M

MLOG

Lietuvių

Pasinerkite į įterptųjų sistemų ir mikrokontrolerių programavimo pasaulį. Susipažinkite su pagrindinėmis sąvokomis, programavimo kalbomis, architektūromis ir praktiniais pritaikymais visai auditorijai.

Embedded Systems: Visapusiškas mikrokontrolerių programavimo vadovas

Įterptosios sistemos yra visur, nuo išmaniųjų telefonų mūsų kišenėse iki sudėtingos gamyklų įrangos. Šis vadovas suteikia išsamią įterptųjų sistemų apžvalgą, ypatingą dėmesį skiriant mikrokontrolerių programavimui, tinkamą pasaulinei auditorijai, turinčiai įvairų techninį pasirengimą. Mes nagrinėsime pagrindines sąvokas, programavimo kalbas, aparatinės įrangos svarstymus ir realaus pasaulio pritaikymus. Šis vadovas siekia suteikti jums žinių, kad galėtumėte suprasti, kurti ir prisidėti prie sparčiai besivystančio įterptųjų sistemų pasaulio.

Kas yra įterptosios sistemos?

Įterptoji sistema yra specializuota kompiuterinė sistema, skirta atlikti tam skirtą užduotį arba užduočių rinkinį. Skirtingai nei bendrosios paskirties kompiuteriai (pvz., jūsų nešiojamasis kompiuteris), įterptosios sistemos paprastai yra didesnio prietaiso ar sistemos dalis ir dažnai pasižymi realaus laiko apribojimais, ribotais ištekliais ir specifinėmis funkcijomis. Jos paprastai sukurtos konkrečiai programai ir optimizuotos efektyvumui, našumui ir energijos sąnaudoms.

Apsvarstykite šiuos pavyzdžius:

Pagrindiniai įterptųjų sistemų požymiai yra šie:

Mikrokontroleriai: Įterptųjų sistemų širdis

Mikrokontroleriai (MCU) yra daugelio įterptųjų sistemų smegenys. Tai maži, savarankiški kompiuteriai viename integruotame grandyne (IC). Paprastai jie apima procesoriaus branduolį, atmintį (RAM ir „Flash“), įvesties/išvesties (I/O) išorinius įrenginius (laikmačius, nuosekiojo ryšio sąsajas, analoginius-skaitmeninius keitiklius) ir kitus komponentus, reikalingus konkrečiam prietaisui ar procesui valdyti. Jie skiriasi nuo mikroprocesorių, kuriems paprastai reikia išorinių komponentų, tokių kaip atmintis ir I/O valdikliai. Mikrokontroleriai yra ekonomiškas ir energiją taupantys, todėl idealiai tinka įterptosioms programoms.

Pagrindiniai mikrokontrolerio komponentai:

Tinkamo mikrokontrolerio pasirinkimas

Tinkamo mikrokontrolerio pasirinkimas yra svarbus bet kurio įterptųjų sistemų projekto žingsnis. Šiam sprendimui įtakos turi keli veiksniai:

Populiarios mikrokontrolerių architektūros:

Mikrokontrolerių programavimo kalbos

Mikrokontrolerių programavimui naudojamos kelios programavimo kalbos. Pasirinkimas dažnai priklauso nuo mikrokontrolerio architektūros, projekto reikalavimų ir kūrėjo nuostatų.

Pavyzdys: „Labas, pasauli!“ C kalba Arduino:


void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, World!");
  delay(1000);
}

Įterptųjų sistemų kūrimo įrankiai

Įterptųjų sistemų kūrimo procesas apima įvairius įrankius:

Įterptųjų sistemų kūrimo procesas

Kūrimo procesas paprastai apima kelis etapus:

  1. Reikalavimų rinkimas: Apibrėžkite sistemos funkcionalumą, našumą ir kitus reikalavimus.
  2. Sistemos projektavimas: Suprojektuokite aparatinės ir programinės įrangos architektūrą. Tai apima mikrokontrolerio pasirinkimą, grandinės projektavimą ir programinės įrangos modulių apibrėžimą.
  3. Aparatinės įrangos kūrimas: Suprojektuokite ir sukurkite aparatinės įrangos grandinę, įskaitant mikrokontrolerį, jutiklius, aktyviklius ir kitus komponentus. Tai gali apimti PCB (spausdintinės plokštės) projektavimą naudojant tokias programas kaip „KiCad“ ar „Eagle“.
  4. Programinės įrangos kūrimas: Parašykite šaltinio kodą, sukompiliuokite jį ir išbandykite.
  5. Testavimas ir derinimas: Išsamiai išbandykite sistemą, įskaitant aparatūros ir programinės įrangos testavimą. Nustatykite ir ištaisykite bet kokius klaidas. Tai gali apimti vieneto testavimą, integracijos testavimą ir sistemos testavimą.
  6. Diegimas: Įkelkite programinę įrangą į mikrokontrolerį ir diekite sistemą jos numatytoje aplinkoje.
  7. Priežiūra: Stebėkite sistemą, taisykite klaidas ir teikite atnaujinimus, jei reikia.

Mikrokontrolerių programavimo pritaikymas realiame pasaulyje

Mikrokontroleriai naudojami įvairiausiose pasaulinėse programose:

Pavyzdys: Išmani namų automatika:

Išmanioji namų sistema naudoja mikrokontrolerį (dažnai ESP32 ar panašų) valdyti apšvietimą, temperatūrą ir kitus prietaisus. Jutikliai nustato aplinką ir paleidžia veiksmus pagal užprogramuotą logiką. Pavyzdžiui, temperatūros jutiklis gali paleisti šildymo ar vėsinimo sistemą pagal iš anksto nustatytus temperatūros slenksčius. Sistema jungiasi prie interneto (paprastai per „Wi-Fi“), kad leistų nuotolinį valdymą ir stebėjimą per mobiliąją programėlę.

Darbas su Arduino: Praktinis įvadas

„Arduino“ yra atvirojo kodo elektronikos platforma, pagrįsta lengvai naudojama aparatine ir programine įranga. Ji yra labai populiari tarp pradedančiųjų dėl savo paprastumo ir išsamaus bendruomenės palaikymo. „Arduino“ platforma paprastai naudoja AVR mikrokontrolerius (pvz., ATmega328P) ir siūlo patogią IDE bei supaprastintą programavimo kalbą, pagrįstą C/C++.

Pagrindiniai „Arduino“ platformos komponentai:

Pradžia su „Arduino“:

  1. Atsisiųskite ir įdiekite „Arduino IDE“: Iš oficialios „Arduino“ svetainės (arduino.cc).
  2. Prijunkite „Arduino“ plokštę prie kompiuterio: Naudodami USB kabelį.
  3. Pasirinkite savo plokštę ir prievadą: „Arduino IDE“ (Tools > Board ir Tools > Port).
  4. Parašykite savo pirmąją programą (pvz., „Blink“): Klasikinis „Hello, World!“ atitikmuo įterptosioms sistemoms, kai šviesos diodas mirksi įjungtas ir išjungtas.
  5. Įkelkite kodą į savo „Arduino“ plokštę: Paspauskite „Upload“ mygtuką „Arduino IDE“.

Pavyzdys: LED mirksėjimas:


// Nustatyti LED kaištį
const int ledPin = 13;

void setup() {
  // Nustatyti LED kaištį kaip išvestį
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Įjungti LED
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // Palaukti vieną sekundę
  delay(1000);
  // Išjungti LED
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // Palaukti vieną sekundę
  delay(1000);
}

„Arduino“ platforma yra puiki pradžia pradedantiesiems, besidomintiems mikrokontrolerių programavimu. Daugybė internetinių vadovų, kursų ir bendruomenės išteklių yra lengvai prieinami, kad padėtų jums atlikti procesą. Tai daro ją prieinamą besimokantiesiems visame pasaulyje, nepriklausomai nuo jų kilmės.

Darbas su Raspberry Pi Pico: Kitoks požiūris

„Raspberry Pi Pico“ yra pigi, didelio našumo mikrokontrolerio plokštė, sukurta „Raspberry Pi Foundation“. Joje yra RP2040 mikrokontroleris, dviejų branduolių ARM Cortex-M0+ procesorius. Jis siūlo kitokį požiūrį į įterptųjų sistemų mokymąsi ir yra geras „Arduino“ alternatyva tam tikroms programoms.

Pagrindinės „Raspberry Pi Pico“ funkcijos:

„Raspberry Pi Pico“ naudojimo privalumai:

Pradžia su „Raspberry Pi Pico“ (naudojant „MicroPython“):

  1. Atsisiųskite ir įdiekite „Thonny IDE“: Python IDE, kuri yra iš anksto sukonfigūruota „MicroPython“.
  2. Prijunkite „Raspberry Pi Pico“ prie kompiuterio: Naudodami USB kabelį.
  3. Įdiekite „MicroPython“ programinę įrangą „Pico“: Vadovaukitės „Thonny IDE“ instrukcijomis.
  4. Parašykite savo pirmąją programą (pvz., „Blink“): Panašiai kaip „Arduino“ pavyzdyje, ši programa privers mirksėti integruotą šviesos diodą.
  5. Įkelkite ir paleiskite kodą: Išsaugokite savo kodą „Raspberry Pi Pico“ ir paleiskite kodą naudodami „Thonny IDE“.

Pavyzdys: LED mirksėjimas naudojant „MicroPython“ „Raspberry Pi Pico“:


import machine
import time

led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)  # GPIO 25 yra integruotas LED

while True:
  led.value(1)  # Įjungti LED
  time.sleep(0.5)
  led.value(0)  # Išjungti LED
  time.sleep(0.5)

Pažangiosios mikrokontrolerių programavimo sąvokos

Tobulėjant įterptųjų sistemų kūrime, susidursite su pažangiosiomis sąvokomis:

Išteklių, skirtų mokymuisi ir tolesnei analizei,

Yra daugybė išteklių, skirtų daugiau sužinoti apie įterptąsias sistemas ir mikrokontrolerių programavimą:

Įterptųjų sistemų ateitis

Įterptosios sistemos nuolat vystosi, o naujausios tendencijos formuoja jų ateitį:

Įterptųjų sistemų sritis siūlo daugybę karjeros galimybių inžinieriams, kūrėjams ir kitiems specialistams. Laukiama, kad kvalifikuotų specialistų šiame sektoriuje poreikis išliks didelis, todėl tai puikus karjeros kelias tiems, kurie domisi technologijomis.

Išvada

Mikrokontrolerių programavimas yra kertinis įgūdis įterptųjų sistemų pasaulyje. Šis vadovas suteikė išsamią apžvalgą, apimantį pagrindines sąvokas, programavimo kalbas, aparatinės įrangos svarstymus ir praktinius pavyzdžius. Dedikuodamas ir naudodamasis tinkamais ištekliais, kiekvienas gali įgyti žinių ir įgūdžių, reikalingų įterptosioms sistemoms kurti, konstruoti ir programuoti. Nuo paprasto LED mirksėjimo iki sudėtingų daiktų interneto pritaikymų, galimybės yra neribotos. Toliau tyrinėkite, eksperimentuokite ir kurkite. Įterptųjų sistemų ateitis yra šviesi, ir jūs turite galimybę būti jos dalimi. Pradėkite savo kelionę šiandien!

Embedded Systems: Visapusiškas mikrokontrolerių programavimo vadovas | MLOG