Как программируют Arduino

Arduino — это про­грам­ми­ру­е­мый мик­ро­кон­трол­лер, кото­рый мож­но исполь­зо­вать в робо­то­тех­ни­ке, умном доме и вооб­ще запро­грам­ми­ро­вать его как угод­но: что­бы он кор­мил кота, поли­вал рас­те­ния, пре­ду­пре­ждал вас о при­бли­же­нии вра­гов или откры­вал две­ри с помо­щью маг­нит­но­го клю­ча. У нас есть под­бор­ка 10 инте­рес­ных вещей, кото­рые мож­но сде­лать на этой плат­фор­ме. Теперь вре­мя разо­брать­ся, как про­грам­ми­сты с ней рабо­та­ют.

Язык Arduino

Если опыт­ный про­грам­мист посмот­рит на код для Arduino, он ска­жет, что это код на C++. Это неда­ле­ко от исти­ны: основ­ная логи­ка Арду­и­но реа­ли­зо­ва­на на C++, а свер­ху на неё надет фрейм­ворк Wiring, кото­рый отве­ча­ет за обще­ние с желе­зом.

На это есть несколь­ко при­чин:

  1. У С++ сла­ва «слиш­ком слож­но­го язы­ка». Arduino пози­ци­о­ни­ру­ет­ся как мик­ро­кон­трол­ле­ры и робо­то­тех­ни­ка для начи­на­ю­щих, а начи­на­ю­щим ино­гда труд­но объ­яс­нить, что С++ не такой уж слож­ный для стар­та. Про­ще сде­лать фрейм­ворк и назвать его отдель­ным язы­ком.
  2. В чистом С++ нет удоб­ных команд для AVR-контроллеров, поэто­му нужен был инстру­мент, кото­рый возь­мёт на себя все слож­ные функ­ции, а на выхо­де даст про­грам­ми­сту часто исполь­зу­е­мые коман­ды.
  3. Раз­ра­бот­чи­ки дали про­грам­ми­стам про­сто писать нуж­ные им про­грам­мы, а все слу­жеб­ные коман­ды, необ­хо­ди­мые для пра­виль­но­го оформ­ле­ния кода на С++, взя­ла на себя спе­ци­аль­ная сре­да раз­ра­бот­ки.

Сре­да раз­ра­бот­ки (IDE) Arduino.

Подготовка и бесконечность

В любой про­грам­ме для Arduino есть две прин­ци­пи­аль­ные части: под­го­то­ви­тель­ная часть и основ­ной цикл.

В под­го­то­ви­тель­ной части вы гово­ри­те желе­зу, чего от вас ожи­дать: какие пор­ты настро­ить на вход, какие на выход, что у вас как назы­ва­ет­ся. Напри­мер, если у вас дат­чик под­клю­чён ко вхо­ду 10, а лам­поч­ка к выхо­ду 3, то вы може­те обо­звать эти вхо­ды и выхо­ды как вам удоб­но, а даль­ше в коде обра­щать­ся не к деся­то­му вхо­ду и тре­тье­му выхо­ду, а по-человечески: к дат­чи­ку или лам­поч­ке. Вся часть с под­го­тов­кой выпол­ня­ет­ся один раз при стар­те кон­трол­ле­ра. Кон­трол­лер всё запо­ми­на­ет и пере­хо­дит в основ­ной цикл.

Основ­ной цикл — это то, что про­ис­хо­дит в функ­ции loop(). Арду­и­но берёт отту­да коман­ды и выпол­ня­ет их под­ряд. Как толь­ко коман­ды закон­чи­лись, он воз­вра­ща­ет­ся в нача­ло цик­ла и повто­ря­ет всё. И так до бес­ко­неч­но­сти.

В основ­ном цик­ле мы опи­сы­ва­ем все полез­ные вещи, кото­рые дол­жен делать кон­трол­лер: счи­ты­вать дан­ные, мигать лам­па­ми, включать-выключать мото­ры, кор­мить кота и т. д.

Что можно и чего нельзя

Арду­и­но рабо­та­ет на одно­ядер­ном и не шиб­ко шуст­ром про­цес­со­ре. Его так­то­вая часто­та — 16 мега­герц, то есть 16 мил­ли­о­нов про­цес­сор­ных опе­ра­ций в секун­ду. Это не очень быст­ро, плюс ядро толь­ко одно, и оно испол­ня­ет одну коман­ду за дру­гой.

Вот какие огра­ни­че­ния это на нас накла­ды­ва­ет.

Нет насто­я­щей мно­го­за­дач­но­сти. Мож­но симу­ли­ро­вать мно­го­за­дач­ность с помо­щью при­ё­ма Protothreading, но это ско­рее костыль. Нель­зя, напри­мер, ска­зать: «Когда нажмёт­ся такая-то кноп­ка — сде­лай так». Вме­сто это­го при­дёт­ся в основ­ном цик­ле писать про­вер­ку: «А эта кноп­ка нажа­та? Если да, то...»

Нет поня­тия фай­лов (без допол­ни­тель­ных при­мо­чек, биб­лио­тек и желе­за). На кон­трол­лер нель­зя ниче­го сохра­нить, кро­ме управ­ля­ю­щей им про­грам­мы. К сча­стью, есть пла­ты рас­ши­ре­ния, кото­рые поз­во­ля­ют немнож­ко рабо­тать с фай­ла­ми на SD-карточках.

Ана­ло­гич­но с сетью: без допол­ни­тель­ных плат и биб­лио­тек Арду­и­но не может ни с чем общать­ся (кро­ме как включать-выключать элек­три­че­ство на сво­их выхо­дах).

Полег­че со слож­ной мате­ма­ти­кой: если вам нуж­но что-то слож­ное типа три­го­но­мет­ри­че­ских функ­ций, будь­те гото­вы к тому, что Арду­и­но будет счи­тать их доволь­но мед­лен­но. Для вас это одна строч­ка кода, а для Арду­и­но это тыся­чи опе­ра­ций под капо­том. Поща­ди­те.

Отчё­ты? Ошиб­ки? Толь­ко при ком­пи­ля­ции. У Арду­и­но нет встро­ен­ных средств сооб­щить вам, что ему нехо­ро­шо. Если он завис, он не пока­жет окно ошиб­ки: во-первых, у него нет гра­фи­че­ско­го интер­фей­са, во-вторых — экра­на. Если хоти­те систе­му оши­бок или отчёт­ность, пиши­те её 🙂

Если серьёз­но, то перед зали­вом про­грам­мы на кон­трол­лер ком­пи­ля­тор про­ве­рит код и най­дёт в нём опе­чат­ки или про­бле­мы с типа­ми дан­ных. Но на этом всё: если у вас слу­чай­но полу­чи­лась бес­ко­неч­ная пет­ля в коде или при каких-то обсто­я­тель­ствах вы пове­си­те про­цес­сор деле­ни­ем на ноль — жми­те пере­за­груз­ку и исправ­ляй­те код.

И всё же

Арду­и­но — это кайф: вы с помо­щью кода може­те управ­лять физи­че­ским миром, мото­ра­ми, лам­па­ми и элек­тро­де­та­ля­ми. Мож­но создать умную розет­ку; мож­но собрать умный замок для сей­фа; мож­но сде­лать детек­тор влаж­но­сти поч­вы, кото­рый будет вклю­чать авто­ма­ти­че­ский полив. И всё это — на доволь­но понят­ном, чита­е­мом и ком­пакт­ном язы­ке C++, на кото­рый свер­ху ещё наде­та удоб­ная биб­лио­те­ка для желе­за. Пре­крас­ный спо­соб про­ве­сти выход­ные.

Какие ещё языки используют для Arduino

Но чу! Под Arduino мож­но писать и на дру­гих язы­ках!

С. Как и С++, Си лег­ко мож­но исполь­зо­вать для про­грам­ми­ро­ва­ния мик­ро­кон­трол­ле­ров Arduino. Толь­ко если С++ не тре­бу­ет ника­ких допол­ни­тель­ных про­грамм, то для С вам пона­до­бит­ся WinAVR, что­бы пра­виль­но пере­ве­сти код в язык, понят­ный кон­трол­ле­рам AVR.

Python. Было бы стран­но, если бы тако­му уни­вер­саль­но­му язы­ку не нашлось при­ме­не­ния в робо­то­тех­ни­ке. Берё­те биб­лио­те­ки PySerial и vPython, при­кру­чи­ва­е­те их к Python и гото­во!

Java. Прин­цип такой же, как в Python: берё­те биб­лио­те­ки для рабо­ты с пор­та­ми и кон­трол­ле­ра­ми и мож­но начи­нать про­грам­ми­ро­вать.

HTML. Это, конеч­но, совсем экзо­ти­ка, но есть про­ек­ты, кото­рые застав­ля­ют HTML-код рабо­тать на Arduino.

А вооб­ще Arduino рабо­та­ет на кон­трол­ле­рах AVR, и про­шить их мож­но любым кодом, кото­рый ском­пи­ли­ро­ван под это желе­зо. Всё, что вам нуж­но — най­ти биб­лио­те­ку для ваше­го люби­мо­го язы­ка, кото­рая пре­об­ра­зу­ет нуж­ные коман­ды в машин­ный код для AVR.

Главное — алгоритмы
Любой робот — это один боль­шой алго­ритм. Что­бы научить­ся думать как про­грам­мист и писать свои алго­рит­мы с нуля, при­хо­ди­те в Прак­ти­кум.