Programación básica de arduino

La plataforma de programación de Arduino será la utilizada durante el curso de sensores y actuadores es por ello que es importante familiarizarse con el lenguaje de programación.

Funciones básicas y operadores

Arduino esta basado en C y soporta todas las funciones del estándar C y algunas de C++. A continuación se muestra un resumen con todas la estructura del lenguaje Arduino:

Sintaxis Básica

• Delimitadores: ;, {}
• Comentarios: //, /* */
• Cabeceras: #define, #include
• Operadores aritméticos: +, -, *, /, %
• Asignación: =
• Operadores de comparación: ==, !=, <, >, <=, >=
• Operadores Booleanos: &&, ||, !
• Operadores de acceso a punteros: *, &
• Operadores de bits: &, |, ^, ~, <<, >>
• Operadores compuestos:
  • Incremento/decremento de variables: ++, --
  • Asignación y operación: +=, -=, *=, /=, &=, |=

Estructuras de control

• Condicionales: if, if...else, switch case
• Bucles: for, while, do... while
• Bifurcaciones y saltos: break, continue, return, goto

Variables

En cuanto al tratamiento de las variables también comparte un gran parecido con el lenguaje C.

Constantes

• HIGH / LOW: niveles alto y bajo en pines. Los niveles altos son aquellos de 3 voltios o más.
• INPUT / OUTPUT: entrada o salida
• true / false

Tipos de datos

• void, boolean, char, unsigned char, byte, int, unsigned int, word, long, unsigned long, float, double, string, array

Conversión entre tipos

Estas funciones reciben como argumento una variable de cualquier tipo y devuelven una variable convertida en el tipo deseado.

• char(), byte(), int(), word(), long(), float()

Cualificadores y ámbito de las variables

• static, volatile, const

Utilidades

• sizeof()

Funciones Básicas

En cuanto a las funciones básicas del lenguaje nos encontramos con las siguientes:

E/S Digital

• pinMode(pin, modo)
• digitalWrite(pin, valor)
• int digitalRead(pin)

E/S Analógica

• analogReference(tipo)
• int analogRead(pin)
• analogWrite(pin, valor)

E/S Avanzada

• shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, valor)
• unsigned long pulseIn(pin, valor)

Tiempo

• unsigned long millis()
• unsigned long micros()
• delay(ms)
• delayMicroseconds(microsegundos)

Matemáticas

• min(x, y), max(x, y), abs(x), constrain(x, a, b), map(valor, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh), pow(base, exponente), sqrt(x)

Trigonometría

• sin(rad), cos(rad), tan(rad)

Números aleatorios

• randomSeed(semilla), long random(máx), long random(mín, máx)

Bits y Bytes

• lowByte(), highByte(), bitRead(), bitWrite(), bitSet(), bitClear(), bit()

Interrupciones externas

• attachInterrupt(interrupción, función, modo)
• detachInterrupt(interrupción)

Interrupciones

• interrupts(), noInterrupts()

Comunicación por puerto serie

Las funciones de manejo del puerto serie deben ir precedidas de "Serial." aunque no necesitan ninguna declaración en la cabecera del programa. Por esto se consideran funciones base del lenguaje.

• begin(), available(), read(), flush(), print(), println(), write()

Manipulación de puertos

Los registros de puertos permiten la manipulación a más bajo nivel y de forma más rápida de los pines de E/S del microcontrolador de las placas Arduino. Los pines de las placas Arduino están repartidos entre los registros B(0-7), C (analógicos) y D(8-13). Mediante las siguientes variables podemos ver y modificar su estado:

• DDR[B/C/D]: Data Direction Register (o dirección del registro de datos) del puerto B, C ó D. Sirve para especificar que pines queremos usar como de entrada y cuales de salida. Variable de Lectura/Escritura.
• PORT[B/C/D]: Data Register (o registro de datos) del puerto B, C ó D. Variable de Lectura/Escritura.
• PIN[B/C/D]: Input Pins Register (o registro de pines de entrada) del puerto B, C ó D. Variable de sólo lectura.

Por ejemplo, para especificar que queremos utilizar los pines 9 a 13 como salidas y el 8 como entrada (puesto que el puerto D usa los pines de la placa Arduino 8 al 13 digitales) bastaría utilizar la siguiente asignación:

 DDRD = B11111110;

Como se ha podido comprobar, si conocemos el lenguaje C, no tendremos dificultades para programar en Arduino puesto que se parecen enormemente. Tan sólo debemos aprender algunas funciones específicas de que dispone el lenguaje para manejar los diferentes parámetros de Arduino. Se pueden construir aplicaciones de cierta complejidad sin necesidad de muchos conceptos previos.

A.V.R. Libc

Los programas compilados con Arduino (salvo en las placas con CorteX M3) se enlazan contra AVR Libc por lo que tienen acceso a algunas de sus funciones. AVR Libc es un proyecto de software libre con el objetivo de proporcionar una  C de alta calidad para utilizarse con el compilador GCC sobre microcontroladores Atmel AVR. Se compone de 3 partes:

• avr-binutils
• avr-gcc
• avr-libc

La mayoría del lenguaje de programación Arduino está escrita con constantes y funciones de AVR y ciertas funcionalidades sólo se pueden obtener haciendo uso de AVR.

Interrupciones

Para desactivar las interrupciones:

 cli(); // desactiva las interrupciones globales

Para activarlas:

 sei(); // activa las interrupciones

Esto afectará al temporizador y a la comunicación serie. La función delayMicroseconds() desactiva las interrupciones cuando se ejecuta.

Temporizadores

La función delayMicroseconds() crea el menor retardo posible del lenguaje Arduino que ronda los 2μs.
Para retardos más pequeños se debe utilizar la llamada de ensamblador 'nop' (no operación). Cada sentencia 'nop' se ejecutará en un ciclo de máquina (16 Mhz): unos 62.5ns. Se haría de la siguiente manera:

 __asm__("nop\n\t");

Manipulación de puertos

La manipulación de puertos con código AVR es más rápida que utilizar la función digitalWrite() de Arduino.

Establecer Bits en variables

cbi y sbi son mecanismos estándar (AVR) para establecer o limpiar bits en PORT y otras variables.
Será necesario utilizar las siguientes cabeceras para poder utilizarlos:

# ifndef cbi# define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))# endif# ifndef sbi# define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))# endif

Para utilizarlas hay que pasarles como argumento la variable PORT y un pin para establecerlo o limpiarlo.
Gracias a estos pequeños hacks tendremos la posibilidad de mejorar los tiempos de ejecución de ciertas tareas críticas o de aquellas que se repitan muchas veces obteniendo mejores resultados. No obstante el código fuente que escribamos resultará probablemente menos legible si los utilizamos por lo que habrá que sopesarlo en función de nuestras necesidades.

Primer contacto: Hola Mundo en Arduino

El primer paso antes de comprobar que la instalación es correcta y empezar a trabajar con Arduino es abrir algunos ejemplos prácticos que vienen disponibles con el dispositivo. Es recomendable abrir el ejemplo “led_blink” que encontraremos en el menú File, Sketchbook, Examples, led_blink. Este código crea una intermitencia por segundo en un led conectado en el pin 13. Es cuestión de comprobar que el código es correcto, para eso, presionamos el botón que es un triángulo (en forma de "play") y seguidamente haremos un "upload" (que es la flecha hacia la derecha) para cargar el programa a la placa. Si el led empieza a parpadear, todo estará correcto.
Veamos el código necesario para conseguirlo:

# define LED_PIN 13void setup () {
 // Activamos el pin 13 para salida digital
 pinMode (LED_PIN, OUTPUT);}// Bucle infinitovoid loop () {
 // Encendemos el led enviando una señal alta
 digitalWrite (LED_PIN, HIGH);
 // Esperamos un segundo (1000 ms)
 delay (1000);
 // Apagamos el led enviando una señal baja
 digitalWrite (LED_PIN, LOW);
 // Esperamos un segundo (1000 ms)
 delay (1000);}

El orden de ejecución será: Primero se hace una llamada a la función init() que inicializa el programa, después se ejecuta la función setup() que configura diversos parámetros, y por último se ejecuta un bucle while(1) que llama repetidamente a la función loop. Todo ello se ejecuta dentro de main() y podría haberse indicado explícitamente (en el caso anterior se encarga el IDE de añadir el código que se ha omitido).

Bibliotecas en Arduino

Para hacer uso de una biblioteca en Sketch (el IDE de Arduino), basta con hacer clic sobre “Import Library” en el menú, escoger una biblioteca y se añadirá el #include correspondiente. Las bibliotecas estándar que ofrece Arduino son las siguientes:

Serial

Lectura y escritura por el puerto serie.

EEPROM

Lectura y escritura en el almacenamiento permanente.

• read(), write()

Ethernet

Conexión a Internet mediante “Arduino Ethernet Shield“. Puede funcionar como servidor que acepta peticiones remotas o como cliente. Se permiten hasta cuatro conexiones simultaneas.

• Servidor: Server(), begin(), available(), write(), print(), println()
• Cliente: Client(), connected(), connect(), write(), print(), println(), available(), read(), flush(), stop()

Firmata

Comunicación con aplicaciones de ordenador utilizando el protocolo estándar del puerto serie.

LiquidCrystal

Control de LCDs con chipset Hitachi HD44780 o compatibles. La biblioteca soporta los modos de 4 y 8 bits.

Servo

Control de servo motores. A partir de la versión 0017 de Arduino la biblioteca soporta hasta 12 motores en la mayoría de placas Arduino y 48 en la Arduino Mega.

• attach(), write(), writeMicroseconds(), read(), attached(), detach()

El manejo de la biblioteca es bastante sencillo. Mediante attach(número de pin) añadimos un servo y mediante write podemos indicar los grados que queremos que tenga el motor (habitualmente de 0 a 180).

SoftwareSerial

Comunicación serie en pines digitales. Por defecto Arduino incluye comunicación sólo en los pines 0 y 1 pero gracias a esta biblioteca podemos realizar esta comunicación con el resto de pines.

Stepper

Control de motores paso a paso unipolares o bipolares.

• Stepper(steps, pin1, pin2), Stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4), setSpeed(rpm), step(steps)

El manejo es sencillo. Basta con iniciar el motor mediante Stepper indicando los pasos que tiene y los pines a los que esta asociado. Se indica la velocidad a la que queramos que gire en revoluciones por minuto con setSpeed(rpm) y se indican los pasos que queremos que avance con step(pasos).

Wire

Envío y recepción de datos sobre una red de dispositivos o sensores mediante Two Wire Interface (TWI/I2C).
Además las bibliotecas Matrix y Sprite de Wiring son totalmente compatibles con Arduino y sirven para manejo de matrices de leds.
También se ofrece información sobre diversas bibliotecas desarrolladas por contribuidores diversos que permiten realizar muchas tareas.

Creación de biblioteca

Además de las bibliotecas base, las que son compatibles y las que han aportado otras personas tenemos la posibilidad de escribir nuestra propia biblioteca.Esto es muy interesante por varias razones: permite disponer de código que puede reutilizarse en otros proyectos de forma cómoda; nos permite mantener el código fuente principal separado de las bibliotecas de forma que sean mantenibles de forma separada; y la organización de los programas construidos es más clara y elegante.
Veamos un ejemplo de la creación de una biblioteca que envía código Morse:
Creamos el fichero Morse.h que incluye la definición de la clase Morse que tiene 3 funciones: un constructor (Morse()), una función para enviar 1 punto (dot()) y una función para enviar una raya (dash()). La variable _pin permite indicar el pin que vamos a utilizar.

/*
  Morse.h - Library for flashing Morse code.
  Created by David A. Mellis, November 2, 2007.
  Released into the public domain.
*/
 
# ifndef Morse_h# define Morse_h
 
# include "WProgram.h"
 
class Morse
{
  public:
    Morse(int pin);
    void dot();
    void dash();
  private:
    int _pin;};
 
# endif

Además necesitaremos un fichero Morse.cpp con el código, es decir con la implementación de los métodos declarados:

/*
  Morse.cpp - Library for flashing Morse code.
  Created by David A. Mellis, November 2, 2007.
  Released into the public domain.
*/
 
# include "WProgram.h"# include "Morse.h"
 
Morse::Morse(int pin){
  pinMode(pin, OUTPUT);
  _pin = pin;}
 
void Morse::dot(){
  digitalWrite(_pin, HIGH);
  delay(250);
  digitalWrite(_pin, LOW);
  delay(250);}
 
void Morse::dash(){
  digitalWrite(_pin, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(_pin, LOW);
  delay(250);}

Y con esto ya podríamos utilizar la biblioteca mediante el correspondietne #include. Si quisieramos enviar un SOS por el pin 13 bastaría con llamar a Morse(13) y ejecutar

 morse.dot(); morse.dot(); morse.dot();
 morse.dash(); morse.dash(); morse.dash();
 morse.dot(); morse.dot(); morse.dot();

La plataforma arduino incluye algunos ejemplos demostrativos los cuales ayudan al usuario a familiarizarse con el lenguaje, en el siguiente enlace se encuentran los diferentes ejemplos que se encuentran en diche plataforma
http://arduino.cc/es/Tutorial/HomePage