PARLIAMO DI COME E' FATTO ARDUINO!
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| Arduino Uno REV.3 |
L'Arduino è una schedina elettronica con un microcontrollore e circuiteria di contorno, utile per creare rapidamente prototipi e per scopi hobbistici e didattici. Con Arduino si possono realizzare in maniera relativamente rapida e semplice piccoli dispositivi come controllori di luci, di velocità per motori, sensori di luce, temperatura e umidità e molti altri progetti che utilizzano sensori, attuatori e comunicazione con altri dispositivi. Arduino è fornito con un semplice ambiente di sviluppo integrato per la programmazione. Tutto il software a corredo di Arduino è libero, e gli schemi circuitali sono distribuiti come hardware libero. Dopo la sua nomina a CEO di Intel Brian Krzanich decide che la società produrrà schede Arduino dotate di processore Intel. Per la prima volta un colosso americano decide di avvicinarsi al mondo dell'open hardware.
ARCHITETTURA:
Arduino comprende una piattaforma hardware per il physical computing sviluppata presso l'Interaction Design Institute, un istituto di formazione post-dottorale con sede a Ivrea, fondato da Olivetti e Telecom Italia. Il nome della scheda deriva da quello di un bar di Ivrea (che richiama a sua volta il nome di Arduino d'Ivrea, Re d'Italia nel 1002) frequentato da alcuni dei fondatori del progetto.
Questa si basa su un circuito stampato che integra un microcontrollore con pin connessi alle porte I/O, un regolatore di tensione e quando necessario un'interfaccia USB che permette la comunicazione con il computer. A questo hardware viene affiancato un ambiente di sviluppo integrato (IDE) multipiattaforma (per Linux, Apple Macintosh e Windows). Questo software permette anche ai novizi di scrivere programmi con un linguaggio semplice e intuitivo derivato da C e C++ chiamato Wiring, liberamente scaricabile e modificabile.
Arduino può essere utilizzato per lo sviluppo di oggetti interattivi stand-alone ma può anche interagire, tramite collegamento, con software residenti su computer, come Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider, Vvvv.
La piattaforma hardware Arduino è spesso distribuita agli hobbisti in versione pre-assemblata, acquistabile in internet o in negozi specializzati. La particolarità del progetto è che le informazioni sull'hardware e soprattutto i progetti sono disponibili per chiunque: si tratta quindi di un hardware open source, distribuito nei termini della licenza Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.5. In questo modo, chi lo desideri può legalmente auto-costruirsi un clone di Arduino o derivarne una versione modificata, scaricando gratuitamente lo schema elettrico e l'elenco dei componenti elettronici necessari. Questa possibilità ha consentito lo sviluppo di prodotti Arduino compatibili da parte di piccole e medie aziende in tutto il mondo, e infatti oggi è possibile scegliere tra un'enorme quantità di schede Arduino compatibili. Ciò che accomuna questi prodotti inerenti elettronica sperimentale e sviluppo è il codice sorgente per l'ambiente di sviluppo integrato e la libreria residente che sono resi disponibili, e concessi in uso, secondo i termini legali di una licenza libera, GPLv2.
Grazie alla base software comune, ideata dai creatori del progetto, per la comunità Arduino è stato possibile sviluppare programmi per connettere a questo hardware più o meno qualsiasi oggetto elettronico, computer, sensori, display o attuatori. Dopo anni di sperimentazione è oggi possibile fruire di un database di informazioni vastissimo.
Il team di Arduino è composto da Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, e David Mellis. Il progetto prese avvio in Italia a Ivrea nel 2005, con lo scopo di rendere disponibile, a progetti di Interaction design realizzati da studenti, un dispositivo per il controllo che fosse più economico rispetto ai sistemi di prototipazione allora disponibili. I progettisti riuscirono a creare una piattaforma di semplice utilizzo ma che, al tempo stesso, permetteva una significativa riduzione dei costi rispetto ad altri prodotti disponibili sul mercato. A ottobre 2008 in tutto il mondo erano già stati venduti più di 50.000 esemplari di Arduino.
HARDWARE:
L'hardware originale Arduino è interamente realizzato in Italia dalla Smart Projects, mentre i cloni della scheda possono essere realizzati da chiunque in qualsiasi parte del mondo.
Una scheda Arduino tipica consiste in un microcontrollore a 8-bit AVR prodotto dalla Atmel, con l'aggiunta di componenti complementari per facilitarne l'incorporazione in altri circuiti. In queste schede sono usati chip della serie megaAVR - nello specifico i modelli ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 e ATmega2560.
Molte schede includono un regolatore lineare di tensione a 5 volt e un oscillatore a cristallo a 16 MHz, sebbene alcune implementazioni, come ad esempio la piccola LilyPad, abbiano un clock di 8 MHz e facciano a meno dello stabilizzatore di tensione.
VERSIONI:
Fino a oggi sono state commercializzate 14 versioni dell'hardware Arduino.
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Serial Arduino: programmata con una porta seriale DB9. Fa uso del microcontroller ATmega8
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Arduino Extreme :con interfaccia di programmazione USB, facente uso del chip ATmega8
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Arduino Mini: una versione in miniatura facente uso di un ATmega168 a montaggio superficiale
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Arduino Nan:, una versione ancora più piccola della Mini, utilizzante lo stesso controller ATmega168 SMD e alimentata tramite USB
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LilyPad Arduino: un progetto minimalista (scheda circolare dal diametro di 50mm, per circa 8mm di spessore), per applicazione su indumenti, con lo stesso ATmega168 in versione SMD
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Arduino NG: con un'interfaccia USB per programmare e usare un ATmega8
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Arduino NG plus: con interfaccia di programmazione USB, con un ATmega168
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Arduino BT: con interfaccia di programmazione Bluetooth e con un ATmega168
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Arduino Diecimila: con interfaccia di programmazione USB e con un ATmega168 in un package DIL28
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Arduino Duemilanove: facente uso del chip Atmega168 (o Atmega328 nelle versioni più recenti) e alimentata in corrente continua tramite USB, con commutazione automatica tra le sorgenti di alimentazione
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Arduino Mega: che fa uso di un ATmega1280 a montaggio superficiale per I/O e memoria addizionale.
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Arduino Uno: evoluzione della Duemilanove, con un differente chip, programmabile e più economico, dedicato alla conversione USB-seriale.
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Arduino Mega256: che fa uso di un ATmega2560 ed è un'evoluzione dell'Arduino Mega.
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Arduino Due: che fa uso di un Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU.
PROGRAMMAZIONE:
Inoltre, in alcuni casi, il microcontroller della scheda è pre-programmato con un bootloader che semplifica il caricamento dei programmi sulla memoria flash incorporata nel chip.
A livello concettuale, tutte le schede sono programmate attraverso una porta seriale RS-232, ma il modo in cui questa funzionalità è implementata nell'hardware varia da versione a versione. Le schede seriali Arduino contengono un semplice circuito inverter che permette la conversione tra il livello della RS-232 e il livello dei segnali TTL.
Le versioni attuali di Arduino sono gestite via USB: la versione Uno, utilizza un microcontrollore Atmega8U2 programmato come convertitore USB-seriale mentre le precedenti versioni Diecimila e Duemilanove usavano chip adattatori USB-seriale, come gli FT232 di FTDI. Alcune varianti, come la Arduino Mini e la versione non ufficiale Boarduino, usano una scheda o un cavo adattatore USB-seriale staccabile.
INPUT ed OUTPUT:
Per implementare il comportamento interattivo, Arduino è fornita di funzionalità di input/output (I/O), grazie alle quali essa riceve i segnali raccolti da sensori esterni. In base a tali valori, il comportamento della scheda è gestito dal microcontroller, in base alle decisioni determinate dal particolare programma in esecuzione in quel momento sulla scheda. L'interazione con l'esterno avviene attraverso attuatori pilotati dal programma attraverso i canali di output in dotazione.
A tale scopo, Arduino è dotata di molti dei connettori di input/output per microcontroller in uso su altri circuiti. Tutti i pin di I/O sono collocati sulla parte superiore della scheda, mediante connettori femmina da 0,1". Inoltre, sono disponibili commercialmente molte schede applicative plug-in, note come "shields".
Le schede Barebones e Boarduino, due cloni compatibili con la Arduino, sono dotate di connettori maschio sul lato inferiore del circuito in modo da poter essere connesse a una breadboard senza necessità di effettuare saldature.
I/O DIGITALI:
La Arduino Uno, ad esempio, che ha soppiantato la Duemilanove, offre 14 connettori per l'I/O digitale (numerati da 0 a 13). La direzione di funzionamento, input o output, è decisa dallo sketch programmato sull'IDE.
Sei dei canali I/O possono produrre segnali Pulse-width modulation (PWM). Attraverso i segnali PWM è possibile, ad esempio, regolare l'intensità di luminosità di un LED o la velocità di rotazione di un motorino elettrico. L'hardware di tre dei pin di I/O (9, 10 e 11) implementa la possibilità di gestirli direttamente attraverso la funzione analogWrite(), che permette di controllare la PWM del segnale in uscita in maniera efficiente, senza dover eseguire linee di codice appositamente predisposte. La funzione accetta due parametri, il primo dei quali è il pin pilotato mentre il secondo rappresenta l'intensità della modulazione (espressa su una scala da 0 a 255): così, ad esempio, analogWrite(9, 128) attiverà un led collegato al pin 9 al 50% della sua luminosità.
I/O ANALOGICI:
Sempre sulla Uno, sono presenti altri 6 connettori specificamente dedicati a ingressi di segnali analogici (collegati quindi ad una ADC), cioè valori di tensione letti da sensori esterni i cui valori, fino a un massimo di 5 Volt, sono convertiti in 1024 livelli discreti (da 0 a 1023). Questi 6 connettori possono essere riprogrammati (sempre dal codice dello sketch sull'IDE) per funzionare come normali entrate/uscite digitali.
ALIMENTAZIONE:
L'alimentazione della scheda può avvenire attraverso la porta USB del computer, o attraverso la maggior parte degli alimentatori USB, oppure attraverso un adattatore in corrente continua a 9 volt, con connettore cilindrico (diametro 2,1 mm e positivo centrale). In quest'ultimo caso, la scheda commuta automaticamente sull'alimentazione esterna quando il connettore dell'alimentatore esterno è inserito, mentre commuta autonomamente sull'alimentazione USB in caso di disconnessione del connettore. La Arduino-NG e la Arduino Diecimila, versioni meno recenti, necessitano di essere commutate a mano, azionando uno switch ubicato tra la porta USB e l'ingresso dell'alimentazione esterna.
ADESSO PARLIAMO DEL SOFTWARE DI ARDUINO
Il programma che viene utilizzato per programmare Arduino lo trovate nel sito ufficiale arduino.cc ed è a licenza libera!
L'ambiente di sviluppo integrato (IDE) di Arduino è un'applicazione multipiattaforma scritta in Java, ed è derivata dall'IDE creato per il linguaggio di programmazione Processing e per il progetto Wiring. È concepita per iniziare alla programmazione artisti e altri neofiti, che siano a digiuno di pratica nello sviluppo di software.
CARATTERISTICHE:
Per permettere la stesura del codice sorgente, l'IDE include un editore di testo dotato inoltre di alcune particolarità, come il syntax highlighting, il controllo delle parentesi, e l'indentazione automatica. L'editor è inoltre in grado di compilare e lanciare il programma eseguibile in una sola passata e con un solo click. In genere non vi è bisogno di creare dei Makefile o far girare programmi dalla riga di comando.
L'ambiente di sviluppo integrato di Arduino è fornito di una libreria software C/C++ chiamata "Wiring" (dall'omonimo progetto Wiring): la disponibilità della libreria rende molto più semplice implementare via software le comuni operazioni di input/output. I programmi di Arduino sono scritti in C/C++, ma all'utilizzatore, per poter creare un file eseguibile, non è richiesto di scrivere un programma in C, ma solo di definire due funzioni:
setup()
– funzione invocata una sola volta all'inizio di un programma che può essere utilizzata per i settaggi iniziali;
loop()
– funzione invocata ripetutamente, la cui esecuzione si interrompe solo con lo spegnimento della scheda.
ESEMPI:
Un tipico esempio di programma per iniziare a far pratica con un microcontroller è quello, molto semplice, che permette l'accensione ripetuta di un LED. Nell'ambiente di sviluppo di Arduino, l'utilizzatore potrebbe farlo con un programma come il seguente:
#define LED_PIN 13
void setup () {
pinMode (LED_PIN, OUTPUT); // abilita il pin 13 per l'output digitale
}
void loop () {
digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // accende il LED
delay (1000); // aspetta 1 secondo (1000 millisecondi)
digitalWrite (LED_PIN, LOW); // spegne il LED
delay (1000); // aspetta un secondo
}
Scritto in questo modo, il codice non verrebbe riconosciuto come programma valido da un compilatore C++; per questo motivo, quando l'utilizzatore seleziona il bottone di comando "Upload to I/O board" (presente nell'IDE), una copia del codice viene automaticamente trascritta in un file temporaneo con l'aggiunta di un extra include header all'inizio del codice e l'implementazione di una semplicissima funzione main() in basso:
#include "WProgram.h"
#define LED_PIN 13
void setup () {
pinMode (LED_PIN, OUTPUT); // abilita il pin 13 per l'output digitale
}
void loop () {
digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // accende il LED
delay (1000); // aspetta 1 secondo (1000 millisecondi)
digitalWrite (LED_PIN, LOW); // spegne il LED
delay (1000); // aspetta 1 secondo
}
int main(void)
{
init();
setup();
for (;;)
loop();
return 0;
}
"WProgram.h" è lo header file principale per la libreria Wiring. La funzione main()effettua solo tre chiamate, init(), setup() e loop(); le ultime due sono definite dall'utente, mentre la prima è scritta nella libreria stessa. La funzione loop(), come richiesto, è automaticamente nidificata in un loop infinito.
Lo IDE di Arduino usa la GNU toolchain e la AVR Libc per compilare i programmi, mentre usa avrdude per caricarli sulla scheda.
MINIBLOQ:
Un esempio alternativo di ambiente integrato dedicato ad Arduino (ma anche ad altre utilizzazioni) è Minibloq, distribuito con licenza libera, che mette a disposizione un particolare ambiente di sviluppo visuale per la programmazione di Arduino, robot, e altri simili dispositivi di physical computing.
Caratteristiche di Minibloq sono l'interfaccia intuitiva, e la capacità di generare il codice a partire da uno schema grafico a blocchi disegnato dall'utente. Per questa sua impostazione intuitiva, il software è indirizzato ad avvicinare principianti e neofiti alla programmazione di microcontroller, in contesti scolastici ed educativi che vanno dalla scuola primaria all'ambiente liceale.
L'applicazione, compilata con GCC, si presta a essere utilizzata anche su computer a più basse prestazioni, come netbooks, OLPC XO-1, Intel-Classmate.
