Il cuore di Arduino: Un sistema di sviluppo basato su microcontrollore Atmel AVR - Paolo Paolucci
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Il documento descrive il sistema di sviluppo Arduino basato sul microcontrollore Atmel AVR, evidenziando la sua architettura, l'ambiente di sviluppo integrato (IDE), le caratteristiche dell'Arduino Uno e del microcontrollore Atmega328P. Viene spiegato il linguaggio di programmazione utilizzato, le istruzioni di base per il controllo dei pin e le funzioni avanzate per la gestione delle comunicazioni e degli input/output. Inoltre, si discutono le modalità di implementazione di circuiti e la programmazione di sketch per applicazioni pratiche.
Il cuore di Arduino: Un sistema di sviluppo basato su microcontrollore Atmel AVR - Paolo Paolucci
- 1. Un sistema di sviluppo basato su microcontrollore Atmel AVR PaoloP http://forum.arduino.cc/index.php?action=profile;u=58300
- 2. Argomenti Architettura generale dei microcontrollori Ambiente di sviluppo integrato Caratteristiche e elementi di Arduino UNO Principali caratteristiche del ATmega328P Concetti di porte e pin del microcontrollore Istruzioni per comandare i pin del microcontrollore
- 3. Il Team Arduino Martino – Mellis – Cuartielles – Igoe – Banzi
- 4. Arduino con interfaccia RS-232 Il primo prototipo funzionante di Arduino Il prototipo “zero” di Arduino, “quando ancora si chiamava Programma 2003”
- 5. Arduino NG (Nuova Generazione) Arduino Duemilanove
- 6. Arduino Uno Arduino Uno R3 http://arduino.cc/en/Main/Products
- 7. Cos’è Arduino? Piattaforma di sviluppo open source Open Source Hardware Open Source Software Economica e facilmente reperibile Espandibile tramite «shield»
- 10. Sistema di espansione a shield
- 12. Prima di Arduino… Computer • Software • Eclipse • AVR Studio 4 •Porte • Serial • Parallel • USB Programmatore • Interfaccia • JTAG/ICE • ISP •Programmatore • Bit-Bang • ICSP • AVRISP Mk II Microcontrollore • Versione •DIP •SOIC •QFN •Funzioni •ADC/DAC •PWM •USB
- 13. Arduino Uno R3 LED Connettore USB Jack Alimentazione Connettori Pin DigitaliPulsante di Riavvio Microcontrollore AVR ATmega328P Connettori Pin Analogici Connettori alimentazione Convertitore USB-Seriale
- 14. Arduino IDE (integrated development environment) L'ambiente di sviluppo integrato Arduino rende semplice la scrittura di codice e caricarlo sulla scheda. Funziona su Windows, Mac OS X e Linux. L'ambiente è scritto in Java e basato su Processing, avr-gcc e altri software open source.
- 15. Il linguaggio di Arduino Linguaggio C/C++ Sintassi semplificata da funzioni di supporto alla programmazione Astrazione dei nomi dei pin, passaggio ai numeri Facile da imparare e potente Facilità di riutilizzo del codice C per altri progetti Librerie scritte in C/C++ Moltissimo codice di esempio (Tutorial – Playground) Moltissime librerie già pronte (GitHub – GoogleCode)
- 16. Parole chiave del C auto double int struct break else long switch case enum register typedef char extern return union const float short unsigned continue for signed void default goto sizeof volatile do if static while
- 17. Le funzioni di Arduino Digital I/O pinMode() digitalWrite() digitalRead() Analog I/O analogReference() analogRead() analogWrite() - PWM Due only analogReadResolution() analogWriteResolution() Advanced I/O tone() noTone() shiftOut() shiftIn() pulseIn() Time millis() micros() delay() delayMicroseconds() Math min() max() abs() constrain() map() pow() sqrt() Trigonometry sin() cos() tan() Random Numbers randomSeed() random() Bits and Bytes lowByte() highByte() bitRead() bitWrite() bitSet() bitClear() bit() External Interrupts attachInterrupt() detachInterrupt() Interrupts interrupts() noInterrupts() Communication Serial Stream USB (Leonardo and Due only) Keyboard Mouse
- 18. http://it.wikipedia.org/wiki/Microcontrollore Microcontrollore In elettronica digitale il microcontrollore o microcontroller o MCU (MicroController Unit) è un dispositivo elettronico integrato su singolo chip, nato come evoluzione alternativa al Microprocessore ed utilizzato generalmente in sistemi embedded ovvero per applicazioni specifiche di controllo digitale. ANALOG INPUTS
- 19. AVR Sviluppati da Atmel nel 1996 Famiglia di Microcontrollori RISC (reduced instruction set computer) Istruzioni a lunghezza fissa, accesso alla memoria di tipo load-store con 32 registri general-purpose Pipeline a due stadi per velocizzare l’esecuzione Esecuzione della maggior parte delle istruzioni in un solo ciclo di clock Fino a 12 volte più veloce di una architettura standard CISC Architettura Harvard
- 20. http://it.wikipedia.org/wiki/Architettura_di_von_Neumann Architettura Von Neumann
- 21. http://it.wikipedia.org/wiki/Architettura_Harvard Architettura Harvard Surveyor SRV-1 Blackfin Robot
- 22. AVR Memoria Flash programmabile, RAM, EEPROM interne Sistema di programmazione interno (ISP) Varietà di periferiche: I/O digitali, ADC, Timer, UART, RTC timer, pulse width modulator (PWM)… Funzionamento fino a 20MHz Ampia gamma di tensioni di funzionamento: da 1.8 V a 6.0 V. Package variabile da 8 pin fino a 64 pin Famiglie ATtiny25-45-85, ATtiny24-44-84, ATtiny2313-4313 ... ATmega88, ATmega168, ATmega328P ...
- 23. Atmel ATmega328P Versione PDIP Plastic Dual In-line Package Versione SMD Surface-Mount Device
- 26. Tensione di lavoro dei pin I Microcontrollori sono fondamentalmente dei dispositivi digitali dove l’informazione è ‘codificata’ in due stati discreti: HIGH or LOW (stato logici: 1 oppure 0) Tensioni 5 V (per HIGH) 0 V (per LOW) 3.3 V (per HIGH) 0 V (per LOW)
- 28. Porte e Pin del Microcontrollore Costituiscono il canale di comunicazione del flusso di informazioni da e per il microcontrollore Es. PORTB • Pins PB0 – PB7 • Possono non essere contigui • Spesso sono bidirezionali
- 29. Schema a blocchi - Architettura interna ATmega328
- 32. Periferiche interne • Memoria Flash • Memoria RAM • Memoria EEPROM • WatchDog Timer • Interfaccia Seriale • Interfaccia SPI • Interfaccia I2C • Convertitore Analogico – Digitale • Timers • Porte/Pin
- 34. Direzione dei dati nelle Porte e Pin Input Quando si prendono le informazioni dal mondo esterno (sensori) verso la MCU Output Quando si invia un segnale per cambiare lo stato di un qualcosa di esterno alla MCU (accendere o spegnere un led, un motore, etc.) all’accensione o al Reset i pin sono impostati di default come input da programma è possibile cambiare la direzione e lo stato dei pin in qualsiasi momento ogni porta I/O ha associati dei registri di memoria
- 35. Registri di memoria I/O SREG: Status Register SP: Stack Pointer Register GIMSK: General Interrupt Mask Register GIFR: General Interrupt Flag Register MCUCR: MCU General Control Register MCUSR: MCU Status Register TCNTO: Timer/Counter 0 Register TCCR0A: Timer/Counter 0 Control Register A TCCR0B: Timer/Counter 0 Control Register B OCR0A: Timer/Counter 0 Output Compare Register A OCR0B: Timer/Counter 0 Output Compare Register B TIMSK0: Timer/Counter 0 Interrupt Mask Register TIFR0: Timer/Counter 0 Interrupt Flag Register EEAR: EEPROM Address Register • EEDR: EEPROM Data Register • EECR: EEPROM Control Register • PORTB: PortB Data Register • DDRB: PortB Data Direction Register • PINB: Input Pins on PortB • PORTD: PortD Data Register • DDRD: PortD Data Direction Register • PIND: Input Pins on PortD • SPI I/O Data Register • SPI Status Register • SPI Control Register • UART I/O Data Register • UART Status Register • UART Control Register • UART Baud Rate Register • ACSR: Analog Comparator Control and Status Register Nell'architettura dei calcolatori un registro è una piccola parte di memoria utilizzata per velocizzare l'esecuzione dei programmi fornendo un accesso rapido ai valori usati più frequentemente, tipicamente, i valori correntemente in uso in una determinata parte di un calcolo. La maggior parte delle moderne architetture dei computer (RISC, o più genericamente "architetture load-store") è basata su un'architettura a pipeline che trae beneficio dal limitare l'accesso in memoria alle sole istruzioni load e store, utilizzando soltanto registri e costanti per l'esecuzione di tutte le altre istruzioni.
- 36. Registri della Porta B PORTB: PortB Data Register DDRB: PortB Data Direction Register PINB: Pins Input on PortB Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
- 37. Registri di una Porta Ciascuna Porta I/O ha associati 3 registri: 1. DDRx (dove “x” è A, B, C…) Data Direction Register Port x Determina quali pin della porta sono input (0) e quali sono output (1) DDRB = 0x02; /* imposta il secondo pin della porta B come output” */ 2. PORTx Port Driver Register PORTB = 0x02; /* imposta il secondo pin della porta a livello alto e azzera gli altri */ 3. PINx Port Pins Registers Legge contemporaneamente lo stato di tutti e 8 i pin della porta unsigned short int x; x = PINB; /* Scrive lo stato della porta B nella variabile x */
- 38. Pilotare un LED (blink) #include <avr/io.h> #include <avr/delay.h> int main(void) { DDRB = (1<<DDRB5); PORTB = (1<<PORTB5); while(1) { _delay_ms( 3000); PORTB = b00000000; _delay_ms( 3000); PORTB = b00010000; } return 0; } ATmega 328P stand-alone
- 39. Struttura di UNO sketch Un programma su Arduino == ‘sketch’ Deve obbligatoriamente avere: setup() loop() setup() Configura il modo dei pin loop() Corpo principale del programma impostato come ciclo infinito Come un while(1) {…} Dov’è la funzione main() ? /* Blink Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly. This example code is in the public domain. */ int led = 13; // the setup routine runs once when you press reset: void setup() { // initialize the digital pin as an output. pinMode(led, OUTPUT); } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { digitalWrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalWrite(led, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW delay(1000); // wait for a second }
- 40. MAIN.cpp #include <Arduino.h> int main(void) { init(); #if defined(USBCON) USBDevice.attach(); #endif setup(); for (;;) { loop(); if (serialEventRun) serialEventRun(); } return 0; } Semplificazioni dell’IDE nasconde: Main.cpp Prototipi delle funzioni Gestione degli #include
- 41. Impostare la direzione di un pin Con Arduino IDE pinMode(pin_no., dir) Es. impostare il pin 3 di Arduino (PD3) come uscita pinMode(3, OUTPUT); Nota: un pin alla volta Supponiamo di voler impostare i pin 3, 5 e 7 (PD3, PD5 e PD7) come uscite. Come possiamo fare?
- 42. Esempio 1 Arduino IDE Registri Impostare i pin 3, 5 e 7 (PD3, PD5 e PD7) come uscite pinMode(3, OUTPUT); pinMode(5, OUTPUT); pinMode(7, OUTPUT); DDRD = 0b10101000; or DDRD = 0xA8; or DDRD | = 1<<PD7 | 1<<PD5 | 1<<PD3;
- 43. PINMODE() void pinMode (uint8_t pin, uint8_t mode) { uint8_t bit = digitalPinToBitMask(pin); uint8_t port = digitalPinToPort(pin); volatile uint8_t *reg, *out; if (port == NOT_A_PIN) return; // JWS: can I let the optimizer do this? reg = portModeRegister(port); out = portOutputRegister(port); if (mode == INPUT) { uint8_t oldSREG = SREG; cli(); *reg &= ~bit; *out &= ~bit; SREG = oldSREG; } else if (mode == INPUT_PULLUP) { uint8_t oldSREG = SREG; cli(); *reg &= ~bit; *out |= bit; SREG = oldSREG; } else { uint8_t oldSREG = SREG; cli(); *reg |= bit; SREG = oldSREG; } }
- 44. Uso di un pin per accendere un LED Accendiamo un LED connesso al pin 7 di Arduino (PD7) (occhio alla resistenza!) Come si deve impostare la direzione del pin 7 (PD7)? pinMode(__, ______); Accendiamo il LED digitalWrite(7, HIGH); Spegniamo il LED digitalWrite(7, LOW); ATmega328 Arduino pin 7 (PD7)
- 45. Esempio 2 Arduino Registri Impostare i pin 0 e 1 (PD0 e PD1) come uscite con un livello del segnale ALTO pinMode(0, OUTPUT); pinMode(1, OUTPUT); digitalWrite(0, HIGH); digitalWrite(1, HIGH); DDRD = b00000011; PORTD = b00000011; o DDRD = 0x03; PORTD = 0x03; oppure DDRD | = 1<<PD1 | 1<<PD0; PORTD | = 1<<PD1 | 1<<PD0;
- 46. Digitalwrite() void digitalWrite (uint8_t pin, uint8_t val) { uint8_t timer = digitalPinToTimer(pin); uint8_t bit = digitalPinToBitMask(pin); uint8_t port = digitalPinToPort(pin); volatile uint8_t *out; if (port == NOT_A_PIN) return; // If the pin that support PWM output, we need to turn it off // before doing a digital write. if (timer != NOT_ON_TIMER) turnOffPWM(timer); out = portOutputRegister(port); uint8_t oldSREG = SREG; cli(); if (val == LOW) { *out &= ~bit; } else { *out |= bit; } SREG = oldSREG; }
- 47. PIN, sensori e resistenze di pull-up - 1 Usiamo un pulsante come sensore Vogliamo leggere lo stato del pulsante Qual è la direzione da attribuire al pin 3 di Arduino (PD3)? pinMode(__, ______); Qual è la tensione sul pin PD3 quanto il contatto è chiuso? Qual è la tensione sul pin PD3 quanto il contatto è aperto? Indeterminata! ATmega328 Arduino pin 3 (PD3)
- 48. PIN, sensori e resistenze di pull-up - 2 Forniamo una tensione sul pin PD3 per determinare lo stato attivando la resistenza di pull-up Impostiamo PD3 come input-pullup: pinMode(3, INPUT); digitalWrite(3 ,HIGH); oppure pinMode(3, INPUT_PULLUP); Che tensione leggero sul pin PD3 quanto il pulsante è aperto? VTG Che tensione leggero sul pin PD3 quanto il pulsante è chiuso? GND ATmega328 PD3 VTG= +5V 0 1
- 49. PIN, sensori e resistenze di pull-up - 3 Spegniamo la resistenza di pull-up Dopo aver impostato PD3 come input: pinMode(3, INPUT); ……. digitalWrite(3, LOW); ATmega328 PD3 VTG= +5V 0 1
- 50. PIN, sensori e resistenze di pull-up - 4 ‘Weak Drive’ Settando il pin come input e attivando la resistenza di pull-up interna la corrente in uscita dal pin è debole. Il valore tipico delle resistenze di pull-up per l’ATmega328 è tra i 20 e 50 kΩ ATmega328 PD3 VTG= +5V 0 1 iweak
- 51. Esempio 3 Arduino Registri Impostare i pin 0 e 1 (PD0 e PD1) come ingresso attivando la resistenza di pull-up pinMode(0, INPUT); pinMode(1, INPUT); digitalWrite(0, HIGH); digitalWrite(1, HIGH); DDRD = 0; // all PORTD pins inputs PORTD = b00000011; o PORTD = 0x03; oppure DDRD & = ~(1<<PD1 | 1<<PD0); PORTD | = (1<<PD1 | 1<<PD0); oppure pinMode(0, INPUT_PULLUP); pinMode(1, INPUT_PULLUP);
- 52. Risorse www.arduino.cc www.atmel.com/avr en.wikipedia.org/wiki/Arduino camillomiller.com/arduino/leggi-online.html forum.arduino.cc
- 53. forum.arduino.cc
- 54. forum.arduino.cc