O arduino por fora

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O arduino por dentro - visão geral

• Microcontrolador: computador (processador + memória + armazenamento) + periféricos de comunicação e controle.
• Pode obter sinais de sensores, bem como enviar sinais para controlar dispositivos.
• Aqui, focaremos principalmente em alguns periféricos: GPIO, PWM/TIMER e ADC.

Datasheet

• Como saber do que um circuito integrado (CI) é capaz?
• Especificações completas do fabricante disponíveis no datasheet do CI
• Ex.: Datasheet do microcontrolador do arduino uno (660 págs.):
• O aprofundamento em tais detalhes ocorrerá conforme a necessidade...

O que o arduino tem de especial?

arduino

• Como configurar um pino para ler sinais digitais?

  unsigned char i;
  pinMode(13, INPUT); // Configura pino como entrada
  i = DigitalRead(13, 1); // Ler valor

• E usando uma abordagem mais tradicional?

  unsigned char i;
  PORTB = (1<<PB0); /* Define pull-ups and set outputs high */
  DDRB = (1<<DDB0);/* Define directions for port pins */
  __no_operation(); /* Insert nop for synchronization*/
  i = PINB; /* Read port pins */

Programando o microcontrolador

• O cérebro do arduino é um microcontrolador ATMEL ATMega328.
• O ATMega328 pode ser programado em assembly (quase linguagem de máquina) ou C (mais "humanizada")
• Dizemos que assembly é de baixo nível enquanto C é uma linguagem de alto nível.

  • Blink (Assembly):

    ; Assembly Code:
    .include   "m328Pdef.inc"
    start:
     SBI      DDRB,5
    blink:              LDI      r20,250
     CALL       delay_n_ms
     SBI      PORTB,5
     LDI      r20,250
     CALL       delay_n_ms
     CBI      PORTB,5
     JMP       blink
    .include   "delay_n_ms.h"

• Ex.: A linguagem python é mais abstrata que C, e por isso possui é uma linguagem de nível mais alto que C.

  • Blink (Python, ex. hipotético):

    PWM(PORTB_PIN_5, 1000, 1000)

• Baixo nível: alta velocidade, porém compreender o programa é mais difícil.
• Alto nível: velocidade menor, porém é mais fácil compreender o programa.
• Ambas abordagens podem ser utilizadas para atingir os mesmos objetivos.
• Para todos os efeitos práticos, utilizaremos C

Pergunta:

Que tipo de programação do microcontrolador ATmega possui mais alto nível?

1. C puro.
2. Funções do arduino.

Nosso primeiro programa

• Façamos o arduino dar um sinal de vida.
• Abrir a Arduino IDE.
• Abrir o exemplo em Arquivo\Exemplos\01. Basics\Blink
• Compilar (⭢) e observar...
• Mais detalhes sobre exemplos incluídos podem ser acessados em www.arduino.cc/en/Tutorial/BuiltInExamples

Dissecando o Blink - Comentários

/*
  Blink
  Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.

  Most Arduinos have an on-board LED you can control. On the UNO, MEGA and ZERO
  it is attached to digital pin 13, on MKR1000 on pin 6. LED_BUILTIN is set to
  the correct LED pin independent of which board is used.
  If you want to know what pin the on-board LED is connected to on your Arduino model, check
  the Technical Specs of your board  at https://www.arduino.cc/en/Main/Products

  This example code is in the public domain.

  modified 8 May 2014
  by Scott Fitzgerald

  modified 2 Sep 2016
  by Arturo Guadalupi

  modified 8 Sep 2016
  by Colby Newman
*/

• Documentação, indicando o que o programa atual realiza. (\* Documentação *\)
• Bons programas necessariamente contém uma boa documentação.
• Quando a complexidade de um projeto aumenta, torna-se bastante difícil de compreender o que cada parte do código realiza se a documentação for ruim.
• Dificulta a colaboração entre o programador original e outros, bem como ele mesmo no futuro.

• Comentário ao final de uma linha:

  int x; //Comentario

• Comentário utilizando muitas linhas: cpp \* Comentario *\

Dissecando o Blink - Configurações iniciais

• Configurações iniciais do sistema (void setup(){})

  void setup() {
    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  }

• Cada vez que o microcontrolador inicializa ele precisa ser 'informado' sobre o que cada periférico deve realizar.
• Neste caso, queremos apenas informar que o pino 13 será usado como uma saída.
• função pinMode(pin, type);

• Nota: Ao final de cada linha de código em C, terminar com ;

Dissecando o Blink - Loop do sistema

• Loop do sistema (void loop(){})

  void loop() {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
    delay(1000);                       // wait for a second
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
    delay(1000);                       // wait for a second
  }

• Deve-se colocar aqui todas as tarefas que o microcontrolador deve realizar periodicamente.
• No presente exemplo, ele deve fazer um led no pino 13 piscar.

• pseudo-código:

  1) Liga LED;
  2) Aguarda 1000ms;
  3) Desliga LED;
  4) Aguarda 1000ms;
  5) Retorna ao passo 1).    

• As funções disponíveis para o arduino podem ser acessadas em arduino.cc/en/Reference
  • Exemplo: informações a respeito de digitalWrite(pin, Value) e delay(ms).

Exercício

• No código original, o LED pisca a 0.5 Hz. Modifiquem o código para que o LED pisque a uma taxa de 1 Hz.
• Faça com que o led pisque uma única vez.
• Faça com que o led pisque apenas 3 vezes.

Eletrônica do Blink

• O arduino já possui um LED na própria placa para que façamos este teste inicial.
• Como funciona este circuito?
• Vamos fazer numa protoboard.

Exercício: Blink usando um LED em uma protoboard

• Façamos um esquema idêntico usando uma protoboard.
• Componentes necessários:
• Resistor 220 Ohms
• LED
• Lembrando que o programa anterior utiliza o pino 13
• Problema: que modificações precisaríamos fazer no programa e no circuito para que o led utilize o pino 10?

Entrada e saída

• Nos exemplos anteriores, o arduino controla um led. Este é um sinal que sai do arduino.
• Queremos também enviar sinais para controlar o arduino. O sinal entra no arduino. Ex.: Um botão para controlar o volume de um som enviado a um auto-falante.
• Inicialmente, vamos considerar apenas a entrada de sinais digitais.

Conectando um botão ao arduino

• Componentes necessários:
• Botão
• Resistor 10 KOhm
• Fios
• Pergunta: qual a tensão no pino D2 quando o botão está desligado? E quando o botão está ligado?

Exemplo do arduino

• Abrir o exemplo em Arquivo\Exemplos\01. Basics\DigitalReadSerial
• Compilar (⭢), abrir Ferramentas/Monitor Serial(CTRL+SHIFT+M) e observar...
• Quando o pino D2 está com tensão baixa, o monitor serial retorna 0, e retorna 1 caso a tensão esteja alta.

• Documentação

  /*
  DigitalReadSerial
  Reads a digital input on pin 2, prints the result to the serial monitor
  This example code is in the public domain.
  */

Exercício

Como fazer para que o sinal na porta serial seja 1 quando o botão não está pressionado? Não faça modificações no programa.