ПРИНЦИП РАБОТЫ АРДУИНО И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАК ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается принцип работы и применение платы Arduino. Также рассматривается, как ее можно использовать в качестве инструмента для учебы и исследовательских работ. Плата Arduino может стать быстрым инструментом в разработки тестовых стендов VLSI, особенно для датчиков. Основными преимуществами являются быстрая обработка и простой интерфейс. Сегодня, когда все больше людей используют программное обеспечение с открытым исходным кодом и аппаратные устройства с каждым днём технологии приобретают новое измерение, делая сложные вещи проще и интереснее. Данная статья дает представление о типах плат Arduino, принципах работы, программной реализации и их применения.

ABSTRACT

This paper discusses how the Arduino board works and how it can be used as a learning and research tool. It also discusses how it can be used as a tool for study and research. The Arduino board can be a fast tool in the development of VLSI testbeds, especially for sensors. The main advantages are fast processing and simple interface. Today, with more and more people using open source software and hardware devices every day technology is taking a new dimension, making complex things easier and more interesting. This article gives an insight into the types of Arduino boards, working principles, software implementation and their applications.

Ключевые слова: плата, электронная платформа, Ардуино, интерфейс, прототипирования, программное обеспечение, контакт ввода-вывода, объем памяти, напряжение, процессор.

Keywords: board, electronic platform, Arduino, interface, prototyping, software, I/O pin, memory capacity, voltage, processor.

Введение. Arduino, электронная платформа с открытым исходным кодом, стала основным вариантом для всех, кто работает над интерактивными аппаратными и программными проектами. Популярность прототипирования с помощью Arduino растет с увеличением использования платформы Arduino. Однако создание прототипов с помощью Arduino - непростая задача для непрограммистов, интересующихся данной областью. Данная статья представляет собой обзор литературы, направленный на интенсивный анализ и сравнение существующих первичных исследований, посвященных прототипированию с помощью Arduino. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях, посвященных выбору наилучшей техники для создания прототипов с помощью Arduino [1]. Они также могут быть использованы в исследованиях в области электроники, а также людьми, которые хотят получить руководство по созданию прототипов с помощью Arduino, несмотря на отсутствие глубоких знаний в этой области.

Основные достоинство и описание платформы Arduino. Arduino – это простая в использовании открытая электронная платформа, включающая так называемые стартовые наборы разработчика и открытое программное обеспечение и предназначенная для быстрого создания интерактивных электронных устройств [2]. Она была создана группой исследователей, которые позиционировали свою разработку как платформу для быстрой реализации небольших проектов. Arduino строится на базе микроконтроллеров Atmel [3, 4] и используется для получения сигналов от аналоговых и цифровых датчиков, управления различными исполнительными устройствами и обмена информацией с компьютером при помощи различных интерфейсов.

Варианты плат Arduino. Здесь мы рассмотрели различные варианты плат Arduino, существующие на данный момент. Целое количество досок было идентифицировано из нескольких публикаций, которые легли в основу нашего основного исследования [7,8], и [9]. На рынке доступно несколько вариантов плат Arduino, но лишь немногие чаще всего используются инженерами и любителями (Рис. 1).

Рисунок 1. Варианты Arduino: (a) Arduino Uno, (b) Arduino Due, (c) Arduino Mega (d) Arduino Nano

Ардуино UNO, пожалуй, самая популярная плата Arduino на рынке и в отрасли. Плата Arduino Uno, оснащенная процессором Atmega328, работающим на частоте 16 МГц, широко используется. 32 КБ программной памяти, 1 КБ EEPROM и 2 КБ ОЗУ не делают ее платой с наибольшим объемом памяти, но пользователи, похоже, любят ее такой, какая она есть, а также прощают ей недостатки, связанные с наличием всего 14 цифровой ввод-вывод, 6 аналоговых входов и шины питания 5 В и 3,3 В. Arduino UNO имеет расположение контактов, которое быстро становится отраслевым стандартом для плат разработки. Это разъем делает Arduino Uno совместимым с большинством плат для разработки, представленных на рынке. Экраны, которые будут объяснены позже, подключаются к платам через разъем для расширения возможностей и функциональности платы Arduino. Каждый Arduino Uno поставляется с разъемом питания. Физические размеры UNO, длина 69 мм и ширина 54 мм, делают его небольшой платой для разработки, которая легко вписывается во многие проекты. Наличие четырех отверстий для винтов позволяет дизайнерам, любителям и инженерам надежно закрепить их на месте.

Arduino Due, которая вместе с Arduino Mega имеет самую большую плату из всех вариантов плат Arduino, является единственной платой Arduino, которая питается от процессора ARM, AT91SAM3X8E Cortex-M3, и действительно работает с более высокой скоростью, чем другие — 84 МГц. В отличие от Arduino UNO и Arduino Nano, которые работают при напряжении 5 В, Arduino Due работает при меньшем напряжении 3,3 В. Напряжение может быть небольшим, но снижает перенапряжение, которое, если его не проверять, обычно приводит к повреждению плат. Имея 512 КБ ПЗУ и 96 КБ ОЗУ, Arduino Due имеет относительно большой объем памяти по сравнению с другие доски. Хотя отсутствие EEPROM вкупе с тем, что это самая дорогая плата Arduino, тоже дает достаточно места для критики Arduino Due. В свою очередь, импортная версия Arduino имеет 54 цифровых контакта ввода-вывода, 12 каналов ШИМ, 12 аналоговых входов и 2 аналоговых выхода. Он также имеет большое количество разъемов для контактов, которые важны для подключения к множеству цифровых входов/выходов Due. В частности, у него есть контакт, который совместим с большинством шилдов Arduino. Однако совместимость программного обеспечения с Due не всегда очевидна.

Arduino Mega можно сравнить с Arduino Due во многих отношениях. Во-первых, он имеет тот же размер, а также потому, что имеет 54 ввода-вывода. Но в отличие от Due, Arduino Mega оснащена не процессором ARM, а ATmega2560. Процессор имеет тактовую частоту 16 МГц. Он имеет относительно скромный объем памяти, состоящий из 256 КБ ПЗУ, 8 КБ ОЗУ, 4 КБ EEPROM. Он работает при напряжении 5 В и прост в использовании не в последнюю очередь потому, что несколько электронных устройств работают от одного и того же напряжения 5 В. Arduino Mega имеет 16 аналоговых входов, 15 каналов ШИМ, распиновку разъема такую же, как у Due. Его аппаратное обеспечение совместимо с шилдами Arduino, но иногда несовместимо с программным обеспечением.

На первый взгляд Arduino Nano представляет собой мини-Arduino Uno. Это связано с тем, что Arduino Nano — это Arduino UNO, уменьшенная до очень маленького профиля. Но большое преимущество заключается в его малости. Благодаря небольшому размеру Arduino Nano очень хорошо подходит для проектов, которым по какой-то причине необходимо уменьшить вес. Это также облегчает безопасное хранение Arduino Nano в ограниченном пространстве. Предыдущие версии Arduino Nano использовали ATmega168, который, можно сказать, был половиной Atmega328 Arduino Uno. Текущие версии вернулись к полноценному процессору ATmega328 и работают на той же частоте 16 МГц, что и Arduino Uno. Как и Arduino UNO, Arduino Nano имеет 32 КБ программной памяти, 1 КБ EEPROM, 2 КБ ОЗУ, а также 14 цифровых входов/ выходов и 6 аналоговых входов, а также шины питания 5 В и 3,3 В.

Но в отличие от UNO, Nano не может подключаться к шилдам Arduino, несмотря на наличие разъемов для контактов. Он использует свои разъемы для макетов и печатных плат с использованием разъема. Платы Arduino Nano — самый дешевый вариант платы Arduino на рынке. Это делает их экономически эффективными для крупных проектов.

Сравниваем варианты плат Arduino. Физические размеры Arduino Nano самые маленькие из всех вариантов, что делает Nano портативным устройством. UNO — это макетная плата среднего размера, но она все же достаточно мала, чтобы ее можно было использовать во многих проектах, включая устройства с дистанционным управлением, такие как радиоуправляемые автомобили и лодки. Mega и Due — платы гораздо большего размера. Следовательно, их трудно использовать в приложениях с ограниченным пространством. Для проектов, требующих высокой вычислительной мощности, лучше всего использовать Due, который имеет мощное ядро ARM и огромную ОЗУ/ПЗУ. Хотя Mega представляет собой большой Arduino с большим количеством GPIO, скорость его процессора остается такой же, как у UNO и Nano (отчасти потому, что все они принадлежат к одному семейству Mega). Таким образом, Arduino Mega не дает преимущества в скорости. UNO и Nano используют один и тот же процессор Atmega328. Это означает, что с точки зрения аппаратного обеспечения и периферии UNO и Nano идентичны. Если проект требует большого количества GPIO, лучшими вариантами станут Due и Mega.

Имея 12 аналоговых входов и около 2 аналоговых выходов, Android Due является лидером в создании прототипов и разработке аналоговых проектов. Можно использовать и другие, но они по своей природе не столь эффективны (Таблица 1). Наконец, мы сравниваем различные платы Arduino, рассматривая некоторые ключевые факторы:

1. Физические размеры

2. Процессор и мощность процессора

3. Возможности ввода-вывода

4. Напряжение

5. Объем памяти

Таблица 1.

Краткое описание плат и приложений Arduino

Аппаратная связь. Arduino можно использовать для прототипирования систем аппаратной связи. Аппаратная связь связана с устройствами, которые передают данные в форме цифровых и/или аналоговых сигналов от исходного устройства к целевому устройству с помощью телефонной технологии, сетевых интерфейсных карт, технологий Wi-Fi и точек доступа устройства. Аппаратная связь на спутниках доказала, что она предоставляет полезные данные для лучшего понимания нашего мира и помогает самой коммуникации. Аппаратные устройства связи всегда востребованы, поскольку с их помощью можно достичь многих целей, а платформы для прототипирования таких устройств пользуются популярностью в инженерном сообществе.

Заключение. Обзор Arduino показал, насколько обширны области его применения. Лишь немногие из них могут быть рассмотрены, поскольку их очень много. В ближайшем будущем будут опубликованы дополнительные исследования Arduino, его приложений, преимуществ, ограничений и проблем. В будущем будут усовершенствования платы и программного обеспечения Arduino. С помощью Arduino будут создаваться прототипы большего количества приложений, и даже больше литературы будет выпускаться по ней. В будущем, вероятно, возникнут проблемы, связанные с использованием Arduino для прототипирования инженерных проектов, все еще могут быть ограничения на то, чего он может достичь, и если можно будет внести много инноваций в его улучшение, всегда будут преимущества Arduino для прототипирования. решения

Список литературы:

1. Hari Kishan Kondaveeti, Nandeesh Kumar Kumaravelu, Sunny Dayal Vanambathina, Sudha Ellison Mathe, Suseela Vappangi, A systematic literature review on prototyping with Arduino:Applications, challenges, advantages, and limitations //Computer Science Review 40 (2021) 100364. с. 1-2
2. Arduino [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://arduino.cc/, свободный.
3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы Atmel. 3-е изд., стер. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2006. с. 288,
4. Atmel corporation [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.atmel.com/products/microcontrollers/avr/default.aspx, свободный.
5. B. Kitchenham, Procedures for Performing Systematic Reviews, Vol 33., Technical Report TR/SE-0401, Keele University, Keele, (ISSN: 1353-7776) 2004, pp. 1–26.
6. [57] M. Pautasso, Ten simple rules for writing a literature review, PloS Comput. Biol. 9 (7) (2013) e1003149, http://dx.doi.org/10.1371/journal. pcbi.1003149.
7. J. Sobota, R. PiSi, P. Balda, M. Schlegel, Raspberry Pi and Arduino boards in control education, IFAC Proc. Vol. 46 (17) (2013) 7–12.
8. M. Matijevic, V. Cvjetkovic, Overview of Architectures with Arduino boards as building block for Data Acquisition and Control Systems, in: 2016 13 International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV), 2016, pp. 56-63.
9. Alessandro D’Ausilio, Arduino: A low-cost multipurpose lab equipment, Behav. Res. Methods 44 (2012) 305–313, 10.3758/s13428-011-0163-z. [12] What Is Arduino? Available online: https://www.arduino.cc/en/Guide/