Merací systém s Arduino Nano

Toto je úvodná stránka k domácim cvičeniam z predmetu Elektronické Systémy Automobilov (ELSA) v zimnom semestri 2020, pre dištančné vzdelávanie.

Zoznam experimentov

Zoznam sa bude postupne rozrastať, tak ako budeme postupovať ďalej

1. Meranie odporov
2. Meranie diód
3. Galvanické oddelenie
4. Frekvenčný vstup

Materiál

Elektronické obvody budeme zapájať na kontaktnom poli (breadboard). Na meranie budeme používať Arduino Nano, komunikujúce cez sériovú linku s aplikačným programom v Processingu.

• Čo je to breadboard (po anglicky)
• Čo je to Arduino (po anglicky)
• Čo je to Processing (po anglicky)
• Čo je to sériová komunikácia (po anglicky)

Študent si zaobstará (viď obr. nižšie)

• Arduino (ľubovoľný tip, ale návody budú pre Nano)
• Prepojovaciu kontaktnú doštičku (breadboard)
• USB kábel a prepojovacie drôtiky

UAMT FEI zaobstará

• všetky ostatné elektronické súčiastky
• špeciálny softvér na meranie

Software

• Vývojové prostredie Processing
• Vývojové prostredie Arduino (alebo aspoň Hex Loader)
• Špecifické programy pre dané meranie

Processing

Je to veľmi jednoduché vývojové prostredie urené na rýchly náčrt programu (preto sa aj programy v Processingu nazývajú sketch) a orientuje sa predovšetkým na ich grafickú stránku. Na rozdiel od iných jazykov sa dá prakticky hneď začať kresliť jednoduchá grafika. Prostredie je k dispozícii bezplatne a pre rozličné operačné systémy. Základom prostredia je Java, ale nie je podmienkou vedieť programovať v Jave. Najnovšiu verziu si vždy stiahnite a nainštalujte z adresy http://processing.org/ Na tejto stránke nájdete aj príklady, referenčnú príručku a diskusné fórum.

• Inštalácia: https://processing.org/download/

• Prvý príklad:

void setup()                      // táto časť sa vykoná len pri spustení, raz 
{
  size(400, 400);                 // nastavíme veľkosť okna
  stroke(255);                    // nastavíme farbu pera na kreslenie
  background(192, 64, 0);         // nastavíme farbu (R, G. B) pozadia
} 

void draw()                       // táto časť sa vykonáva stále dokola
{
  line(200, 200, mouseX, mouseY); // nakresli čiaru z bodu 200,200 po 
                                  // aktuálnu polohu myši
}

• Mnoho ďalších príkladov nájdete priamo v editore (File -> Examples) a oveľa viac potom tu https://processing.org/tutorials/

Arduino

Arduino je veľmi populárna platforma pre programovanie mikroopočítačov Atmel AVR, ktorá sa dnes už rozrástla pre mnoho ďalších mikroprocesorových systémov, vrátane ARM architektúry. Vývojové prostredie je veľmi podobné Processingu, a to aj vzhľadom. Programovacím jazykom je C++, pred použitím však musíme kompilátor nakonfigurovať pre daný procesor.

• Inštalácia: https://www.arduino.cc/en/Main/Software
• Konfigurácia:

Pred naprogramovaním procesora musíme prostredie Arduino nastaviť pre nami používaný typ. Teda Arduino Nano s procesorom ATmega328P a treba tiež nastaviť, na ktorý sériový port ho máme pripojený.

• Prvý príklad:

/*
  Blink

  Tento príklad je priamo z prostredia Arduino (File -> Examples -> 01.Basic -> Blink)

*/


void setup()    // funkcia setup sa spustí len raz, po resete dosky
{
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);  // nakonfiguruje pin ako výstupný
}


void loop()    // funkcia loop beží stále dokola
{
  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
}

• Čo všetko sa môže pokaziť:
  • máte chybu v programe a ten sa ani neskompiluje
  • máte nesprávny typ procesora
  • máte vybraný nesprávny port, na ktorom nie je Arduino
  • nemáte zapnuté Arduino

Processing + Arduino

Napokon spojíme prostredníctvom komunikácie cez sériovú linku oba svety.

Postup:

• Najprv nahráme príslušný program do jednotky Arduino Nano
• V prostredí Processing nainštalujeme knižnicu G4P (Sketch -> Import Library -> Add Library)

• V prostredí Processing spustíme druhý zo zdrojových kódov a sledujeme výpis v spodnej časti okna

ProcessingArduino

import processing.serial.*;
import g4p_controls.*;

// The serial port
Serial myPort;       

GLabel lblOut;
GButton buttonOn; 
GButton buttonOff; 

void setup() 
{
  size(200, 200);
  createGUI();
  printArray(Serial.list());  // List all the available serial ports
  myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);
}


void draw() 
{
  background(225);
 }

/*
void myBtnEvents(GButton button) { //_CODE_:button1:12356:
     // It is safe to enter your event code here  
 } //_CODE_:button1:12356:
 
*/


public void buttonOn_click(GButton source, GEvent event) {
  println("buttonOn - GButton >> GEvent." + event + " @ " + millis());
   myPort.write('1');
} 

public void buttonOff_click(GButton source, GEvent event) { 
  println("buttonOff - GButton >> GEvent." + event + " @ " + millis());
   myPort.write('0');
} 



 
public void createGUI()      // Create all the GUI controls.
{
  
  G4P.messagesEnabled(false);
  G4P.setGlobalColorScheme(GCScheme.BLUE_SCHEME);
  G4P.setMouseOverEnabled(true);
  G4P.setDisplayFont("Arial Black", G4P.PLAIN, 14);

  surface.setTitle("Demo");

  buttonOn = new GButton(this, 60, 60, 80, 30);
  buttonOn.setText("LED On");
  buttonOn.setLocalColorScheme(GCScheme.GREEN_SCHEME);
  buttonOn.addEventHandler(this, "buttonOn_click");

  buttonOff = new GButton(this, 60, 110, 80, 30);
  buttonOff.setText("LED Off");
  buttonOff.setLocalColorScheme(GCScheme.RED_SCHEME);
  buttonOff.addEventHandler(this, "buttonOff_click");
  
  lblOut = new GLabel(this, 0, 10, 200, 20, "");
  lblOut.setTextAlign(GAlign.CENTER, null);
  lblOut.setText("LED Control Demo");
  
}

char recData;          // Data received from the serial port

void setup() 
{
   pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // Set pin as OUTPUT
   Serial.begin(9600); // Start serial communication at 9600 bps
}

void loop() 
{
   if (Serial.available())    // If data is available to read,
    { 
     recData = Serial.read(); // read it and store it in val
    }

   if (recData == '1')        // If 1 was received
    { 
     digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // turn the LED on
    } 
   else 
    {
     digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);   // otherwise turn it off
    }
   
   delay(10); // Wait 10 milliseconds for next reading
}

Mali by ste vidieť niečo podobné ako na tomto obrázku

Teraz treba zistiť, ktorý z portov v zozname je ten Arduino. Preto spustíme Device Manager (postup pre Win10: otvoríte okienko Run (napríklad Windows + R na klávesnici), do ktorého napíšete devmgmt.msc) a rozkliknete Porty - zbadáte niečo podobné ako tento obrázok

Keďže Arduino Nano má na sebe komunikačný obvod CH340 (pozri nižšie), bude správny port zrejme COM3. Preto zmeníme príslušný riadok v kóde pre Processing a spustíme program znova.

Ak je všetko správne nastavené, mali by ste tlačidlami na obrazovke ovládať LED na Arduino Nano doske. Ktorá to je? Pozrite na obrázok vyššie.

Čo všetko sa môže pokaziť?

1. Sériový port (COM:) môže vždy používať len jeden software. Preto nemôžete naprogramovať Arduino v čase, keď máte spustený program v Processingu. Nie je nevyhnutné zatvoriť celé vývojové prostredie, ale nemôžete mať program spustený.
2. Pre správne naprogramovanie Arduina je nevyhnutné, aby sedeli všetky parametre:
   • Typ (Arduino Nano, alebo ten, ktorý máte vy - Arduino Uno, Arduino Mega, atď.)
   • Typ procesora (ATmega328P)
   • Port (COMx, kde x zistíte z Device Managera)
3. V Processingu musíte tiež mať nastavené správne číslo portu, ale pozor, na rozdiel od operačného systému, kde môžete mať pokojne vedľa seba tri porty označené napr. COM1:, COM13: a COM14:, v Processingu je to vždy poradové číslo (pričom začíname od nuly!). Takže ak máte Arduino pripojené na port COM13: z predošlého príkladu, tak potom číslo portu pre Processing bude 1, COM14: bude 2.
4. Ak sa vám stále nedarí správne naprogramovať Arduino Nano, pokúste sa problém vyriešiť nainštalovaním nového ovládača (driver) pre komunikačný obvod CH340. Driver stiahnete napríklad odtiaľto:
   • Download https://sparks.gogo.co.nz/ch340.html
   • Podrobnejší návod aj pre iné OS: https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-install-ch340-drivers