Arduino & Pi

Скоро планирую сделать третью версию с весами и управлением через Web!

Вот схемы обеих версий, а вся информация по сборке как обычно в видео, страницы проектов на гитхаб соответственно версия 1 и версия 2.

Эта статья - вводная в цикле переводов даташита на чип RP2040, которые будут появляться здесь. Надеюсь, это будет интересно и познавательно для Вас, и Вы сможете узнать для себя что-то новое.

Raspberry Pi Foundation всегда знает чем порадовать или удивить нас, а так же как подталкивать других производителей на интересные шаги и решения для хорошей конкуренции.

В четверг (рыбный день, кстати) 21-ого января 2021 года был анонсирован выпуск нового микроконтроллера RP2040.

Честно говоря, я прочитал эту новость и не планировал ничего делать по этому поводу. Но потом случайно заметил несколько особенностей этого микроконтроллера, что разбудило любопытство во мне. Очень привлекло наличие PIO блоков и множество PWM. Справедливости ради, PWM можно как-то решить, а вот с PIO есть смысл поиграться.

Приведу часть технических характеристик:

Два ядра Arm Cortex-M0+ @ 133 МГц

264 КБ памяти (284 КБ если отключить XIP кеширование и использовать память USB)

2 МБ флеш-память с XIP кешированием. В RP2040 нет встроенной флеш-памяти, поэтому чип распаян на плате. У RP2040 есть поддержка до 16 МБ внешней флеш-памяти

DMA контроллер

4 x 12-разрядных аналоговых входа (на Pico доступно для пользователя 3 из них)

2 × UART

2 × SPI

2 × I2C

16 × PWM каналов

Встроенный сенсор температуры

Всего 30 GPIO пинов (3,3 вольта)

MicroUSB B порт с USB 1.1 контроллером и поддержкой хоста

2 × PIO блока для своих собственных интерфейсов

2 x PLL (один для USB, второй для остального)

Поддержка UF2 для загрузки бинарников

Поддержка SWD для загрузки и отладки

Поддержка спящих режимов и пониженной частоты для снижения потребления

PIO блоки дают возможность создавать свои интерфейсы. Например, можно запрограммировать интерфейс WS2812, добавить I2S, SDIO или VGA и т.п.

Ещё одна интересная штука: ядро Cortex-M0+ не содержит в себе блока вычислений с плавающей запятой. Обычно это эмулируется библиотеками GCC, но тут Raspberry Pi использует более быстрое оптимизированное решение от автора Qfplib, которое лицензировано для использования на RP2040.

Я считаю, что мигание светодиода с плавным увеличением и уменьшением яркости - обязательно нужно включить в уроки программирования.

Регулировать будем без использования библиотеке и модулей – максимально понятными командами.

Немного теории о ШИМ-регулировании.

1. Если часто мигать светодиодом, то глаз человека не сможет заметить мерцания, картинка станет непрерывной, как кино с плёнки. У гомо сапиенс этот предел равен 24 картинки в секунду. Опытным путем я установил, что при существующей инерции кристалла светодиода и скорости Ардуины, если мигать светодиодом с паузой 23 мс, то уже мерцания не видно.

2. Изменять яркость светодиода можно зажигая его не НЕНАДОЛГО. Например, если быстро-быстро включать и выключать светодиод с равными паузами, то в него «вольётся» половина мощности (по сравнению с постоянно включенным), а за счет быстрой-быстрой смены состояний глаз не заметит мерцания, но увидит уменьшение яркости.

3. Изменяя длину паузы в выключенном состоянии и длину паузы во включенном можно менять и вкачиваемую мощность, например, 1 «тик» светодиод включен и 99 «тиков» выключено итого вкачается 1% мощности. Кстати, соотношение паузы «ОТКЛ» к паузе «ВКЛ» характеризуется скважностью импульсов.

4. Регулировать мощность (не только светодиодов) можно аналоговым способом (например, меняя уровень напряжения на выходе) или цифровым – быстро-быстро подавая в нагрузку либо полный ток, либо полное отсутствие тока. Второй метод намного экономичнее – так как на закрытом транзисторе не теряется мощность, а на открытом теряется минимально.

5. Наконец, простые методы изменения скважности (то есть, цифровой регулировки мощности) бывают со строгой частотой (это ШИМ) и с плавающей (это ЧМ). Широтно-импульсная модуляция отличается от частотной только тем, что в первой изменяется одновременно и длина паузы «ВКЛ» и длина паузы «ОТКЛ» причем так, чтобы их сумма составляла некую константу - тогда частоты периода будет всегда одинакова (нам это важно, чтобы глазу не было видно мерцания, а в электронике это удешевляет настройку фильтров); во второй же – меняется пауза только одного состояния.

Теперь, описание скетча.

Первая строка «#define ledPin 13» - лишняя, номер пина можно указывать прямо в коде, но он там встречается 6 раз, что при переназначении неудобно (см. видеоролик).

В блоке «setup» мы просто задаём режим работы пина – как выход.

Наконец, в блоке «loop» сначала запускаем цикл, где от меняем паузу включения от 0 до 22 мс, одновременно рассчитываем паузу включения от 23 до 1 мс – суммарно каждый период составляет всегда 23 мс. На последнем шаге этого цикла светодиод мы зажигаем на 22 мс, а гасим на 1 мс – то есть максимальная ШИМ-яркость.

Для удобства группирования участков кода в этом «уроке» я позволил себе разместить по два оператора в строке.

После завершения первого цикла светодиод погаснет на 1 мс и уже не включится, так как цикл закончился, поэтому зажигаем его принудительно и оставляем в таком состоянии на 200 мс (подобрано опытным путём – это приятная пауза на пике максимальной яркости).

Затем запускаем аналогичный цикл, но уже, наоборот, с уменьшением времени зажигания – это будет видно, как плавное выключение.

В уроке разобраны самые простые и популярные цифровые фильтры данных применительно к C++ и Ардуино:

- Среднее арифметическое

- Скользящее среднее

- Медианный фильтр

- Упрощённый Калман

- Линеаризация наименьшими квадратами

Фильтры протестированы на синтетическом "шумном" сигнале