Internetworking V anno

Introduzione ad Arduino

Introduzione La scheda Arduino nasce nel 2005 dall’idea di alcuni giovani ricercatori guidati da Massimo Banzi. Il loro obiettivo era quello di creare una scheda a microcontrollore a bassissimo costo, semplice da collegare e programmare e nello spirito della filosofia open source. Visto il successo del progetto, molte aziende si sono dedicate alla realizzazione e alla vendita di schede facilmente collegabili con le schede base per consentire la realizzazione di progetti complessi anche a persone con conoscenze elementari in campo elettronico. 3

Evoluzione e continuità Dal 2005 sono state sviluppate versioni sempre più aggiornate, in base all’evoluzione della tecnologia. Le dimensioni fisiche esterne e dei connettori non sono state modificate per consentire una compatibilità con le schede realizzate in precedenza. Per ogni nuova versione esistono schede con funzionalità ridotte o con funzionalità potenziate per andare incontro alle esigenze più varie. Le caratteristiche principali che differenziano le varie schede sono: il microcontrollore utilizzato il numero di collegamenti input/output disponibili. Esistono anche schede con forme e dimensioni diverse dagli standard. Nel 2013 il gruppo Arduino ha immesso sul mercato alcune schede che integrano moduli specifici per semplificare le comunicazioni con altri dispositivi (Ethernet, WiFi, Bluetooth). 4

Caratteristiche Le caratteristiche comuni a tutte le tipologie di schede Arduino sono: • alimentazione esterna fino a 9V (consigliati non più di 7V) o tramite porta USB (5V). Alcune schede prevedono una tensione massima di 3,3V; • collegamento al PC tramite porta USB; • linguaggio di programmazione C-like; • collegamenti ingresso/uscita completamente configurabili; • software compatibile con tutti i principali sistemi operativi. 5

Software Il software per la programmazione e l’interfacciamento delle schede è disponibile per i principali sistemi operativi (Windows, Linux, MacOS). Per il collegamento e la programmazione sono necessari i driver specifici per la scheda utilizzata e il programma, denominato Sketch, che consente di scrivere le istruzioni, compilarle e trasferirle, tramite connessione USB, nella memoria flash della scheda. 6

Software Il linguaggio di programmazione è di tipo C-like con specifiche funzioni per configurare i connettori di ingresso e di uscita. Le due modalità di funzionamento sono: Stand alone: la scheda, dopo essere stata programmata, esegue il programma ma non è necessario alcun collegamento al computer. Il linguaggio che contiene le istruzioni per questa modalità si chiama Wiring. Connected: utilizzando un insieme di istruzioni più ricco e complesso agisce come interfaccia tra il mondo esterno e il computer a cui è collegato. Il linguaggio che contiene le istruzioni per questa modalità si chiama Programming. 7

Shield Oltre al set principale di istruzioni, esistono specifiche librerie che consentono di gestire in modo semplice alcuni tipi di sensori e attuatori e le schede aggiuntive (shield) collegabili alla scheda principale. Sono disponibili schede interfacciabili con le schede a microcontrollore. Queste schede hanno un doppio sistema di piedinatura. Nella parte inferiore presentano due file di connettori che si inseriscono nelle prese presenti sulla scheda Arduino mentre nella parte superiore si trova la riproduzione dei pin femmina presenti sulla scheda base. QUESTO CONSENTE DI COLLEGARE PIÙ SCHEDE IN MODO COMPATTO SENZA L’UTILIZZO DI COLLEGAMENTI ESTERNI. 8

Shield per il collegamento a sensori e attuatori Sul mercato sono disponibili anche numerose schede che servono a rendere semplice il collegamento tra la scheda Arduino, sensori e gli attuatori (led, relè, motori). In figura è riportato un esempio di sensore a ultrasuoni. Connettori adatti alla scheda Arduino, modalità di trasmissione e ricezione dei dati utilizzando programmi sviluppati appositamente (librerie), introduzioni di istruzioni specifiche per i sensori e attuatori utilizzati. Per gli attuatori le istruzioni si limitano a fornire dei dati e lo specifico shield trasforma questi dati nelle opportune correnti e tensioni adatte al dispositivo. 9

Sketch, l’ambiente di programmazione L’ambiente di programmazione è costituito dal programma Sketch (file arduino.exe), che NON richiede installazione. Quello che occorre è solo verificare dal menu Strumenti/Tipo di Arduino che il programma sia configurato per la scheda effettivamente collegata. La semplificazione della gestione di Arduino avviene grazie alla presenza del modulo bootloader che si occupa della configurazione iniziale della scheda e della comunicazione con il PC. 10

Sketch, il listato Il listato ha una configurazione che tiene conto della logica di funzionamento del microcontrollore. Poiché le istruzioni sono specifiche per la scheda e per i sensori e gli attuatori collegati, i commenti sono di aiuto fondamentale per chi deve utilizzarli e modificarli. Numerosi esempi sono utilizzabili direttamente dal programma tramite il menu File/Esempi. 11

Sketch, commenti e spiegazioni /* <commento>*/ In Commenti e spiegazione del programma sono fornite le indicazioni generali sulle funzioni svolte dal programma, sui dispositivi collegati e sulla “mappa” dei collegamenti. I commenti su più righe sono identificati con: /* <commento>*/ I commenti su una sola riga sono identificati con // <commento> 12

Sketch, dichiarazione variabili e librerie In Dichiarazione variabili e librerie sono dichiarate le variabili statiche. In questa sezione spesso i numeri dei pin della scheda sono associati a sigle che aiutano il programmatore a identificare la funzione dei piedini. Le eventuali librerie utilizzate sono richiamate tramite il comando: #include <nome libreria> 13

Sketch, sezione Setup Nella sezione SETUP avviene la configurazione: dei singoli pin (input o output), della velocità di collegamento con il PC e della finestra di dialogo (serial monitor). Fino a qui le istruzioni sono eseguite solo all’avvio dell’esecuzione, quindi una sola volta. 14

Sketch, sezione Loop Nella sezione LOOP sono presenti le istruzioni che costituiscono il vero programma della scheda e sono eseguite ciclicamente fino a quando la scheda è alimentata. 15

Sketch, altre funzionalità Dal menu a tendina sono disponibili altre funzioni che consentono di configurare il programma. Una funzione molto comoda è la possibilità di selezionare un singolo comando con il tasto destro del mouse per essere indirizzati, scegliendo l’opzione Trova, direttamente alla pagina Web con le spiegazioni e gli esempi su quel comando. Le icone presenti in alto a sinistra della schermata sono quelle normalmente utilizzate: • verifica: effettua il controllo della sintassi del listato segnalando eventuali errori. In assenza di errori genera il file eseguibile (binary file); • carica: effettua la verifica e in assenza di errori carica il programma sulla scheda Arduino nella memoria flash; • nuovo: apre una nuova sessione di sketch. 16

Sketch, nuovo listato Ogni listato si apre in una nuova finestra; • apri: effettua l’apertura di un file contenente un listato. I file hanno estensione .ino; • salva: effettua il salvataggio del listato con l’estensione .ino. Il salvataggio avviene creando una cartella il cui nome coincide con quello del programma salvato. 17

Sketch, supporto completo Sul sito e direttamente dal programma arduino.exe è possibile accedere a un’ampia raccolta di listati d’esempio con relativi schemi di collegamento perfettamente funzionanti che successivamente possono essere modificati e adattati alle proprie esigenze. Proprio per la grande quantità di documentazione disponibile, i vari esempi sono catalogati per categorie di sensori, attuatori e funzionalità utilizzati; questo consente una ricerca più rapida in base alle proprie necessità. 18

Procedure di programmazione e avvio della scheda Le fasi per l’utilizzo della scheda sono: • valutazione del tipo di ingressi e di uscite richiesti dal progetto (tipo di sensori, di attuatori, di shield aggiuntivi); • mappatura dei pin in base alle proprie esigenze; • ricerca di listati e di eventuali librerie specifiche; • stesura del programma; • verifica dei collegamenti elettrici esterni alla scheda; • collegamento al PC della scheda Arduino tramite cavo USB (sullo schermo del PC deve comparire l’avviso di riconoscimento della scheda); • compilazione e caricamento del listato; • verifica del corretto funzionamento. 19