Чипы, платы, роботы

Программирование микроконтроллеров для управления роботами
https://1i7.livejournal.com/

Transcript

1. Программирование микроконтроллеров для управления роботами
2. Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа (1791-1871)
4. Ада Лавлейс 10 декабря 1815 - 1852
5. • Единственная (законнорожденная) дочь поэта Джорджа Гордона Байрона • Сделала подробное описание аналитической машины Бэббиджа со своими комментариями • Ввела в употребление термины «цикл» и «рабочая ячейка»
6. • Привела алгоритм вычислений чисел Бернулли на аналитической машине • Алгоритм признан первой в мире программой, а Ада — первым программистом • 10 декабря — день программиста
7. Алан Тьюринг (1912-1954)
8. Машина Тьюринга
9. Энигма
11. • Криптономикон, Нил Стивенсон • Ю-571 (2000, Мэтью Макконехи) • Энигма (2001) • Игра в имитацию (2014, Бенедикт Камбербэтч)
12. прошло время...
13. Микропроцессоры и архитектуры
14. Микропроцессор — чип с ножками
15. Архитектура — язык процессора: набор команд
16. Настольные системы (компьютеры, ноутбуки) • Архитектуры: x86, x86_64 • Производители чипов: Intel, AMD • Операционные системы: настольные дистрибутивы Linux, Mac OS X, Windows XXX • Устройства: стационарные компьютеры, ноутбуки, серверы
21. Хай-энд мобильные чипы (планшеты и смартфоны) • Архитектуры: ARM, MIPS, Intel с X86 тоже что-то пробует • Операционные системы: Google Android, iOS, мобильная Windows, Windows 10 • Устройства: планшеты, смартфоны; гибридные ноутбуки, серверы с низким энергопотреблением
24. Мид-энд чипы — хорошая производительность, низкое потребление энергии (роутеры) • Архитектуры: MIPS, ARM • Операционные системы: Linux + окружение BusyBox • Устройства: роутеры, встраиваемые системы, где нужен Линукс, но не нужна топовая графика или типа того
26. Микроконтроллеры (стиральные машины) • Архитектуры: AVR, MIPS, ARM • Производители: Atmel ATmega8 (AVR), Microchip PIC32 (MIPS), STMicroelectronics STM32 (ARM) • Операционные системы: специализированная прошивка без ОС, RTOS'ы • Устройства: счетчики, стиральные машины, бытовая техника, другие встраиваемые системы, не требовательные к ресурсам
28. Из отечественного • Эльбрус: своя архитектура и свое производство (тянут десктоп с Linux, военное применение) • Байкал: лицензия ядра мид-энд MIPS, производство в Азии (высокопроизводительные встраиваемые системы — станки с ЧПУ, планируют массовый рынок)
29. Платы для разработки
30. Raspberry Pi (протухший хай-энд ARM, тянет Linux, Android со скрипом)
31. Raspberry Pi 2 (хай-энд ARM посвежее, тянет Android и Windows 10)
32. Black SWIFT/Unwired One (мид-энд MIPS)
33. Arduino (микроконтроллер ATmega8 AVR)
34. Клоны Arduino (тысячи их)
35. и так далее
36. Сделать плату
37. Дома • ЛУТ (лазерно-утюжная технология) • Фототравление • Фрезерование • Принтеры, печатающие проводящей краской
38. Лазерный принтер+утюг
39. Фрезерование
40. Принтер с проводящими чернилами
41. На заказ • Высокая точность, тонкие дорожки, многослойные платы, большой тираж • Автоматический монтаж компонент (специальный корпус SMD) • Резонит (Зеленоград), КБ Связь инжиниринг (Дубна), Виптех (Нижний Новгород) • Китай (с текущим курсом уже не так выгодно)
44. Сделать чип
45. Языки описания аппаратного обеспечения HDL (Verilog/VHDL) • на заказ: Дизайн на HDL → завод в Азии → чип ASIC (специализированная микросхема) • дома: Дизайн на HDL → ПЛИС • MIPSfpga: исходники промышленного чипа PIC32MZ для запуска на ПЛИС • opencores.org • Есть линия в Зеленограде
48. практика
49. Плата ChipKIT WF32 • $70 (~5000руб) на digilentinc.com, microchipdirect.com • Совместима на программном уровне с платформой Arduino • Программирование на языке Си/С++ • WiFi, режимы USB хоста и USB-устройства, SD-карта • Контроллер PIC32MX 80МГц • 512Кб ПЗУ флеш, 128Кб ОЗУ
50. Порты (ножки или пины) ввода-вывода • Осуществляют связь между программой и внешним миром • Пронумерованы от 0 до 41 (на WF32) • Каждый порт может работать в режиме ввода или вывода • Цифровой режим: для порта определено два значения 1 (HIGH - плюс) и 0 (LOW - минус) • В режиме вывода программа записывает в указанный порт единицу 1 и на порт подаётся напряжение плюс, при записи 0 подаётся минус (земля/ground/GND)
51. Среда разработки MPIDE • chipkit.net/started/install-chipkit-software/ • Свободное программное обеспечение • Работает на Linux, Mac и Windows • Предварительно необходимо установить платформу Java: java.oracle.com Драйвер платы: • в Linux уже всё есть, хотя может потребоваться дать права на доступ к устройству /dev/ttyUSBX • в Windows 7: драйвер в архиве с MPIDE • в Windows 8: при подключении платы разрешить искать в интернете
52. Запускаем среду разработки MPIDE Меню Tools > Board > chipKIT > chipKIT WF32
53. Светодиод (LED) и беспаячная макетная плата (breadboard)
54. Настройка перед стартом: void setup(), установка режима порта pinMode()
55. Бесконечный цикл void loop(), запись значений в порт digitalWrite()
56. Загрузка прошивки на плату: наверху вторая слева кнопка Upload
57. То горит, то не горит
58. Моторчик с коллекторным двигателем Без редуктора будет крутиться, но машинка не поедет Моторчик с редуктором крутится медленнее, но тянет больше нагрузки
59. Управление мотором: микросхема- драйвер-усилитель L293D
60. Микросхема-усилитель L293D • GND — земля (и заодно теплоотвод) • Vs — питание двигателей: 4,5-36В • Vss — питание микросхемы: 5В • ENABLE1/2 — включить/выключить левую/правую половину • INPUT1/2/3/4 — слабый сигнал от платы • OUTPUT1/2/3/4 — усиленный сигнал на мотор (от источника Vs)
62. Управление мотором
63. Взад-вперёд
64. Сервомоторчики: • Угол поворота 0 — 180 градусов • 3 провода: питание 5В (+), земля (GND/-), управляющий сигнал
65. Управление серво-моторчиком: библиотека Servo.h
66. Повернулись-зафиксировались
67. Разные датчики на ardunn.ru
68. Сенсор звука: всего 3 ножки • GND — земля • +5V — питание 5В • OUT — значение сенсора: 0 - звук есть, 1 - звука нет
69. Реагируем на звук: setup
70. Реагируем на звук: loop
71. Хлопаем в ладоши
72. Немного прокатимся
74. Константы для ножек
75. Левый мотор: вперёд, назад, стоп
76. Правый мотор: вперёд, назад, стоп
77. Все ножки в режим вывода
78. 2 секунды вперёд, 2 секунды разворачиваемся, ждём секунду; и так вечно бесконечно
79. Выключаем штекер от батареек, перемычку J15 переводим из положения EXT в UART
80. Подключаем плату через USB к компьютеру, прошиваем из MPIDE
81. ВАЖНО: не подключайте плату через USB к компьютеру, если к плате подключено внешнее питание — в лучшем случае лишитесь платы, в худшем — и платы, и пары портов USB на компьютере
82. Отключаем USB, возвращаем J15 из UART в EXT, подключаем батарейки
83. Учимся программировать с Роботом Машинкой
84. Задача — ехать по черной линии: ехать прямо по прямой линии и поворачивать на поворотах
85. Датчик линии • У датчика всего три провода: питание Vcc (5В), земля GDN и сигнал OUT • OUT=HIGH (т.е. логическая единица), если поднести его к поверхности черного цвета, OUT=LOW (т.е. логический ноль), если поднести его к поверхности любого другого цвета.
87. Трасса без перекрестков, без маркеров, без пересечений: просто замкнутая линия
88. Робот умеет • Ехать вперед • Ехать назад • Останавливаться • Поворачивать налево • Поворачивать направо • Определять наличие линии на левом датчике • Определять наличие линии на правом датчике
89. Алгоритм словами • Если ни левый, ни правый датчик не видят линии (линия между датчиками), едем вперёд. • Иначе (линия есть под левым или под правым датчиком или сразу под обоими) проверяем, есть ли линия под правым датчиком. • Если линия есть под правым датчиком, поворачиваем направо. • Иначе (значит линия под левым датчиком) поворачиваем налево. • Повторяем всё сначала
90. Алгоритм в виде блок-схемы
91. Блок-схема → код на С++
92. Блоки действий команда вперёд mleft_forward(); mright_forward(); команда назад mleft_backward(); mright_backward();
93. Блоки действий команда налево mleft_backward(); mright_forward(); команда направо mleft_forward(); mright_backward();
94. Блоки действий команда стоп mleft_stop(); mright_stop();
95. Блоки с условиями if( условие ) { // действия, если условие выполнено (ветка "да") ... } else { // действия, если условие не выполнено (ветка "нет") ... }
96. Операторы сравнения — булевы выражения для блоков if • a == b : если a равно b, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ • a != b : если a не равно b, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ • a < b : если a меньше b, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ • a > b : если a больше b, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ • a <= b : если a меньше или равно b, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ • a >= b : если a больше или равно b, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ
97. Сложные условия из нескольких простых • a && b (логическое И): если a ПРАВДА И b ПРАВДА, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ • a || b (логическое ИЛИ): если a ПРАВДА ИЛИ b ПРАВДА, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ • !a (логическое НЕ): если a ЛОЖЬ, ПРАВДА, иначе ЛОЖЬ
98. Выражения для блоков условий ПРАВДА, если левый датчик видит линию ( digitalRead(LINE_SENSOR_L) == 1 ) ПРАВДА, если левый датчик не видит линию ( digitalRead(LINE_SENSOR_L) == 0 ) ПРАВДА, если правый датчик видит линию ( digitalRead(LINE_SENSOR_R) == 1 ) ПРАВДА, если правый датчик не видит линию ( digitalRead(LINE_SENSOR_R) == 0 )
99. Прошивка для машинки
100. /** * Сенсор линии: сенсор подключен к входной ножке и * подает на нее сигнал: * 1, если сенсор обнаружил линию (черный цвет), * 0, если сенсор линию не видит (белый цвет). */ #define LINE_SENSOR_L 27 #define LINE_SENSOR_R 28
101. void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("Start Robot Car - the line follower!"); pinMode(MOTOR_LEFT_1, OUTPUT); pinMode(MOTOR_LEFT_2, OUTPUT); pinMode(MOTOR_LEFT_EN, OUTPUT); pinMode(MOTOR_RIGHT_1, OUTPUT); pinMode(MOTOR_RIGHT_2, OUTPUT); pinMode(MOTOR_RIGHT_EN, OUTPUT);
102. // пин сенсора в режим ввода pinMode(LINE_SENSOR_L, INPUT); pinMode(LINE_SENSOR_R, INPUT); // остановить моторы при старте mleft_stop(); mright_stop(); }
103. void loop() { if( digitalRead(LINE_SENSOR_L) == 0 && digitalRead(LINE_SENSOR_R) == 0 ) { //Serial.println("Proverka linii: linii net na 2x datchikah"); // линии нет на обоих датчиках // едем вперед mleft_forward(); mright_forward();
104. } else { // линия есть хотябы на одном из датчиков Serial.println("linia na odnom is datchikov");
105. if( digitalRead(LINE_SENSOR_R) == 1 ) { // линия под правым датчиком Serial.println("praviy datchik -> povorot napravo"); // ненадолго остановимся, чтобы собраться с мыслями (для отладки) mleft_stop(); mright_stop(); delay(1000); // поворачиваем направо mleft_forward(); mright_backward(); // поворачиваемся 400 миллисекунд, время получено эмпирически delay(400);
106. } else { // линии нет под правым датчиком, значит она под левым датчиком Serial.println("leviy datchik -> povorot nalevo"); // ненадолго остановимся, чтобы собраться с мыслями (для отладки) mleft_stop(); mright_stop(); delay(1000); // повернуть налево mleft_backward(); mright_forward(); // поворачиваемся 400 миллисекунд, время получено эмпирически delay(400); } } }
107. 1i7.livejournal.com Антон Моисеев