скачать книгу бесплатно
Лабораторные стенды в рамках исследований и экспериментов. Разработка на основе аппаратно-вычислительной платформы
Сергей Александрович Евдокимов
В этих трудах содержится возможности и преимущества использования платформы, используя низкоуровневый язык программирования. В частности, определяются перспективы использования микропроцессорной платформы во время учебного процесса. По результатам работы были созданы уникальные, разнообразные стенды, которые можно использовать в дальнейшем. При изучении данной книги – на практическом уровне все достаточно детализировано описывается и понятно объясняется.
Лабораторные стенды в рамках исследований и экспериментов. Разработка на основе аппаратно-вычислительной платформы
Сергей Александрович Евдокимов
© Сергей Александрович Евдокимов, 2023
ISBN 978-5-0059-8443-2
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Добро пожаловать в мир Arduino!
Изучаем низкоуровневое программирование с Arduino!
Учебная и научная литература
для инженеров и программистов
Это первое издание книги
© Сергей Евдокимов, 2023
ПРЕДИСЛОВИЕ
Плата микроконтроллера известна как небольшой компьютер, построенный на микросхеме полупроводника из оксида металла. Общим для всех типов микроконтроллеров является то, что они имеют одинаковые основные строительные части, как центральный процессор (CPU), вход/выход (I/O), память и периферийные устройства (программированные).
Микроконтроллеры приобрели большую популярность благодаря своей функциональности во всем мире, и сегодня они регулярно используются почти во всех автоматически управляемых продуктах и устройствах, таких как устройства управления, автомобильные двигатели, пульты дистанционного управления, приборы, электроинструменты, игрушки, имплантированные медицинские устройства и другие встроенные системы. Они привлекают внимание инженеров, энтузиастов и программистов и являются первым выбором для создания проектов своими руками и обучения.
Микропроцессор можно определить как тип миниатюрного электронного устройства, расположенного на материнской плате компьютера, содержащий арифметику, логику и схемы управления, необходимые для выполнения функций центрального процессора цифрового компьютера. Это важный электронный компонент компьютера, позволяющий компьютеру эффективно выполнять свои задачи. Далее его можно описать как центральный процессор, интегрированный в одну интегральную микросхему, содержащую миллионы мелких компонентов, таких как резисторы, транзисторы и диоды, работающие вместе. Для имплементации преобразования сигнала с датчика и передачи метрик в веб-приложение для обработки и визуализации данных будут рассматриваться микроконтроллерные платформы Arduino и Raspberry PI, как простейшие решения для реализации. Проект Arduino был начат в 2005 году. Цель заключалась в том, чтобы использовать его как инструмент для студентов Института проектирования взаимодействия Ивреа, Италия. Другим мотивом нужно взять простой и недорогой способ для начинающих и профессионалов создавать такие устройства, взаимодействующие с окружающею средой с помощью датчиков и приводов.
Arduino известен своим простым инструментом для создания прототипов электроники с аппаратным и программным обеспечением с открытым кодом. Arduino – это тип платы для разработки микроконтроллеров, который используется для многих целей, таких как прием входных данных от кнопок, мигание светодиодов, обработка данных из датчиков, управление двигателями и многие другие задачи, связанные с «микроконтроллером». «Arduino UNO» является одной из самых распространенных плат Arduino, доступных на рынке. Это плата микроконтроллера с открытым кодом, основанная на микроконтроллере ATmega328P и разработанная Arduino.cc. Здесь открытый исходный код означает, что файлы дизайна и исходный код для программного обеспечения и библиотек доступны, поэтому любой, кто интересуется программированием, может бесплатно использовать их как справочник для создания плат Arduino. Плата оснащена наборами контактов цифрового и аналогового входа/вывода (I/O), которые можно сочетать с разными платами расширения (щитами) и другими схемами.
Одной из областей применения компьютерных технологий есть лабораторные исследования, в которых персональный компьютер (ПК) используется для автоматизации проведения физического эксперимента и обработки полученных данных. Используя вычислительные мощности ПК можно в кратчайшие сроки, снимать и обрабатывать большие массивы получаемых данных с помощью различных датчиков.
Arduino – это платформа для создания устройств на основе микроконтроллеров, в интегрированной среде Arduino IDE на низкоуровневом языке программирования. Трудно даже перечислить все возможности платформы Arduino, потому что возможности ограничены всего лишь только воображением. Можно использовать Arduino для любой системы управления, добавив датчики, динамики, дополнительные модули (платы расширения), приводы, и прибавочные микросхемы. Используя Arduino, представляется возможность для реализации почти любых идей.
Основная цель работы – разработать экспериментальные стенды:
1. Разноцветный стенд на RGB: «Семь цветов радуги».
2. Универсальный стенд для ЦОС датчиков.
3. Учебный звуковой стенд: «В реальном времени».
4.Специализированный цифровой стенд для измерения температуры и влажности.
Объект исследования: лабораторные стенды на Arduino Uno
Предмет исследования – аппаратно-вычислительная платформа Arduino.
Исходя из цели исследования были выделены следующие цели и задачи работы:
– создать программу к проекту на сосновой Arduino IDE;
– подключить аппаратную часть стенда;
– проанализировать работу, поиск возможных усовершенствований;
– сформировать выводы и рекомендации.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ОБОЗНАЧЕНИЕ И СОКРАЩЕНИЕ
ИТ – Информационные технологии;
МК – Микроконтроллер;
МП – Микропроцесор;
ОС – Операционная система;
OS – Operating System;
ПЗ – Программное обеспечение;
СНГ – Содружество независимых государств;
БД – База данных;
ПК – Персональный компьютер;
ПО – Программное обеспечение;
НП – Низкоуровневое программирование;
ПЗУ – Постоянное запоминающее устройство;
ЦОС – Цифровая обработка сигнала;
ПЦОС – Процессор цифровой обработки сигналов;
БИС— Большая Интегральной Схема;
ЦАП – Цифро-аналоговый преобразователь;
ФНЧ – Фильтры нижних частот;
RGB – Red Grey Blue;
DHT – Digital Temperature And Humidity Sensor
COM – COMmunication;
LDA – Latent Dirichlet Allocation;
VCC – Voltage of the CirCuit;
TV – TeleVision;
DVD – Digital Video Disc;
USB – Universal Serial Bus;
ШИМ – Широтно-импульсная модуляция;
I2C – Inter-Integrated Circuit, eye-squared-C;
SPI – Serial Peripheral Interface;
CAN – Controller Area Network;
UART – Universal asynchronous receiver-transmitter;
NC – Numerical control;
LPT – Line Print Terminal;
AVR – Alf and Vegard’s RISC processor;
DSP – Digital Signal Processor;
SSD – Seven segment displays;
SMS – Short Message Service;
Рис. – Рисунок;
ИК – Инфо-красный (а);
Табл. – Таблица;
др. – другие;
т. д. – так далее;
т.е. – то есть;
англ. – английский;
см. – смотреть;
В —Вольт;
Вт – Ватт;
стр. – страница;
ок. – октава;
шт. – штука (штук).
РАЗДЕЛ 1. Описание предметной области
1.1. Ведение в Arduino
Arduino – это платформа (физическая) с открытым функционалом и кодом, основывается на плате ввод-вывод и среде разработки, использующей низкоуровневый (машинный) язык. Arduino имеет много возможностей, его можно применять для создания самостоятельных объектов и разработок интерактивных субъектов или можно связать с программами на ПК (Например: Processing, Flash, VVVV). Такие платы можно собирать самостоятельно или покупать уже собранными. Среди главных причин чтобы использовать Arduino следующие:
– многоплатформенная среда, которая имеет возможность работать на ОС Windows, и на ОС Linux, и Macintosh;
– основывается на языке Arduino C++ (или Arduino Sketches);
– удобная и простая в использовании среда разработки применяется дизайнерами и художниками;
– программирование устройства осуществляется не с помощью последовательный порт, а через USB-интерфейс. Так как последовательный порт отсутствует в большинстве компьютеров современности, это можно считать как дополнительное удобство.
– Устройство можно назвать «открытым», так как, если есть нужда, чтобы скачать на сайте, или необходимую микросхему, получить все необходимые элементы, чтобы спаять самостоятельно, сами создатели Arduino ничего с этого не имеют;
– «Hardware», с которого содержится плата Arduino, дешево, так как полностью вся USB-плата по ценовой политике на 2023 год, около 10€, а для замены испорченого чипа пользователю придется отдать где-то около 2,5 евро. Поэтому есть такая возможность недорогой замены комплектующих и выгодной эксплуатации созданых устройств на Arduino;
– существует много официальных и неофициальных сообществ активных пользователей, поэтому хватает людей, что имею возможность оказывать соответствующую помощь;
– изначально проект Arduino создавался в среде университета, тому он очень хорошо подойдёт для новичков, что хотят быстро заставить функционировать задуманные устройства;
Arduino состоит из двух основных компонентов: млат, с которой работает пользователь при создании собственных прототипов, и интегрированной (роды разработки (IDE) – программного обеспечения, установленного на компьютере. Интегрированная среда разработки используется для создания программных модулей. То есть мы будем регулировать функцию каждого необходимого параметра и получать нужный цвет на выходе, как будто это палитра художника или словно вы настраиваете частоты на своем плеере. Для этого можно использовать сменные резисторы. В результате чего, схема оказывается довольно-таки сложной. Но такая платфорама как Arduino даёт возможность использовать разные функции и свойства. Если задействовать на плате необходимые нам контакты, можно регулировать напряжение, подаваемое на Arduino. Именно программный модуль говорит о плате, что нужно делать.
В первую очередь, Arduino Integrated Development Environment – это интегрированная среда разработк (кроссплатформеное программное обеспечение для пользователей ОС Windows, Linux и macOS, созданое в функциях C и C++. Он используется для записи и записи программ с совместимыми с Arduino досками, но также с помощью посторонних мостов, других комитетов по развитию.
На Arduino IDE исходный код выпущен на публичной лицензии типа GNU Arduino IDE поддерживает языки C и C++ с помощью специальных правил кодировки. Идентификатор Ardeino IDE обеспечивает библиотеку данных от проекта Wire предлагает широкий спектр практических и производственных методов. Код, назначенный только для пользователя, и требуется две основные функции чтобы запустить изображения и цикла основной программы, состоящие совместно с цепочкой инструментов GNU, а также другой, входящей в дистрибутиве IDE. Также, используется программное обеспечение avrdude для преобразования кода действия, который может быть преобразован в текстовый файл в шестнадцатеричный код, вставленный в плату Arduino в программе загрузки компании. При прикосновении avrdude используется как инструмент фильтра для генерации пользовательского кода для планшетов на досках Arduino. С ростом популярности Arduino как компьютерного устройства другие
производители начинают внедрять компактные компьютеры с открытым кодом и сердечники, которые могут создавать и устанавливать другие не поддерживающие MCU прямой доступ. В октябре 2019 года ассоциация Arduino вскоре выпустила новую версию под названием: «Arduino Pro», также – другие расширенные функции.
1.2. Цифровая обработка сигналов автоматизированных систем
Цифровое преобразование сигнала – это процесс выполнения разнообразных операций с одномерными и многомерными сигналами. В широком смысле, к одномерными сигналами считаются радиосигналы и телефоны, а многомерными – исследовательские изображения, рентгенограммы (медицинские), а также: данные томографии, сигналы TV, изображения молекул (электронно-микроскопические), радио-звуколокационые карты, и т. д.
В технических кругах значение такого понятия как «Сигнал» (с англ. Signal, а от лат. Signum) подразумевает техническое средство (или физический носитель), который можно использовать как для использования данных (Например: магнитный, электрический, оптический сигнал), так и в широком спектре возможностей для обращения и передачи, что являет собой физические процессы информационных сообщений – изменение определенного свойства носителей данных (частоты, мощности, интенсивности светового потока во времени, и т.д.) в пространстве и времени, учитывая изменение значений других параметров.
