Александр Фролов - Робототехника: практическое введение для детей и взрослых

Два контакта порта GPIO используются для подключения внешних устройств, работающих с протоколом I 2C (Inter-Integrated Circuit). Также предусмотрено три контакта для обмена данными с устройствами по протоколу SPI (Serial Parallel Interface).

Наличие портов I 2C (встречается обозначение I2C) и SPI дает возможность подключить к микроконтроллеру такие устройства, как моторы и шаговые двигатели, датчики движения, датчики газа и наличия воды, радио модули и т.д. Эти устройства продаются в интернет-магазинах и, как вы увидите, легко подключаются к micro:bit и программируются.

Микрокомпьютер micro:bit при питании от батарей потребляет всего несколько десятков мА при напряжении питания 3В. И это если включены все светодиоды, а процессор загружен на полную мощность. Заметим, что макет нашего марсохода будет питаться от батарей или аккумуляторов, поэтому важно, чтобы все бортовые устройства потребляли как можно меньше энергии.

Рис. В.4. Кнопки и светодиодный экран на плате micro : bit v 1.5

Начинающие программисты смогут воспользоваться визуальным редактором программ MakeCode. Этот редактор доступен через браузер, так что его даже не надо устанавливать на компьютер (хотя есть и версия для установки на Windows и MacOS). Также можно работать с MakeCode при помощи мобильного приложения, доступного для смартфонов и планшетов на базе Android и iOS.

Рис. В.5. Сенсорная кнопка в виде логотипа, микрофон и светодиод на плате micro : bit v 2

Рис. В.6. Микрофон, индикатор питания и динамик на плате micro : bit v 2

Для micro:bit можно создавать программы на языке Python, используя несложный в использовании редактор Python Editor. Есть также инструменты, позволяющие программировать micro:bit на языках JavaScript, С и даже Ada.

Микроконтроллер Arduino был создан в 2005 году для быстрого обучения студентов работе с электронными проектами. Сейчас он стал очень популярен, однако, на мой взгляд, Arduino имеет заметно более высокий порог вхождения по сравнению с BBC micro:bit.

Прежде всего, для программирования Arduino используется не самый простой в изучении язык С++. Вам также придется установить на свой компьютер Arduino IDE, либо использовать онлайн редактор Arduino Web Editor.

Изучение языков С и С++ очень полезно в плане профессиональной работы с микроконтроллерами, однако на первом этапе при использовании micro:bit можно получить представление о робототехнике и без знаний этих языков программирования.

Далее, на плате Arduino нет таких устройств, как на micro:bit. Предполагается, что для подключения различной периферии (датчиков, например) вы будете приобретать платы расширения (Arduino Shield или шилды). Эти платы и устройства можно подключить к плате Arduino через разъем GPIO.

В продаже имеется очень много плат расширения Arduino Shield самого разного назначения, однако все их нужно покупать дополнительно.

Что касается энергопотребления, то сам по себе микрокомпьютер Arduino довольно экономичен. Плата Arduino Uno требует питание 9 В, потребляя при этом порядка 50 мА. Есть и более экономный вариант – Arduino Pro Mini. Он может использовать для питания напряжение 3,3 В (как micro:bit), и при этом потребляет всего несколько десятков мкA. Тем не менее, следует учитывать энергопотребление дополнительных модулей (как и в случае micro:bit), а оно может быть довольно значительным.

Конечно, платформу Arduino можно использовать для создания своей модели марсохода и других проектов, однако мы начнем с платформы BBC micro:bit, как более легкой в освоении.

В то время как Arduino представляет собой платформу для обучения и любительских разработок, в профессиональной области большое распространение получили микроконтроллеры STM32 производства STMicroelectronics https://www.st.com/.

Платформа STM32 Nucleo F401RE, совместимая с модулями расширения Arduino, представляет намного больше возможностей по сравнению с платформой Arduino и micro:bit.

C точки зрения применения в робототехнике у микроконтроллеров на базе STM32 намного больше возможностей, чем у Arduino или micro:bit.

Однако все имеет свою цену. И если роботы на базе micro:bit можно разрабатывать с применением очень простых средств блочного визуального программирования, то при использовании Arduino и STM32 не обойтись без знаний языков программирования С или С++. Кроме того, архитектура процессоров STM32 достаточно сложна, а в полном руководстве по моделям STM32 насчитывается более 1700 страниц!

Тем не менее, вам не придется читать это руководство на первом этапе знакомства. Имеются средства программирования для STM32, скрывающие сложность внутри готовых библиотек и программных модулей.

Для решения серьезных задач, таких как обработка данных, полученных от измерительной аппаратуры нашей модели марсохода, передачи видео «на землю», распознавание изображений, передачи данных, полученных от контроллеров умного дома через интернет и т.п. микрокомпьютеры BBC micro:bit и Arduino, к сожалению, не подойдут. В то же время относительно недорого можно приобрести миниатюрный одноплатный компьютер Raspberry Pi, способный составить конкуренцию в некоторых случаях даже настольным компьютерам.

Например, модель Raspberry Pi 4 содержит 64-разрядный 4-ядерный процессор ARMv8-A с тактовой частотой 1,5 Ггц. У него есть встроенный графический процессор GPU Broadcom VideoCore VI, беспроводные интерфейсы Bluetooth и WiFi, разъем RJ-45 Ethernet с пропускной способностью 1 Гбит, интерфейс видеокамеры, два интерфейса Micro HDMI, интерфейсы USB и другое оборудование.

К микрокомпьютеру Raspberry Pi через шину GPIO можно подключить самые разнообразные устройства, такие как измерители параметров, двигатели и пр.

Надо понимать, что для Raspberry Pi 4 нужен довольно мощный источник электропитания. Штатный блок питания, например, обеспечивает 3 А при напряжении 5 В, а это уже 15 Вт. Если устанавливать этот микрокомпьютер на макет марсохода, то для его питания (а также для питания дополнительных устройств) в течение длительного времени потребуются довольно тяжелые и емкие аккумуляторы. Будет нужно прочное шасси и мощные электродвигатели, которые сами по себе будут потреблять много электроэнергии.

Вы можете сделать на базе Raspberry Pi 4, например, сервер обработки данных, полученных от макета марсохода или контроллеров умного дома, Web-сервер для трансляции этих данных в интернете и для решения других подобных задачи. Вы можете создавать программы для Raspberry Pi с использованием практически любых языков программирования, доступных для обычных серверов, настольных компьютеров и ноутбуков.