Материал: 10176245_831175obrazovat

Рисунок 13. Микроконтроллер VEX Cortex EDR

Микроконтроллеры Cortex-M представляют собой одно из направлений развития микропроцессорных ядер, предлагаемых фирмой ARM. Фактически, под общей торговой маркой Cortex можно увидеть три типа процессоров (профилей), обозначаемых буквами A, R, M. Задачей профиля A стало достижение большой вычислительной мощности. Изделия с этой маркировкой - Cortex-A, представляют собой классические микропроцессоры, являющиеся дальнейшей эволюцией разработок ARM. Профиль R нацелен на использование во встраиваемых системах, поэтому эти процессоры модернизированы для исполнения задач в реальном времени. Основной задачей профиля M заявлена простота и низкая стоимость. Технически Cortex-M представляют сильно упрощенные варианты старших моделей. Тем не менее, даже такие «урезанные» контроллеры обладают вычислительной мощностью, значительно превышающей многие аналоги. Также отличием от «больших» ARM стала поддержка битовых операций, необходимая в микроконтроллерах для работы с периферией.

Микроконтроллер на базе VEX ARM® Cortex® координирует потоки информации и электроэнергии робота. Все прочие электронные элементы системы (электромоторы, датчики и пр.) связаны с микроконтроллером. Микроконтроллер может осуществлять двунаправленную передачу данных для управления, отладки и загрузки через инновационное беспроводное соединение VEXnet. Микрокон-

66

троллер является мозгом каждого робота VEX. Робот представляет собой сложную систему, состоящую из частей, которые должны работать вместе для достижения требуемой цели. Электронное управление, реализованное с помощью программируемого контроллера, например, микроконтроллера, демонстрирует процесс координирования работы различных компонентов робота для выполнения поставленной задачи.

Микроконтроллер оснащен пользовательским процессором

STMicroelectronics ARM Cortex-M3. Данный процессор отвечает за интерпретацию программ/инструкций, обработку команд и соответствие отклика. Помимо процессора, микроконтроллер оснащен рядом портов (до двенадцати), через которые может осуществляться подключение к интерфейсу датчиков и электромоторов.

Рассмотрев микроконтроллер, стоит рассмотреть и особенность Vex, которая отличает их от того же Lego. Это джойстик Vexnet (рис. 14). Несмотря на то, что многие роботы проектируются с акцентом на автономную работу, зачастую возникает потребность в ручном управлении роботом. Джойстик VEXnet позволяет оператору управлять действиями робота в режиме реального времени, используя инновационное беспроводное соединение VEXnet.

Рисунок 14. Джойстик VEX

67

Оператор отправляет команды роботу с помощью ручек и кнопок на джойстике VEXnet. Команды отправляются микроконтроллеру Cortex в форме сигналов VEXnet с помощью ключа USB-адаптера VEXnet, подключаемого к микроконтроллеру робота VEX. Джойстик снабжен двумя аналоговыми ручками, работающими в двух направлениях, четырьмя пусковыми кнопками и двумя навигационными панелями с четырьмя кнопками. Джойстик также снабжен акселерометром, с помощью которого может быть достигнуто наклонное положение по осям X-Y. Благодаря этой возможности управление положением руки робота или приводной системы может осуществляться путем изменения наклона джойстика.

Для передачи данных микроконтроллер VEX Cortex использует беспроводное соединение и специальное оборудование VEXnet, благодаря которому исчезает необходимость в использовании IP адресов, MAC-адресов, настроек безопасности и IP-протоколов. Нужно просто включить оборудование, после чего соединение между микроконтроллером и соответствующим ему джойстиком будет выполнено автоматически.

Оборудование VEXnet работает в частотном диапазоне 2,4 ГГц. Этот тип беспроводной связи позволяет осуществлять отправку больших объемов данных в обоих направлениях между джойстиком VEXnet и микроконтроллером VEX Cortex. До этого единственным безопасным и надежным методом передачи настолько больших объемов данных был метод передачи по проводам и кабелю. Тем не менее, для многих вариантов использования в робототехнике этот метод не был продуктивным. VEXnet позволяет осуществлять непрерывное и полноценное беспроводное управление. Исходя из этого мы получаем прекрасное оборудование, которое позволяет нам с большой точностью совершать управление роботом. Такая точность дает нам возможность выполнять сложные робототехнические задания, представленные на соревнованиях.

Программным обеспечением для робототехнического конструктора Vex, является RobotС. В настоящий момент — это единственный язык программирования для роботов, который предоставляет развитый режим отладки во время выполнения программ.

68

Еще одной распространённой платформой для образовательной робототехники в старших классах является Arduino.

Arduino - это бесплатная аппаратная платформа, основанная на плате с микроконтроллером и средой разработки, которая включает в себя входные и выходные сигналы, а также порты для связи с компьютером. Она была разработана для облегчения использования электроники в междисциплинарных проектах. для ее использования можно скачать бесплатное программное обеспечение для программирования, или использовать другой инструмент в языке программирования

C.

Arduino была создана для художников, дизайнеров, любителей и для тех, кто заинтересован в создании интерактивных сред или объектов. Благодаря своей простоте использования она стала одним из основных ресурсов для тех, кто входит в мир образовательной робототехники.

Arduino представляет собой плату с микроконтроллером Atmel ATmega, всей необходимой для него обвязкой, регулятором напряжения и USB-UART мостом. Все выводы платформы выведены на края платы и как правило уже оборудованы разъемами.

Основные модели Arduino имеют в своем составе 8-битный микропроцессор ATmega. Как правило, для большинства проектов использующих Arduino, такого слабого процессора вполне хватает. Имеется и версия на основе 32-разрядного ARM Cortex M3 (ATMEL SAM3U).

Наиболее популярная версия Arduino Uno базируется на микроконтроллере ATmega328. Имеет 15 GPIO портов, включая 6 ШИМ (рис. 15). Микроконтроллер снабжен 32Кб Flash-памяти и 2Кб RAM. На базе данной платформы присутствует кварцевый генератор, работающий на частоте 16 МГц. Питание платформы может осуществляться от персонального компьютера через порт USB или от внешнего блока питания постоянного тока с выходным напряжением от 5 до

12 В.

Для программирования Arduino не требуется внешний программатор, так как в микроконтроллер уже зашит загрузчик (boot loader).

69

Кроме того, на плате размещается USB-UART мост, который позволяет загружать скетчи при помощи обычного USB интерфейса.

Рисунок 15. Внешний вид платы Arduino Uno

Программный код для Arduino выполняется на языке Processing/Wiring, имеющем синтаксис C++. Для составления кода и загрузки его в контроллер используется свободно-распространяемый редактор Arduino IDE. Именно благодаря этим двум особенностям, Arduino стала самой распространенной платформой для начинающих разработчиков электроники.

Arduino является инструментом для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения.

У оболочки Arduino IDE есть монитор последовательного порта, который позволяет отображать на экране монитора ПК результаты измерений аналоговых сигналов тока, напряжения, частоты вращения, температуры. На плате платформы присутствует колодка с постоянным напряжением 5 В и общим проводом (ground) для питания

70