jako referenční projekt. Software pro tvoření aplikací (Arduino IDE) je velmi snadno použitelný pro začátečníky, ale zároveň je flexibilní a poskytuje mnoho možností pro pokročilé uživatele. Může být spuštěn pod kontrolou operačních systémů Mac OS, Windows a Linux. Díky tomu je k dispozici uživatelům s různými hardwarovými preferencemi a různými finančními možnostmi.

Spočítat všechny aplikace Arduino není možné, protože je stejně populární u profesionálů jako u amatérů. Učitelé a studenti používají Arduino ke zhotovení levných měřicích přístrojů, a to nejen elektrických veličin, ale také určených pro použití při chemických a fyzikálních experimentech. Ve školách po celém světě se používá k výuce programování a robotiky. Projektanti a architekti používají Arduino k vytváření prototypů interaktivních budov, hudebníci a umělci vytvářejí jeho pomocí interaktivní umělecké instalace a experimentují s novými typy hudebních nástrojů. Pro mnoho osob je platforma Arduino klíčovým nástrojem pro učení se novým dovednostem. Může ji použít každý: děti, amatéři, umělci, programátoři, konstruktéři zařízení a mnoho dalších osob. Každý si může podle návodu krok za krokem vytvořit nějaké zařízení nebo sdílet nápady online s ostatními členy komunity Arduino.

Které Arduino si vybrat?

Pro zhotovení prototypu nebo zařízení postaveného na platformě Arduino obvykle potřebujeme základní desku vybavenou podle potřeby vhodným typem mikrokontroléru, rozšiřovací modul (shield), software Arduino IDE, USB kabel, napájecí zdroj a PC. V současné době obsahuje ekosystém různé typy Arduino s různými mikrokontroléry a obrovským počtem rozšiřujících modulů. Vzorové moduly jsou zobrazeny na obr. 1 až 3.

V závislosti na typu jsou desky Arduino vybaveny konektory – zásuvkami pro goldpiny nebo pájecími body, které lze použít nejen pro připojení desky, ale také pro její připevnění na plošném spoji embedded zařízení, pokud mikropočítač Arduino funguje jako centrální jednotka. Každá má v paměti mikrokontroléru uložený „bootloader“, který je určen k programování procesoru „in-circuit“ pomocí možností z nabídky prostředí Arduino IDE s jednoduchým výběrem.

Aktuální seznam základních desek Arduino je uveden v tabulce 1. Většina z nich používá mikrokontroléry s jádrem AVR, ale najdeme mezi nimi také procesor firmy Intel a SAM21 s jádrem ARM Cortex-M0+. Zde stojí za zmínku, že v tabulce nejsou uvedeny žádné desky vybavené procesory společnosti Espressif Systems (například populární ESP8266), které je možné také naprogramovat pomocí Arduino IDE. Při výběru desky pro konkrétní použití je třeba se řídit možnostmi osazeného mikrokontroléru. Jednotlivé jednotky se liší velikostí dostupné paměti, rychlostí jádra a vybavenosti funkčními bloky, jako jsou rozhraní, časovače, PWM generátory atd. Je také třeba věnovat pozornost výstupům desky, protože některé z nich nemají konektory, ale jsou určeny pro pájení.

Arduino Nano, Arduino Uno a další

Cenově dostupné desky a bezplatné vývojové prostředí Arduino jsou velmi dobrou alternativou k mnoha vyhodnocovacím platformám dostupným v obchodě a nabízeným např. výrobci mikrokontrolérů. Dostupnost dokumentace a otevřené zdroje umožňují samostatnou úpravu platformy a její přizpůsobení vlastním potřebám. Hotové desky Arduino jsou dostupné za přijatelnou cenu. Dobrým výchozím bodem pro začátečníky je Arduino Uno. Bylo vybaveno typickým USB konektorem, s jehož pomocí lze propojit desku s počítačem a snadno přenášet software jediným kliknutím. Mikrokontrolér ATmega328, jenž je namontovaný na desce, má dostatek paměti a hardwaru pro realizaci mnoha kontrolních a řídicích aplikací. Taktovací frekvence jádra činí 16 MHz, což poskytuje strojový cyklus s dobou trvání 62,5 ns a jádro AVR použité v mikrokontroléru provádí většinu pokynů v jednom strojovém cyklu. Postupným získáváním zkušeností a praxe můžete volit i jiné varianty, jako jsou např. Arduino Due, Mega 2560 a jiné. Rozhodně stojí za to věnovat pozornost zejména modelu Arduino Nano, což je miniaturizovaná verze větších systémů, která neobsahuje např. stabilizátor napětí a plnohodnotný port USB. Arduino Nano je však vybaveno stejným 8bitovým procesorem jako deska Uno, avšak v působivě zmenšené velikosti. V případě řady Nano je rozměr PCB 18 × 45 mm! Důležité je, že navzdory změně hardwaru stále používáte stejné vývojové prostředí.

Mikrokontrolér je obvykle programován pomocí rozhraní USB. Pro správnou spolupráci rozhraní USB Arduino s používaným operačním systémem je nutný vhodný ovladač, který bude nainstalován operačním systémem po připojení desky a přihlášení startovacího softwaru mikrokontroléru, takzvaného „bootloaderu“. Původně bylo Arduino IDE napsáno pro Windows, proto je většina bootloaderů dostupná pro Windows a jen některé z nich jsou přizpůsobeny pro jiné operační systémy. Při práci na počítači vybaveném MacOS nebo Linuxem určitě stojí za to zkontrolovat před rozhodnutím o koupi základní desky Arduino, zda je kompatibilní se systémem, který používáte.

Nakonec stojí za zmínku webové stránky uživatelů Arduino (www.arduino.cc). Najdete zde aktuální verze programů, mnoho aplikací, uživatelské fórum a znalostní bázi. Jsou zde také dostupná schémata a elektrické parametry desek Arduino, popisy a specifikace parametrů, včetně popisu Arduino Uno R3 (obr. 4), které je doporučováno pro začátečníky. V naší nabídce [1] naleznete řadu rozšiřujících modulů, zatímco mnoho příkladů aplikací je k dispozici na dalších webových stránkách. Můžete je nalézt pomocí vyhledávačů nebo diskusních skupin věnovaných programování a elektronice.

Článek v plném znění a další informace jsou uvedeny na stránkách společnosti TME [1].

ODKAZ