Программируем квадрокоптер на Arduino (часть 1) / Habr

Здравствуйте, хаброжители!
В этой серии статей мы с вами приоткроем крышку квадрокоптера чуть больше, чем этого требует хобби, а также напишем, настроим и запустим в воздух собственную программу для полетного контроллера, которым будет являться обычная плата Arduino Mega 2560.

У нас впереди:

1. Базовые понятия (для начинающих коптероводов).
2. PID-регуляторы с интерактивной web-демонстрацией работы на виртуальном квадрокоптере.
3. Собственно программа для Arduino и настроечная программа на Qt.
4. Опасные тесты квадрокоптера на веревке. Первые полёты.
5. Крушение и потеря в поле. Автоматический поиск с воздуха средствами Qt и OpenCV.
6. Окончательные успешные тесты. Подведение итогов. Куда дальше?

Материал объемный, но постараюсь уложиться в 2-3 статьи.
Сегодня нас ожидает: спойлер с видео, как наш квадрокоптер полетел; базовые понятия; PID-регуляторы и практика подбора их коэффициентов. Академический интерес, который, кстати, преследует не только меня (1, 2, 3). Ну и, конечно же, для души. Я получил огромное удовольствие во время работы и ощутил настоящее непередаваемое счастье, когда «ЭТО» полетело с моей программой :-)Данный материал может быть интересен в том числе и людям, которые далеки, или пока только собираются заняться мультироторными системами. Сейчас поговорим про назначение основных узлов квадрокоптера, про то, как они взаимодействуют между собой, про основные понятия и про принципы полёта. Конечно, все знания, которые нам потребуются, можно найти в сети, но нельзя же заставлять выискивать их на просторах необъятного интернета.

Без ущерба для понимания в базовых понятиях смело пропускайте все, что вам известно, до следующего незнакомого термина,

выделенного жирным, или до непонятной иллюстрации.

Не беритесь писать собственную программу для полетного контроллера, пока не попробуете готовые решения, которых сейчас достаточно много (Ardupilot, MegapirateNG, MiltiWii, AeroQuad и т.п.). Во-первых, это опасно! Чтобы управлять квадрокоптером без GPS и барометра нужна практика, а тем более, когда он глючит, переворачивается, летит не совсем туда, куда надо — а этого почти не избежать во время первых тестов. Во-вторых, вам будет во много раз легче программировать понимая, что нужно программировать и как оно должно работать в итоге. Поверьте: математика полета — лишь малая часть кода программы.Не беритесь писать собственную программу для полетного контроллера, если вас не преследует академический интерес и вам нужно только то, что уже давно умеют готовые решения (летать, фотографировать, снимать видео, летать по заданию и т.п.) Пока вы сами все напишите, пройдет немало времени, даже если вы не один.
Квадрокоптеры бывают разные, но всех их объединяют четыре несущих винта:Не смотря на кажущуюся симметрию, пилоту очень важно различать, где у квадрокоптера перед (показан стрелкой). Здесь, как у радиоуправляемых моделей автомобилей: при команде «вперед» квадрокоптер летит не туда, куда смотрит пилот, а туда, куда направлен воображаемый нос квадрокоптера. Это таит в себе опасность: новичкам бывает трудно вернуть к себе подхваченный ветром аппарат, развернутый как-нибудь боком (мы, конечно, не говорим про полеты по камере от первого лица и про «умные» режимы полета с использованием компаса и GPS.) Решению этой проблемы частично могут помочь передние винты или лучи другого цвета, какой-нибудь шарик спереди или разноцветные светодиоды. Но все это оказывается бесполезным, когда пепелац стремительно превращается в точку над горизонтом.

Мы будем летать на раме квадрокоптера формы «X», потому что она мне больше нравится внешне. У каждой конструкции свои плюсы и свое предназначение. Кроме квадрокоптеров есть и другие мультикоптеры. Даже если не считать экзотические варианты, все равно их видов — целая куча!

Разберемся, как наш квадрокоптер устроен внутри, и чем же должен заниматься полетный контроллер, который мы планируем программировать.

Углы тангажа, крена и рыскания (pitch, roll, yaw) — углы, которыми принято определять и задавать ориентацию квадрокоптера в пространстве.

Иногда слово «угол» опускают и просто говорят: тангаж, крен, рыскание. Но согласно Википедии это не совсем точно. Полет квадрокоптера в необходимом направлении достигается изменением этих трех углов. Например, чтобы полететь вперед квадрокоптер должен наклониться за счет того, что задние моторы закрутятся чуть сильнее передних:

Газ квадрокоптера — среднее арифметическое между скоростями вращения всех моторов. Чем больше газ, тем больше суммарная тяга моторов, тем сильнее они тащат квадрокоптер вверх (НЕ ВПЕРЕД!!! «Тапок в пол» здесь означает наискорейший подъем). Обычно измеряется в процентах: 0% — моторы остановлены, 100% — вращаются с максимальной скоростью. Газ висения — минимальный уровень газа, который необходим, чтобы квадрокоптер не терял высоту.

Газ, тангаж, крен, рыскание — если вы можете управлять этими четырьмя параметрами, значит вы можете управлять квадрокоптером. Их еще иногда называют каналами управления. Если вы приобрели двухканальный пульт, с квадрокоптером вам не совладать. Трехканальный скорее подойдет для маленьких вертолетов: без управления креном летать можно, но на квадрокоптере — не удобно. Если вы хотите менять режимы полета, придется раскошелиться на пятиканальный пульт. Хотите управлять наклоном и поворотом камеры на борту — еще плюс два канала, хотя профессионалы используют для этого отдельный пульт.

Режимов полета существует много. Используется и GPS, и барометр, и дальномер. Но мы хотим реализовать базовый — режим стабилизации (stab, stabilize, летать в «стабе»), в котором квадрокоптер держит те углы, которые ему задаются с пульта не зависимо от внешних факторов. В этом режиме при отсутствии ветра квадрокоптер может висеть почти на месте. Ветер же придется компенсировать пилоту.

Направление вращения винтов выбирается не случайно. Если бы все моторы вращались в одну сторону, квадрокоптер вращался бы в противоположную из-за создаваемых моментов. Поэтому одна пара противостоящих моторов всегда вращается в одну сторону, а другая пара — в другую. Эффект возникновения моментов вращения используется, чтобы изменять угол рыскания: одна пара моторов начинает вращаться чуть быстрее другой, и вот уже квадрокоптер медленно поворачивается к нам лицом (ужас какой):

• LFW — left front clockwise rotation (левый передний, вращение по часовой стрелке)
• RFC — right front counter clockwise rotation (правый передний, вращение против часовой стрелке)
• LBC — left back counter clockwise rotation (левый задний, вращение против часовой стрелке)
• RBW — right back clockwise rotation (правый задний, вращение по часовой стрелке)

Скоростью вращения моторов управляет полетный контроллер (контроллер, мозги). Обычно это небольшая плата или коробочка с множеством входов и выходов. Существует огромное количество различных контроллеров с разным набором возможностей, разными прошивками, разными задачами. Вот лишь некоторые:

Обобщенной задачей полетного контроллера является несколько десятков раз в секунду выполнять цикл управления в который входит: считывание показаний датчиков, считывание каналов управления, обработка информации и выдача управляющих сигналов моторам, чтобы выполнять команды пилота. Именно это мы и собираемся запрограммировать.

Различных видов датчиков, которые можно задействовать, очень много. Мы будем использовать ставшие уже почти обязательными во всех квадрокоптерах трехосевой гироскоп и трехосевой акселерометр. Акселлерометр измеряет ускорение, гироскоп измеряет угловую скорость. Благодаря им полетный контроллер узнает текущие углы тангажа, крена и рыскания. Эти датчики бывают встроенными в полетный контроллер, а бывают внешними. Процесс вычисления трех углов по показаниям датчиков — тема для отдельной статьи. Но нам этого здесь знать не надо: за нас все сделает MPU-6050. Это небольшая плата, проводящая необходимые вычисления и фильтрации у себя внутри и выдающая по протоколу i2c уже почти готовые углы. Нам останется их считать, обработать с остальными данными и выдать управляющие сигналы моторам.

Моторы на мультикоптерах потребляют большие токи, поэтому полетный контроллер управляет ими не напрямую, а через специальные аппаратные драйвера, называемые регуляторами скорости (ESC, ре́гуль, е́ска). Эти регуляторы питаются от основного бортового аккумулятора, управляющий сигнал получают от контроллера, а на выходе у них стоит по три провода (A, B, C), которые непосредственно идут к моторам (каждому мотору — свой регуль!)

«Протокол» общения между регулятором и мотором нам не так важен, как «протокол» общения между полетным контроллером и регулятором, ведь нам предстоит из контроллера программно управлять регулятором. Бывают регуляторы, управляемые по i2c, но наиболее распространенные управляются сигналом прямоугольной формы с минимумом 0 вольт и максимумом 3-5 вольт (его называют ШИМ или PWM, а некоторые утверждают, что правильнее — PPM. Подробнее, например, здесь).

«Протокол» — это громко сказано: чтобы дать команду мотору вращаться с максимальной скоростью контроллер должен отправлять импульсы длительностью 2 миллисекунды, перемежающиеся логическим нулем длительностью 10 — 20 миллисекунд. Длительности импульса в 1 миллисекунду соответствует остановка мотора, 1.1 мс — 10% от максимальной скорости, 1.2 мс — 20% и т.п. Практически длительность нуля не играет никакой роли, важна только длительность самого импульса.

При всей кажущейся простоте, здесь кроется засада: полетные контроллеры бывают разные с разными настройками, регуляторы бывают разные, и минимум (1 мс) и максимум (2 мс) — не универсальны. В зависимости от множества факторов диапазон 1-2 мс может на деле оказаться 1.1 — 1.9 мс. Для того, чтобы регулятор и контроллер говорили абсолютно на одном языке существует процедура калибровки регуляторов. В ходе этой процедуры диапазоны регуляторов изменяются и становятся равными диапазону контроллера. Процедура зашита в программу каждого регулятора и включает в себя несколько простых шагов (шаги могут отличаться в зависимости от производителя — читайте инструкции!):

• Отключить питание регулятора.
• Снять с мотора пропеллер.
• Подать на вход регулятора сигнал, соответствующий максимальной скорости вращения.
• Подать на регулятор питание. Мотор при этом должен сохранять неподвижность без посторонней помощи.
• Сделать паузу 1-2 секунды, дождаться характерного писка.
• Подать на вход регулятора сигнал, соответствующий минимальной скорости вращения.
• Сделать паузу 1-2 секунды, дождаться характерного писка.
• Отключить питание регулятора.

После этого в регулятор будут занесены соответствующие границы интервала. При попытке взлететь с некалиброванными регуляторами последствия могут оказаться неожиданными: от внезапного рывка квадрокоптера в ближайшее дерево до полной неподвижности моторов при любом значении газа.

PWM с точно таким же принципом использует и бортовой приемник. Это небольшое устройство, получающая сигналы радиоуправления с земли и передающая их в полетный контроллер. Чаще всего в полетном контроллере для каждого канала управления (газ, тангаж, крен и т.п.) имеется свой вход на который поступает PWM. Логика взаимодействия проста: команда, например, «70% газ» непрерывно идет с земли на приемник, где преобразуется в PWM и по отдельному проводу поступает в полетный контроллер. Аналогично с тангажем, креном, рысканием.

Раз между приемником и контроллером свои товарищеские PWM отношения, то их тоже придется калибровать: пульты с приемниками бывают разные со своими диапазонами работы. Контроллер должен уметь подстраиваться. Процедуру калибровки радио, в отличие от калибровки регуляторов нам придется создавать самим как часть полетный программы. Общий план калибровки такой:

• Снять пропеллеры с моторов на всякий случай.
• Каким-либо образом перевести контроллер в режим калибровки радио.
• Контроллер запускает калибровку радио на несколько десятков секунд.
• За отведенное время двигаем всеми стиками пульта во все стороны до упоров.
• Контроллер запоминает максимумы и минимумы для всех каналов управления во внутреннюю память на века.

Итак: во время калибровки радио полетный контроллер запоминает диапазоны приемника по всем каналам управления; во время калибровки регуляторов диапазон полетного контроллера заносится во все регуляторы.

Помимо программы для полетного контроллера необходима еще одна программа: интерфейс настройки полетного контроллера. Чаще всего им является программа для PC, которая соединяется с полетным контроллером по USB и позволяет пользователю настраивать и проверять полетную программу, например: запускать калибровку радио, настраивать параметры стабилизации, проверять работу датчиков, задавать маршрут полета на карте, определять поведение мультикоптера при потере сигнала и многое другое. Мы свой интерфейс настройки будем писать на C++ и Qt в виде консольной утилиты. Вот она, если заглянуть в будущее:

Никто не застрахован от случайностей. Даже десятидюймовые пластиковые винты на маленьких моторах могут оставить кровавые синяки на коже, которые будут болеть еще неделю (проверено лично). Элементарно сделать себе новый макияж и прическу, если зацепить стик газа на пульте, пока несешь включенный квадрокоптер. Поэтому полетный контроллер должен обеспечивать хоть какую-то безопасность: механизм armed/disarmed. Состояние квадрокоптера «disarmed» означает, что моторы отключены и даже команда полного газа с пульта не имеет никакого эффекта, хотя питание подано. Состояние «armed» квадрокоптера означает, что команды с пульта выполняются полетным контроллером. В этом состоянии квадрокоптеры взлетают, летают и садятся. Квадрокоптер включается и должен сразу попасть в состояние disarmed на тот случай, если невнимальельный пилот включает его, когда стик газа на пульте находится не в нуле. Чтобы перевести коптер в состояние «armed» пилоту необхоимо сделать какой-то заранее оговоренный жест стиками пульта. Часто этим жестом является удержание левого стика в правом нижнем углу (газ = 0%, рыскание = 100%) втечении пары секунд. После этого полетный контроллер делает хотя бы минимальную самопроверку и при ее успешном прохождении «армится» (к полету готов!) Другим жестом (газ = 0%, рыскание = 0%) квадрокоптер «дизармится«. Еще одна хорошая мера безопасности — автодизарм, если газ был на нуле втечении 2-3 секунд.

О моторах, аккумуляторах, регуляторах, пропеллерахВыбор комплектующих для мультикоптера — тема для целого цикла статей. Если вы собираетесь сделать свой первый квадрокоптер — сформулируйте, для чего он вам нужен, и воспользуйтесь советами бывалых или возьмите список комплектующих, который составил кто-то другой и успешно на нем летает.

И все же для общего понимания полезно знать основные моменты.

Аккумуляторы

Среди любителей и профессионалов многороторных систем наиболее распространены литий-полимерные аккумуляторы, как основные источники питания бортовой электроники и моторов. Их различают по емкости, напряжению и максимальной токоотдаче. Емкость, как обычно, измеряется в ампер-часах или миллиампер-часах. Напряжение измеряется в количестве «банок» аккумулятора. Одна «банка» — в среднем 3.7 вольт. Полностью заряженая «банка» — 4.2 вольта. Наиболее распространеты аккумуляторы с количеством банок от трех до шести. Максимальная токоотдача измеряется в амперах, а маркируется, например вот так: 25C. C — емкость аккумулятора, 25 — множитель. Если емкость равна 5 амперам, то такой аккумулятор может отдавать 25 * 5 = 125 ампер. Конечно же параметр токоотдачи лучше брать с запасом, но, в основном, чем он больше, тем дороже аккумулятор. Пример маркировки: 25C 3S 4500mah.

Каждая банка является отдельным аккумулятором. Все они спаяны последовательно. Для того чтобы равномерно заряжать все банки предусматривается баллансировочный разъем с доступом к каждой банке отдельно, и использутся специальные зарядные устройства.

Моторы, пропеллеры, регуляторы

Основной параметр бесколлекторного мотора — его kv. Это количество оборотов в минуту на каждый вольт поданного напряжения. Наиболее распространены моторы с kv от 300 до 1100. Kv ближе к 1000 обычно выбирают для малых квадрокоптеров (1-2 килограмма плюс 500 граммов полезной нагрузки) и ставят на них пластиковые пропеллеры до 12 дюймов в диаметре. На больших мультикоптерах (для поднятия хорошей и тяжелой фото-видео техники) или на долголетах (для рекордов по времени полета) обычно стоят моторы с низким kv (300-500) и огромными карбоновыми пропеллерами (15 — 20 дюймов в диаметре). Kv — не единственный важный параметр мотора: часто можно встретить целые таблицы зависимости мощности мотора и тяги от подаваемого напряжения и типа установленного пропеллера. Кроме того, каждый мотор рассчитан на свой диапазон напряжений (количество банок аккумулятора) и на свой максимальный ток. Если производитель пишет 3-4S, не стоит использовать его с 5S аккумуляторами. Это же касается и регуляторов.

Если мотор рассчитан на ток до 30А, то регулятор стоит рассчитывать на ток до 30 + 10А, чтобы не допускать перегревов. Некачественные или неподходящие регуляторы могут вызвать так называемые «срывы синхронизации» и остановку мотора в полете, и вы узнаете еще один мультироторный термин: «поймал планету.» Еще один важный момент — толщина и качество проводов. Неправильно рассчитанное сечение провода или плохой коннектор могут привести к пожару в воздухе.

Как видите, нюансов очень много. Я не перечислил даже половины, поэтому самому подобрать комплектующие для первого мультикоптера довольно трудно.

Если вы решили заняться мультикоптерами, то рано или поздно вам придется столкнуться с настройкой ПИД-регулятора, поскольку этот математический аппарат применяется почти во всех задачах стабилизации: стабилизация углов квадрокоптера в воздухе, полет и удержание позиции по GPS, удержание высоты по барометру, бесколлекторные механизмы стабилизации видеокамеры в полете (подвес камеры).

Вы приобретаете двухосевой подвес для камеры, ставите туда, например, GoPro, включаете и вместо стабилизации получаете конвульсии, вибрации и дергания, хотя все датчики откалиброваны и механические проблемы устранены. Причина — неверные параметры ПИД-регуляторов.

Вы собираете мультикоптер, калибруете датчики, регуляторы, радио, все проверяете, пытаетесь взлететь, а он такой унылый в воздухе, что его даже легким ветерком переворачивает. Или наоборот: он такой резкий, что внезапно срывается с места и крутит тройное сальто без разрешения. Причина все та же: параметры ПИД-регуляторов.

Для многих устройств использующих ПИД-регуляторы существуют инструкции по настройке, а то и несколько в добавок к многочисленным видеонструкциям от самих пользователей. Но чтобы легче ориентироваться в этом многообразии полезно понимать, как же внутри устроены эти регуляторы. Кроме того, мы же собираемся писать собственную систему стабилизации квадрокоптера! Предлагаю вместе со мной самим заново «изобрести» и «на пальцах» понять формулу ПИД-регулятора. Для тех, кому больше нравится сухой математический язык, я рекомендую Википедию, английскую статью, т.к. в русской пока не так подробно изложен материал.

Будем рассматривать квадрокоптер в двумерном пространстве, где у него есть только один угол — угол крена, и два мотора: левый и правый.

В полетный контроллер непрерывно поступают команды с земли: «крен 30 градусов», «крен -10 градусов», «крен 0 градусов (держать горизонт)»; его задача — как можно быстрее и точнее их выполнять с помощью моторов с учетом: ветра, неравномерного распределения веса квадрокоптера, неравномерного износа моторов, инерции квадрокоптера и т.п. Таким образом, полетный контроллер должен непрерывно решать задачу, какую скорость вращения подавать на каждый мотор с учетом текущего значения угла крена и требуемого. Непрерывно — это, конечно, громко сказано. Все зависит от вычислительных возможностей конкретного железа. На Adruino вполне можно одну итерацию цикла обработки и управления уместить в 10 миллисекунд. Это значит, что раз в 10 миллисекунд будут считываться показания углов квадрокоптера, и на их основе будут отправляться управляющие сигналы к моторам. Эти 10 миллисекунд называют периодом регулирования. Понятно, что чем он меньше, тем чаще и точнее происходит регулирование.

Уровень газа поступает из приемника в контроллер. Обозначим его . Напомню, что это среднее арифметическое между скоростями вращения всех моторов, выраженное в процентах от максимальной скорости вращения. Если и — скорости вращения левого и правого моторов, то:

где — реакция квадрокоптера (усилие), которое создает момент вращения за счет того, что левый мотор вращается на быстрее, чем газ, а правый — на столько же медленнее. может принимать и отрицательные значения, тогда правый мотор закрутится быстрее. Если мы научимся вычислять эту величину на каждой итерации цикла обработки, значит мы сможем управлять квадрокоптером. Понятно, что как минимум должно зависеть от текущего угла крена () и желаемого угла крена (), который поступает с пульта управления.

Представим ситуацию: поступает команда «держать горизонт» ( = 0), а квадрокоптер имеет крен влево:

— разность (ошибка) между и , которую контроллер стремится минимизировать.

Чем больше разность между желаемым углом крена и текущим, тем сильнее должна быть реакция, тем быстрее левый мотор должен закрутиться относительно правого. Если это записать с использованием наших обозначений:

Здесь P — коэффициент пропорциональности. Чем он больше, тем сильнее будет реакция, тем резче квадрокоптер будет реагировать на отклонение от требуемого угла крена. Эта интуитивно понятная и простая формула описывает работу пропорционального регулятора. Суть элементарна: чем сильнее квадрокоптер отклонился от требуемого положения, тем сильнее надо пытаться его вернуть. К сожалению, эту формулу придется усложнить. Главная причина — перерегулирование.

За несколько десятков миллисекунд (несколько итераций цикла обработки) под воздействием пропорционального регулятора квадрокоптер вернется в требуемое (в данном случае горизонтальное) положение. Все это время ошибка и усилие будут иметь один и тот же знак, хоть и становиться все меньше по модулю. Набрав какую-то скорость поворота (угловую скорость) квадрокоптер просто перевалится на другой бок, ведь никто его не остановит в требуемом положении. Все равно что пружина, которая всегда стремится вернуться в начальное положение, но если ее оттянуть и отпустить — будет колебаться, пока трение не возьмет верх. Конечно, на квадрокоптер тоже будет действовать трение, но практика показывает, что его не достаточно.

По этой причине в пропорциональный регулятор нужно добавить еще одно слагаемое, которое будет тормозить вращение квадрокоптера и препятствовать перерегулированию (переваливанию в противоположную сторону) — своего рода имитация трения в вязкой среде: чем быстрее поворачивается квадрокоптер, тем сильнее надо пытаться его остановить, конечно, в разумных пределах. Скорость вращения (скорость изменения ошибки ) обозначим как , тогда:

где D — настраиваемый коэффициент: чем он больше, тем сильнее останавливающее усилие. Из школьного курса физики всплывают смутные воспоминания, что скорость изменения любой величины — производная этой величины по времени:

.

И вот пропорциональный регулятор превращается в пропорционально-дифференциальный (пропорциональное слагаемое и дифференциальное):

.

Ошибку вычислить легко, ведь на каждой итерации мы знаем и ; P и D — настраиваемые перед запуском параметры. Для вычисления производной (скорости изменения ) необходимо хранить предыдущее значение, знать текущее значение и знать время, которое прошло между измерениями (период регулирования). И вот она — физика шестого класса школы (скорость = расстояние / время):

.

— период регулирования; — значение ошибки с предыдущей итерации цикла регуляции. Кстати, эта формула — простейший способ численного дифференцирования, и он нам здесь вполне подойдет.

Теперь у нас есть пропорционально-дифференциальный регулятор в плоском «бикоптере», но осталась еще одна проблема. Пусть левый край будет весить чуть больше правого, или, что то же самое, левый мотор работает чуть хуже правого. Квадрокоптер чуть наклонен влево и не поворачивается обратно: дифференциальное слагаемое равно нулю, а пропорциональное слагаемое хоть и принимает положительное значение, но его не хватает, чтобы вернуть квадрокоптер в горизонтальное положение, ведь левый край весит чуть больше правого. Как следствие — квадрокоптер будет все время тянуть влево.

Необходим механизм, который бы отслеживал такие отклонения и исправлял их. Характерной особенностью таких ошибок является то, что они прявляют себя со временем. На помощь приходит интегральное слагаемое. Оно хранит сумму всех ошибкок по всем итерациям цикла обработки. Как же это поможет? Если пропорционального слагаемого не достаточно, чтобы исправить маленькую ошибку, но она все равно есть — постепенно, со временем, набирает силы интегральное слагаемое, увеличивая реакцию и квадрокоптер принимает требуемый угол крена.

Тут есть нюанс. Предположим равна 1 градусу, цикл регулирования — 0.1с. Тогда за одну секунду сумма ошибок примет значение 10 градусов. А если цикл обработки — 0.01с, то сумма наберет аж 100 градусов. Чтобы за одно и тоже время интегральное слагаемое набирало одно и тоже значение при разных периодах регулирования, полученную сумму будем умножать на сам период регулирования. Легко посчитать, что в обоих случаях из примера получается сумма в 1 градус. Вот оно — интегральное слагаемое (пока без настраиваемого коэффициента):

.

Эта формула — не что иное, как численный интеграл по времени функции в интервале от нуля до текущего момента. Именно поэтому слагаемое называется интегральным:

,

где T — текущий момент времени.
Пришло время записать окончательную формулу пропорционально-интергрально-дифференциального регулятора:

,

где — один из настраиваемых параметров, которых теперь трое: . Эта формула удобна в применении из программного кода, а вот формула, которая приводится в учебниках:

.

Существует несколько ее вариаций, например, можно ограничить модуль интегрального слагаемого, чтобы он не превысил определенный допустимый порог (мы так и будем делать).

Ну а теперь пришло время для практики подбора коэффициентов. Читателям предлагается JavaScript-страничка с виртуальным квадрокоптером, который он уже видел на картинках: подбор параметров PID-регулятора для квадрокоптера (JSFiddle). При первом запуске сразу видно перерегулирование — колебания вокруг требуемого положения. Когда колебания останавливаются, можно наблюдать эффект, что пропорциональный коэффициент не справляется с ошибкой из-за «несимметричного» квадрокоптера (задается галочкой «Asymmetry»). Для настройки доступны параметры P, I, D. Теперь вы знаете что с ними делать. «Скролом» под квадрокоптером можно управлять требуемым значением крена. «Interval (ms):» — интервал регулирования. Уменьшать его — «читерство», но посмотреть как он влияет на качество стабилизации — очень полезно.

Для любителей «чистой» математики можно предложить настроить абстрактный ПИД-регулятор

Введенные параметры автоматически не применяются: нужно жмакать «Apply». Пара небольших советов: если вам кажется, что квадрокоптер слишком медленно реагирует на управление — можно увеличить P, но слишком большое значение P может привести к перерегулированию. С перерегулированием поможет справиться параметр D, но слишком большие значения приведут к частым колебаниям, или опять к перерегулированию. Параметр I, обычно, в 10 — 100 раз меньше, чем параметр P т.к. его сила в накоплении во времени, а не в быстром реагировании.

Ручная настройка ПИД-параметров требует практики. Существуют аналитические методы их вычисления, но они требуют хорошей подготовки и точного знания многих параметров конкретной настраиваемой системы. Как среднее между ручным подбором и аналитическим вычислением есть широкий ряд эмпирических методов, предложенных различными исследователями.

В нашем 2D квадрокоптере меняется только один угол — угол крена. В настроящем 3D квадрокоптере потребуется три независимых ПИД-регулятора для каждого из углов, а управление конкретным мотором будет представлять сумму усилий по всем регуляторам.

В этой статье мы познакомились с базовыми понятиями: квадрокоптер и принцип полета, тангаж, крен, рыскание, газ, газ висения, режим полета stabilize, полетный контроллер, гироскоп, акселерометр, регулятор скорости, ШИМ, калибровка регуляторов, калибровка радио, бортовой приемник, интерфейс настройки полетного контроллера, состояния armed/disarmed, автодизарм.

После этого мы заново изобрели формулу ПИД-регулятора немного каснувшись численного дифференцирования и интегрирования, и на своей шкуре испытали, как настраивать параметры P, I, D на виртуальном квадрокоптере.

Теперь, если вы владеете световым мечем-программированием, вы можете приступать к своей программе стабилизации квадрокоптера, или, еще лучше, присоединиться со свежими идеями к существующими open source проектам. Ну а я через неделю-другую, когда появятся силы и время, чтобы соответствовать качеству, продолжу рассказ, как это все программировалось, тестировалось, падало, резало мне пальцы и вовсе улетало в неизвестном направлении. Если вам очень захотелось продолжения — можете напнуть меня здесь или, например, Вконтакте: это немного придает стимула.

В заключении этой части я просто обязан упомянуть человека, который помогал мне в выборе комплектующих и настройке самого сложного (первого!) квадрокоптера на прошивке MegapirateNG и терпеливо отвечал на сотни вопросов по этим самым базовым понятиям: SovGVD, спасибо тебе! 🙂

В награду тем, кто смог промотать всю эту простыню, выкладываю обещанное маленькое видео, как наш квадрокоптер с нашими «изобретенными» ПИД-регуляторами, на нашей программе для Arduino Mega 2560 летает:

Конечно, ему не хватает GPS, как в коммерческих и массовых продуктах, немного не хватает устойчивости, но зато — НАШ, и мы знаем его вдоль и поперек до последнего множителя при интегральном коэффициенте! И это действительно круто, что сегодня нам доступны такие технологии.

Разве не в прекрасное время мы живем?!

Микроконтроллер Arduino: характеристики, возможности, проекты

Ардуино – один из популярнейших микроконтроллеров для создания разнообразных автоматизированных систем. Благодаря множеству библиотек и вспомогательных модулей на любой вкус, будь то датчик движения или wi-fi адаптер, плата стала любимцем конструкторов.

Сейчас можно увидеть большое разнообразие изделий на основе Ардуино и столько же инструкций по тому, как и что делать. Но давайте разберёмся, что собой представляет данный микроконтроллер и к чему стоит быть готовым новичкам. А также узнаем, какой язык программирования используется в основе большинства библиотек.

Характеристики МК Arduino

В зависимости от того, какой микроконтроллер Ардуино вы приобрели, его характеристики будут различаться. Так, в Arduino micro pro чуть больше пинов и другой объём постоянной памяти, что позволяет подгрузить дополнительные библиотеки.

Но, в целом, любой микроконтроллер этой системы представляет собой простое AVR устройство с уже заготовленной прошивкой. Пользователю остаётся лишь добавить подходящие библиотеки или использовать уже имеющиеся. После чего можно моментально приступать к работе. На всех платах имеется USB-UART порт для упрощения работы с устройством.

Достоинствами Ардуино являются:

1. Библиотеки, которые создаются не только авторами платы, но и сообществом. Благодаря этому можно найти подходящий инструментарий под любую задачу. Но здесь кроется и главный недостаток. Никто не контролирует качество кода, и в результате большую часть библиотек из свободного доступа вам придётся вручную модифицировать или переписывать десятки раз. Поэтому многие предпочитают самостоятельно написать код и базовый функции, если есть такая возможность.
2. Небольшие размеры Ардуино микро. Это позволяет создавать профессиональные платы, не занимающие большого пространства в корпусе конечного изделия. А габариты крайне важны во всех сферах, от умного дома до создания собственной теплицы.
3. Большое количество модулей. На микроконтроллер Arduino вы найдёте любой необходимый модуль. Будь то датчик дыма или освещённости, и даже небольшой динамик. Помимо этого, можно и сэкономить, ведь периферию создаёт само сообщество, благодаря чему можно покупать дополнительные микроконтроллеры за копейки.
4. Низкий порог вхождения. Чтобы обучиться работе с Ардуино, вам потребуется парочка свободных вечеров. Даже если ранее вы не занимались радиотехникой и никогда не паяли, а программирование для вас остаётся необъяснимой магией. Дело в том, что большая часть общественных библиотек написана наподобие высокоуровневых языков программирования. Для управления системой достаточно знать английский на разговорном уровне и хоть примерно представлять, на что вообще способна Ардуино микро про.

Сам микроконтроллер строится на одной схеме, на ней присутствует несколько основных элементов, о которых мы расскажем чуть ниже. В зависимости от выбранного модуля, может различаться объём постоянной памяти и количество пинов. Последнее влияет на то, сколько устройств вы сможете подсоединить к своему микроконтроллеру. Программная часть реализована на низкоуровневом языке программирования, что позволяет с точностью управлять любыми телодвижениями платы, вплоть до малейших сигналов и написания полноценных самообучающихся нейросетей.

Плата Ардуино pro mini и сенсор расстояния

Вся информация с модулей и датчиков передаётся на центральный микроконтроллер, он выводит её в консоль и обрабатывает согласно заложенному скрипту.

В качестве дополнения к системе имеются не только датчики, но и разнообразные индикаторы, они необходимы для оживления системы. Например, если вы хотите услышать истошный писк, если вдруг появится протечка в кране.

Или же, чтобы огонёк на кнопке запуска горел красным, когда устройство включено. Всё это также контролируется и настраивается на программном уровне.

Конечно, если вы никогда раньше не имели опыта с программным кодом и не знаете базовых алгоритмов – лучше пользоваться заготовленными библиотеками. А вот для программистов-инженеров на Ардуино полностью развязаны руки, о чём мы поговорим чуть ниже. Но, для начала, давайте разберём аппаратную часть.

Аппаратная часть Arduino

Для начала стоит уяснить, что собой представляет микроконтроллер. По логике, это небольшое устройство, к которому подключаются все остальные элементы системы. Ардуино должен координировать их работу при помощи прописанных в нём скриптов, выдавая соответствующие электрические сигналы. Для стандартного МК Ардуино сигналом является 5 вольт – это единичка, а отсутствие сигнала – нолик.

Именно на таком принципе построено программирование двоичным кодом. Но от такой системы мы уже давно ушли, и потому к устройству можно подключать трансформаторы переменного тока и дополнительные резисторы, ведь некоторым модулям требуется ток в 3.2-4.7 Вольт.

Соответственно, аппаратная часть Ардуино в стандартной комплектации представлена чипом с постоянной памятью, набором из резисторов и транзисторов, а также несколькими пинами. Такая простая конструкция позволяет пользователю самому навешивать «улучшения» по необходимости.

С «коробки» в микроконтроллер устанавливается стандартная прошивка, способная распознавать базовые АТ команды. Пользователь может переустановить её или перепрошить Ардуино по желанию, но стоит учитывать, что без должного опыта вы можете получить бесполезную и неработающую плату.

Как несложно догадаться, изначально Ардуино – это лишь инструмент, который позволяет координировать работу всей системы. А делает он это при помощи встроенных в него библиотек, которые можно устанавливать в систему дополнительно, по необходимости. Вплоть до того, что вы можете поставить вспомогательную карту памяти, если не хватает места. А сами же библиотеки написаны на низкоуровневом C++, который обеспечивает полный контроль над работой микроконтроллера, но имеет и ряд весомых недостатков, о которых мы и поговорим ниже.

Язык программирования Arduino

Ардуино полностью построен на низкоуровневом языке С++, у которого имеются как свои почитатели, так и ненавистники. Перед тем, как разобрать его достоинства и недостатки, стоит понять, что любой мультипарадигмальный ЯП (язык программирования, способный решать различные задачи, используя базовые парадигмы) является лишь инструментом.

Даже самый неудобный и кривой ЯП в руках хорошего специалиста способен на всё, чему существуют тысячи подтверждений. Но если рассматривать плюсы С++, то мы получим:

1. Мультипарадигмальность языка. Вы можете применять как ООП, так и более сложные его вариации, и писать простейшие функции с переменными. На С++ построены все базовые алгоритмы сортировки и поиска, а соответственно, легкореализуемы.
2. Большое количество информации. С++ применяется во всех сферах программирования, от создания игр и программ до написания базовых прошивок для процессоров и плат. Именно последние нам и нужны на Ардуино.
3. Язык является крайне пластичным. В отличие от Java, поклонники которого часто критикуют отсутствие «подушек безопасности» этого ЯП, С++ даёт вам полную свободу, вплоть до контроля ресурсов, расходуемых на каждую операцию.

Из его главных достоинств выплывают и некоторые недостатки:

1. Отсутствие «подушек безопасности». Другие языки всячески защищают пользователя, не давая компилятору обработать код, пока не проверят тысячи параметров. И сюда входит не только семантика языка, но и переменные, расход памяти и некоторые элементы алгоритмов. Это вынуждает подстраиваться под особенности компиляторов и делать «костыли», но вот отсутствие такой защиты заставляет вас часами выискивать ошибку в функции.
2. Нет нормального отображения ошибки. Даже в современных средах программирования на С++ поиск одной ошибки может занять у вас несколько часов, пока не выяснится, что по какой-то причине цикл с предусловием не захотел воспринимать «!=», как отрицание. Или вы случайно создали непрерывную рекурсию, забыв написать один «return». И когда объёмы кода увеличиваются, таких мелких ошибок накапливается масса, а вспомнить каждую функцию, написанную для библиотеки, и уж тем более найти, какая из них конфликтует с новой, не так и просто. Здесь не помогает ни хорошо организованный DOM, ни своевременные комментарии.

Однако, если вас всё же не устраивают особенности этого языка, то всегда можно испытать С99, применяемый на микроконтроллерах конкурентов. Там все недостатки усугубляются в разы, а библиотеки функций становятся поистине непонятными.

Что может микроконтроллер Arduino

По сути, микроконтроллер Ардуино способен лишь посылать электрические сигналы и принимать их от модулей, подсоединённых к нему. Однако, если рассматривать микроконтроллер в другой перспективе, то он способен практически на всё, достаточно заложить в него качественный код и подключить нужные датчики.

Интересные проекты на базе МК Arduino

На Ардуино уже создано тысячи проектов, а многие инженеры ведут собственные блоги или каналы на YouTube, где вы можете ознакомиться с их творчеством. Из интересных идей, стоит отметить следующие:

1. Умный дом. Практически каждый элемент умного дома можно создать собственными руками. От автоматических штор и дверей до сигнализаций и регулируемого освещения.
2. Кодовые замки. Проект простой, и подойдёт для новичков. Достаточно использовать любой датчик и сделать замки, реагирующие на определённый ритм постукиваний или же на приближение вашего смартфона.
3. Автоматизированные теплицы.

Проектов на деле в тысячи раз больше, вам остаётся лишь подключить свою фантазию, а инструментарием послужит Ардуино.

первые шаги в освоении электроники / Амперка

Амперка

• Каталог
  • Готовые наборы
  • Контроллеры
  • Платы и модули
  • Сенсоры
  • Дисплеи
  • Радиодетали
  • Макетки
  • Умный дом
  • Провода
  • Механика
  • Источники питания
  • Инструменты
  • Книги
  • Корпуса
  • Разное
• Вики
• Видео
• Вопросы
• Доставка
• Оплата

Arduino Uno: характеристики, распиновка, питание платы

Arduino Uno R3 – самая популярная плата, построенная на базе процессора ATmega328. В зависимости от конкретной модели платы этой линейки используются различные микроконтроллеры, на момент написания статьи самой распространённой является версия именно R3.

Плату используют для обучения, разработки, создания рабочих макетов устройств. Ардуино, по своей сути, – это AVR микроконтроллер с возможностью упрощенного программирования и разработки. Это достигнуто с помощью специально подготовленного загрузчика, прошитого в память МК, и фирменной среды разработки.

Плата Ардуино Уно

Размеры Уно

Размеры платы представлены на схеме ниже. Общие размеры Уно составляют 53,4 мм на 68,6 мм.

Характеристики

В основе платы лежит процессор ATmega 328. Кроме него на плате находится модуль USB для связи с компьютером и прошивки. Этот модуль называется «USB-TTL преобразователь». На фирменных платах Arduino Uno для этой целей используется дополнительный микроконтроллер ATmega16U2.

Характеристики	Arduino Uno R3
Микроконтроллер	ATmega328
Рабочее напряжение	5В
Напряжение питания (рекомендуемое)	7-12В
Напряжение питания (предельное)	6-20В
Цифровые входы/выходы	14 (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов)
Аналоговые входы	6
Максимальный ток одного вывода	40 мА
Максимальный выходной ток вывода 3.3V	50 мА
Flash-память	32 КБ (ATmega328) из которых 0.5 КБ используются загрузчиком
SRAM	2 КБ (ATmega328)
EEPROM	1 КБ (ATmega328)
Тактовая частота	16 МГц

Особенность этого чипа заключается в аппаратной поддержке USB, что позволяет организовывать связь без дополнительных преобразователей. В то время как ATmega328 не поддерживает такой функции, поэтому 16u2 выступает в роли преобразователя данных из USB в последовательный порт для МК AVR. В него залита программа для выполнения этой задачи.

Однако так происходит не всегда: в более мелких платах, таких как Arduino Nano, используют преобразователи уровней на базе различных микросхем, например FT232, CP21XX, Ch440g и подобных. Это решение является более дешевым и не требует прошивки дополнительного связывающего контроллера, как описано выше.

Внимание! Не всё так однозначно с DCcduino UNO r3 на ch440g. В ней как раз и использован более дешевый, чем в оригинале, вариант преобразователя USB-TTL.

На плате есть выход 3.3 В, он нужен для подключения периферии и некоторых датчиков, его пропускная способность по току равна 50 мА.

ATmega328 работает на частоте 16 МГц. Она фиксирована кварцевым резонатором, который вы можете, по желанию, заменить, тем самым ускорив работу Uno r3.

Важно! После замены кварцевого резонатора функции, связанные со временем, такие как Delay, не будут соответствовать введенным значениям. Это функция задержки времени, по умолчанию её аргументом является требуемое время задержки в мс. Функция прописана в библиотеках Ардуино, с учетом стандартной тактовой частоты в 16 МГц. Поэтому после замены кварца заданное время не будет соответствовать написанному. Для этого нужно либо подбирать опытным путем и устанавливать зависимости, либо править файлы библиотек.

Память Ардуино Уно

Микроконтроллер Arduino Uno содержит 32 кб флэш-памяти, из которой пользователю доступно 31.5 кб, потому как 0.5 занимает загрузчик.

• ОЗУ – 2 кб памяти.
• EEPROM — 1 кб памяти.

Как осуществляется питание платы?

Чтобы включить плату, нужно на неё подать питание либо от USB порта, можно прямо от ПК, либо от внешнего источника питания – от 7 до 15 Вольт. На плате установлен линейный стабилизатор, типа L7805, или же LDO. Он нужен для того, чтобы на микроконтроллер подавалось стабилизированное напряжение 5 В.

При этом приоритетно выбирается внешний источник питания, а не ЮСБ-порт. Внешнее питание подключается к выводу с пометкой «Vin» в разделе Power на плате.

Расположение выводов, распиновка

Разработчики платы Arduino очень удобно и логично расположили выводы платы. Дело в том, что при разработке на «чистых» МК АВР приходилось обращаться к выводу порта, для этого нужно было запомнить название каждой ножки на чипе. Здесь это гораздо проще. На самой плате указано название каждого из пинов. Удобства добавляет и то, что пины разбиты на 3 группы:

1. Digital – блок цифровых пинов.
2. Analog – блок аналоговых пинов.
3. Power – блок пинов, которые связаны с питанием и работой микросхемы.

Распиновка платы

При этом в разделе Digital пины, которые могут выдавать ШИМ-сигнал (PWM), помечены тильдой «~». Для служебных целей и проверки работоспособности контроллера на плате установлен светодиод, который подключен к 13-му выводу, а из среды разработки Arduino IDE к нему можно обращаться через встроенную директиву LED_BUILTIN. Такие схемы расположения пинов называются «Arduino UNO pinout», при этом, вместо UNO, может быть указано название другой платы, которая вас интересует.

Описание пинов платы

Микроконтроллер имеет 14 цифровых пинов, они могут быть использованы, как вход или выход. Из них 6 могут выдавать ШИМ-сигнал. Они нужны для регулировки мощности в нагрузке и других функций.

Пин ардуино	Адресация в скетче	Специальное назначение	ШИМ
Цифровой пин 0	0	RX
Цифровой пин 1	1	TX
Цифровой пин 2	2	Вход для прерываний
Цифровой пин 3	3	Вход для прерываний	ШИМ
Цифровой пин 4	4
Цифровой пин 5	5		ШИМ
Цифровой пин 6	6		ШИМ
Цифровой пин 7	7
Цифровой пин 8	8
Цифровой пин 9	9		ШИМ
Цифровой пин 10	10	SPI (SS)	ШИМ
Цифровой пин 11	11	SPI (MOSI)	ШИМ
Цифровой пин 12	12	SPI (MISO)
Цифровой пин 13	13	SPI (SCK) К выходу дополнительно подсоединен встроенный светодиод

Вызов ШИМ-сигнала осуществляется через команду AnalogWrite (номер ножки, значение от 0 до 255). Для работы с аналоговыми датчиками присутствует 6 аналоговых входов/выходов.

Пин	Адресация в скетче	Специальное назначение
Аналоговый пин A0	A0 или 14
Аналоговый пин A1	A1 или 15
Аналоговый пин A2	A2 или 16
Аналоговый пин A3	A3 или 17
Аналоговый пин A4	A4 или 18	I2C (SCA)
Аналоговый пин A5	A5 или 19	I2C (SCL)

Их тоже можно использовать, как цифровые.

Аналоговый сигнал обрабатывается 10 битным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), а при чтении микроконтроллер выдаёт численное значение от 0 до 1024. Это равно максимальному значению, которое можно записать в 10 битах. Каждый из выводов способен выдать постоянный ток до 40 мА.

Принципиальная схема платы выглядит так (нажмите для увеличения):

Микроконтроллер ATMega 328

Как мы написали выше, ATmega328 работает на частоте 16 МГц. Распиновка микроконтроллера ниже (нажмите на изображение для увеличения):

Работа в комплексе с другими системами

Самое первое, с чем вы можете познакомиться, даже без приобретения дополнительных устройств для разработки – это связь по последовательному порту. Он активируется по команде Serial.begin (скорость, например 9600). Подробно о каждой команде вы можете прочитать в обучающем разделе на официальном сайте проекта Arduino.ru. Вы можете обмениваться с компьютером информацией. Плата, в зависимости от программного кода, может вам присылать данные, а вы их, через монитор портов в Arduino IDE, можете читать.

Кроме последовательного порта, в ардуино UNO реализована поддержка таких интерфейсов:

Через них можно осуществлять «общение» между несколькими платами, а также подключать разную периферию: датчики и дисплеи.

Платы расширения

В магазинах, специализирующихся на робототехнике и микроконтроллерах, можно встретить слово «шилд». Это специальная плата, которая напоминает Arduino Uno. Совпадает она с ней не только по форме, но и по количеству выводов.

Шилд устанавливается в клеммные колодки, при этом часть их них задействуется под функции шилда, а другая часть остаётся свободной для использования в проекте. В результате вы можете получить такой себе многоэтажный «бутерброд» из плат, которые реализуют множество функций.

Одним из самых популярных является Arduino Ethernet Shield. Он нужен для связи с Ардуино по обычному сетевому кабелю, витой паре. На нём расположен разъём rj45.

С подобным шилдом можно управлять вашим микроконтроллером по сети через веб-интерфейс, а также считывать параметры с датчиков, не отрываясь от компьютера. Существуют проекты с использованием такого комплекта в домашнем облачном хранилище, с ограничением по скорости, всё-таки Атмега328 слабовата для таких задач, и для этого лучше подойдут одноплатные компьютеры типа Raspberry pi.

Как преодолеть аппаратные ограничения

Большинство распространённых плат имеют аналогичные характеристики, среди них:

• Uno;
• Nano;
• Pro mini;
• и подобные.

Но с развитием ваших навыков разработки в этой среде появляется проблема нехватки мощности и быстродействия этой платформы. Первым шагом для преодоления ограничений является использование языка C AVR.

С его помощью вы ускорите на порядок скорость обращения к портам, частоту ШИМ и размер кода. Если вам и этого недостаточно, то вы можете воспользоваться мощными моделями с аналогичным подходом к разработке. Для этого подойдёт плата Arduino Mega2560. Еще более мощная – модель Due. В противном случае вам стоит ознакомиться с разновидностями одноплатных компьютеров и STM микроконтроллеров.

Ардуино Uno R3 – отличная плата для большинства проектов, которая служит для изучения устройств цифровой электроники.

Как научиться делать электронные схемы

Этот конструктор не предложит вам построить ничего феерического и сногсшибательного. И его уж точно нельзя назвать игрушкой. Но с его помощью можно в кратчайшие сроки приобрести весьма обширные навыки, которые послужат входным билетом в мир безграничных возможностей современной электроники.

Очень многие люди в деталях представляют себе, как устроен автомобиль. Многие даже строят собственные машины, игрушечные и настоящие, сделав это своим хобби. Достаточно один раз разобрать автомобильный двигатель, чтобы увидеть (и навсегда запомнить) клапаны, через которые цилиндр наполняется топливом и воздухом, камеру сгорания, в которой воспламеняется смесь, шатуны и коленчатый вал, которые заставляют вращаться маховик.

Если вы разберете пульт от телевизора, вы увидите микросхемы и электронные компоненты. Их внешний вид мало что расскажет вам о том, как все это работает. Примерно так же в разобранном виде выглядят компьютерная мышь, мобильный телефон или аудиоплеер. Чтобы самостоятельно собирать, а тем более проектировать современную электронику, нужно обладать глубокими познаниями в области электротехники, уметь на все лады склонять закон Ома, разбираться в программировании и дружить с паяльником. Поэтому хобби, связанные с электроникой, как правило, остаются уделом людей со специальным образованием.

Набор под названием «Матрешка Z» от компании «Амперка» призван в кратчайшие сроки ликвидировать электронную безграмотность пользователя и научить его обращаться с универсальным контроллером Arduino.

---

Доска для прототипирования

Чтобы попробовать в деле только что придуманную электронную схему и поэкспериментировать с подбором компонентов, вовсе не обязательно каждый раз браться за паяльник.
Для быстрой и надежной сборки схем существует доска для прототипирования, или монтажная доска. Она состоит из многочисленных разъемов, соединенных определенным образом. По правому и левому краю доски идут две пары рельс питания. Все эти контакты соединены по вертикали и служат для подключения компонентов к источнику тока. Если рельсы питания напоминают столбцы таблицы, то все остальные контакты объединены в строчки, по горизонтали. На них располагаются электронные компоненты: микросхемы, транзистры, резисторы, конденсаторы. Все они соединяются в нужную схему с помощью перемычек. Набор перемычек разной длины также входит в комплект.

Умный чип

Контроллер — это миниатюрный компьютер с набором входов и выходов, работающий по заранее написанной программе. Микросхема-контроллер обязательно присутствует в вышеупомянутых телефоне, плеере и пульте, равно как в практически любом современном электронном устройстве.

Контроллер — вещь сама по себе универсальная. Ко входам можно подключить как обычные кнопки (пульт), так и температурные датчики (кондиционер), модули беспроводной связи (телефон) и даже электрогитару (цифровой процессор эффектов). Выходы также могут управлять чем угодно. Задача контроллера — измерять электрическое напряжение на входах и подавать напряжение на выходы в соответствии с программой.

---

Контроллер Arduino Uno

Arduino Uno — базовый контроллер семейства Arduino, идеально подходящий для решения большинства задач.
У него есть 14 контактов, которые могут служить и входами, и выходами, serial-интерфейс для подключения к компьютеру, USB-порт. Для более специфических задач могут подойти другие платы. Arduino Mega содержит большее количество входов, выходов и serial-портов. Arduino Nano — аналог Uno в ультракомпактном исполнении. Бесчисленные платы расширения готовы превратить ваш Arduino в Wi-Fi-роутер, мобильный телефон, музыкальный инструмент или робота.

Arduino — один из самых распространенных контроллеров. Он чрезвычайно удобен для постройки прототипов электронных устройств и поэтому пользуется популярностью среди любителей, студентов и вполне серьезных изобретателей по всему миру. На то есть несколько веских причин.

Резисторы. Arduino — универсальный контроллер, способный работать практически с любыми электронными компонентами. Каждый компонент рассчитан на свой ток и напряжение. Набор учит нас применять резисторы по нескольким типичным схемам. Схема делителя напряжения, состоящая из пары резисторов, позволяет управлять напряжением в любой точке схемы. Токоограничивающий резистор защищает маломощные компоненты от перегрева. Кроме того, применяются стягивающие и подтягивающие резисторы, которые отводят наводки и помехи в землю от входов контроллера во избежание случайных срабатываний.

Во-первых, Arduino действительно универсален. С помощью специальных плат расширения его можно обучить общению с другими устройствами по Wi-Fi, Bluetooth иGPRS, принимать SMS-сообщения и телефонные звонки. Встроенные библиотеки протоколов позволяют Arduino общаться с сервоприводами и сенсорами, распространенными в современной робототехнике. Открытая архитектура софта и железа позволяет более продвинутым пользователям с легкостью настроить его под любые нужды.

Конденсатор можно представить как маленький аккумулятор, который очень быстро заряжается и разряжается. Конденсаторы применяются для стабилизации напряжения питания — постоянно заряжаясь и разряжаясь, они сглаживают шумы. Фильтрующий конденсатор позволяет отделить изменяющуюся составляющую сигнала от постоянной, к примеру, если в цепь с источником питания включен электретный микрофон.

Во-вторых, Arduino использует несколько упрощенный язык программирования, с которым легко освоиться даже начинающим пользователям. Контроллер представляет собой не просто микросхему, а плату с готовой схемой питания и интерфейсами для подключения к компьютеру, входным и выходным компонентам.

Наконец, Arduino дешев. Не настолько, чтобы использовать его в оптовом промышленном производстве (для этого лучше применять отдельные чипы), но как раз настолько, чтобы любой изобретатель, дизайнер или программист, у которого есть оригинальная идея, мог приобрести контроллер и создать на его основе действующий прототип.

Провода. «Резать красный или зеленый» — вот главный вопрос всей жизни для любого сапера. На самом деле, какого цвета провода использовать в схеме — исключительно дело вкуса. Так что никогда не ставьте на цвет провода свою жизнь.

Интенсивный курс

Продажей Arduino в России занимается компания «Амперка». Продукт этот полезный и нужный, но не простой: чтобы начать им пользоваться, нужно разбираться в схемотехнике и программировании. Чтобы помочь всем творческим энтузиастам освоиться с контроллером, «Амперка» выпускает ознакомительные наборы, один из которых и попал нам в руки. Помимо самого Arduino в набор входит монтажная доска, всевозможные радиодетали, блок питания, интерфейсный кабель, комплект проводов — в общем, все необходимое, чтобы построить несколько простых схем и начать ставить собственные эксперименты.

Транзисторы и диоды — это своеобразные ворота, которые мы ставим на пути течения тока. Диод позволяет току течь только в одном направлении. В частности, диоды незаменимы для превращения переменного тока в постоянный. Транзистор позволяет нам управлять большим напряжением или током с помощью слабого управляющего сигнала. К примеру, Arduino слишком слаб, чтобы запитать электродвигатель с собственного выхода. Однако он может подавать управляющий сигнал на транзистор, который откроет ворота для большого потока электричества, необходимого мотору.

Светодиод — современный, экономичный, яркий источник света различных цветов. Светодиоды незаменимы для отладки программ, так как их свечение наглядно демонстрирует наличие сигнала. В то же время они настолько экономичны, что им с лихвой хватает питания от выходов Arduino. Чтобы диоды не перегревались и служили долго, их необходимо подключать через токоограничивающий резистор.

И вновь классический атрибут киношной бомбы, который представляет собой семь светодиодов, расположенных в виде восьмерки. Чтобы управлять цифровым индикатором с помощью Arduino, пришлось бы задействовать семь выходов контроллера, а это весьма расточительно. Входящая в комплект микросхема-счетчик позволяет подключить многоразрядный дисплей (несколько индикаторов) с помощью всего двух выходов.

Электродвигатель с обратной связью, или сервопривод — это компонент, без которого немыслима современная робототехника. Помимо контактов питания сервопривод имеет еще и управляющий контакт. С его помощью контроллер может подать мотору команду повернуться строго на определенный угол. Arduino умеет общаться с сервоприводами по специальному протоколу. Для этого не нужно писать отдельную программу, достаточно просто указать необходимый угол поворота.

Еще одна важная часть обучающей системы — видеоуроки от выпускника Корнеллского университета Джереми Блюма, в которых инженер шаг за шагом демонстрирует сборку схем и программирование контроллера, подробно объясняя, как именно все это действует.

Первое, чему учит нас Джереми, — это работа с монтажной доской. Оказывается, чтобы экспериментировать с электроникой, вовсе не обязательно постоянно дымить паяльником.

Источники сигнала. Контроллер управляет потребителями тока по команде, а команда должна откуда-то поступить. Для управления схемами в комплект входит несколько кнопок и переменный резистор. Есть компоненты и поинтереснее: термистор изменяет собственное сопротивление в зависимости от температуры, а фоторезистор реагирует на количество падающего на него света.

Второй важнейший урок — это практическое применение закона Ома. Постоянные читатели помнят, что мы и раньше сталкивались с контроллерами — в конструкторе Lego Mindstorms и роботе Robonova. Эти контроллеры предназначены для работы с фиксированным набором компонентов (сервоприводы и датчики для роботов), которые идеально подобраны и подходят друг к другу. Arduino — универсальный контроллер, его можно использовать с любыми компонентами, каждый из которых рассчитан на собственное напряжение и ток. Джереми просто и наглядно объясняет, как с помощью резисторов доставить ровно необходимое количество электричества в любую точку схемы.

Адаптер питания. В комплект входит универсальный адаптер питания с переключателем напряжения и исчерпывающим набором разъемов. При работе с Arduino адаптер может потребоваться в двух случаях. Во‑первых, если вы хотите, чтобы чип работал по заранее написанной программе без участия компьютера. Во‑вторых, если мощность потребителей схемы слишком велика, чтобы USB-разъем компьютера мог ее предоставить. Классический пример прожорливого потребителя — электродвигатель или сервопривод.

К основам схемотехники относится и решение задачи об устранении помех и наводок, которые Arduino может ошибочно принять за управляющие сигналы. Мы учимся использовать стягивающие резисторы и стабилизирующие конденсаторы, чтобы поведение схемы было контролируемым. Упражняясь в программировании, первым делом создаем простые схемы: ночник, управляемый уровнем освещения в комнате, электродвигатель, совершающий движения по заданному алгоритму. В более сложных примерах мы учимся принимать данные с компьютера и управлять им с помощью Arduino — к примеру, создаем некое подобие джойстика, способного менять цвет монитора. Подробные уроки по подключению к чипу более сложных устройств, таких как текстовые экраны, модули беспроводной связи, сервоприводы, можно найти на сайтах сообщества Arduino.

В следующий раз, увидев на киноэкране управляемую эсэмэсками бомбу замедленного действия, собранную безумным ученым в классическом образе, вы будете отлично представлять себе, как именно она устроена. При желании вы даже сможете собрать такую сами. В ближайших номерах «Популярной механики» мы обязательно продемонстрируем, как с помощью Arduino можно сконструировать что-нибудь полезное.

Статья «Ардуино всемогущий» опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2012).

Что такое Ардуино? | Аппаратная платформа Arduino

Arduino – это инструмент 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.

Arduino применяется для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами. Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно или взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Среда разработки программ с открытым исходным текстом доступна для бесплатного скачивания.

Язык программирования Arduino является реализацией Wiring, схожей платформы для «physical computing», основанной на мультимедийной среде программирования Processing. 

Почему Arduino?

Существует множество микроконтроллеров и платформ для осуществления «physical computing».  Parallax Basic Stamp, Netmedia’s BX-24, Phidgets, MIT’s Handyboard и многие другие предлагают схожую функциональность. Все эти устройства объединяют разрозненную информацию о программировании и заключают ее в простую в использовании сборку.  Arduino, в свою очередь, тоже упрощает процесс работы с микроконтроллерами, однако имеет ряд преимуществ перед другими устройствами для преподавателей, студентов и любителей:

Низкая стоимость – платы Arduino относительно дешевы по сравнению с другими платформами. Самая недорогая версия модуля Arduino может быть собрана в ручную, а некоторые даже готовые модули стоят меньше 50 долларов.

Кросс-платформенность – программное обеспечение Arduino работает под ОС Windows, Macintosh OSX и Linux. Большинство микроконтроллеров ограничивается ОС Windows.

Простая и понятная среда программирования – среда Arduino подходит как для начинающих пользователей, так и для опытных. Arduino основана на среде программирования Processing, что очень удобно для преподавателей , так как студенты работающие с данной средой будут знакомы и с Arduino.

Программное обеспечение с возможностью расширения и открытым исходным текстом – ПО Arduino выпускается как инструмент, который может быть дополнен опытными пользователями. Язык может дополняться библиотеками C++. Пользователи, желающие понять технические нюансы, имеют возможность перейти на язык AVR C на котором основан C++. Соответственно, имеется возможность добавить код из среды AVR-C в программу Arduino.

Аппаратные средства с возможностью расширения и открытыми принципиальными схемами – микроконтроллеры ATMEGA8 и ATMEGA168 являются основой Arduino.  Схемы модулей выпускаются с лицензией Creative Commons, а значит, опытные инженеры имеют возможность создания собственных версий модулей, расширяя и дополняя их. Даже обычные пользователи могут разработать опытные образцы с целью экономии средств и понимания работы.

Arduino Due (дополнено) | Аппаратная платформа Arduino

Arduino Due, вид спереди	Arduino Due, вид сзади

Общие сведения

Arduino Due — плата микроконтроллера на базе процессора Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 (описание). Это первая плата Arduino на основе 32-битного микроконтроллера с ARM ядром. На ней имеется 54 цифровых вход/выхода (из них 12 можно задействовать под выходы ШИМ), 12 аналоговых входов, 4 UARTа (аппаратных последовательных порта), a генератор тактовой частоты 84 МГц, связь по USB с поддержкой OTG, 2 ЦАП (цифро-аналоговых преобразователя), 2 TWI, разъем питания,  разъем SPI, разъем JTAG, кнопка сброса и кнопка стирания.

Внимание! В отличие от других плат Arduino, Arduino Due работает от 3,3 В. Максимальное напряжение, которое выдерживают вход/выходы составляет 3,3 В. Подав более высокое напряжение, например, 5 В, на выводы Arduino Due, можно повредить плату.

Плата содержит все, что необходимо для поддержки микроконтроллера. Чтобы начать работу с ней, достаточно просто подключить её к компьютеру кабелем микро-USB, либо подать питание с AC/DC преобразователя или батарейки.  Due совместим со всеми платами расширения Arduino, работающими от 3,3 В, и с цоколевкой Arduino 1.0.

Расположение выводов Due повторяет цоколевку Arduino 1.0:

• TWI: Выводы SDA и SCL расположены рядом с выводом AREF.
• Вывод IOREF, который позволяет с помощью правильной конфигурации адаптировать присоединенную плату расширения к напряжению, выдаваемому Arduino. Благодаря этому платы расширения могут быть совместимы и с 3,3-вольтовыми платами типа Due и с платами на базе AVR, работающими от 5 В.
• Неподключенные выводы, зарезервированные для использования в будущем.

Преимущества ядра ARM

На Due установлено 32-битное ARM ядро, превосходящее по производительности обычные 8-битные микроконтроллеры. Наиболее значимые отличия:

32-битное ядро, позволяющее выполнять операции с данными шириной 4 байта за 1 такт (более подробную информацию смотри на странице int type).

• частота процессора (CPU) 84 МГц.
• 96 КБ ОЗУ.
• 512 КБ флеш-памяти для хранения программ.
• контроллер DMA, который разгружает центральный процессор от выполнения интенсивных операций с памятью.

Схема, исходные данные и расположение выводов

Файлы EAGLE: arduino-Due-reference-design.zip

Схема: arduino-Due-schematic.pdf

Расположение выводов: SAM3X Pin Mapping page

Характеристики

Микроконтроллер	AT91SAM3X8E
Рабочее напряжение	3,3 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	54 (на 12 из которых реализуется выход ШИМ)
Аналоговые входы	12
Аналоговые выходы	2 (ЦАП)
Общий выходной постоянный ток на всех входах/выходах	50 мА
Постоянный ток через вывод 3,3 В	800 мА
Постоянный ток через вывод 5 В	800 мА
Флеш-память	512 КБ доступно всего для пользовательских приложений
ОЗУ	96 КБ (два банка: 64 КБ и 32 КБ)
Тактовая частота	84 МГц

Питание

Питание Arduino Due может осуществляться через USB соединитель или с помощью внешнего источника питания. Выбор источника питания выполняется автоматически.

Внешним (не USB) источником питания может быть либо AC/DC преобразователь («wall wart» — адаптер в одном корпусе с вилкой), либо батарея. Адаптер подключается к разъему питания платы 2,1 мм штепсельной вилкой с центральным положительным контактом. Выводы батареи подключаются к контактам Gnd и Vin разъема POWER. Плата может функционировать при внешнем питании от 6 до 20 В. Но если напряжение питания опускается ниже 7 В, на выводе 5 В  может оказаться меньше пяти вольт, и плата будет работать нестабильно. Если же подается напряжение более 12 В, может перегреться стабилизатор напряжения, что приведет к повреждению платы. Рекомендуемый диапазон напряжений – от 7 до 12 В.

Ниже перечислены выводы питания:

• VIN. Это входное напряжение для платы Arduino, когда она питается от внешнего источника питания (в противоположность 5 вольтам, поступающим через USB соединение или от иного регулируемого источника питания). Напряжение питания может подаваться на этот вывод, или сниматься с этого вывода в случае питания через разъем питания.
• 5V. Данный вывод служит выходом регулируемого напряжения 5 В со встроенного стабилизатора на плате. Сама плата может питаться через разъем питания постоянного тока (7-12 В), либо через USB соединитель (5 В), либо через вывод VIN на плате (7-12V). Питающее напряжение через выводы 5 В и 3,3 В подается в обход стабилизатора и может повредить вашу плату. Мы не советуем так делать.
• 3.3V. Питание 3,3 В, вырабатываемое встроенным стабилизатором. Максимальный выходной ток 800 мА. Стабилизатор также обеспечивает питание микроконтроллера SAM3X.
• GND. Земляные выводы.
• IOREF. Данный вывод платы Arduino обеспечивает опорное напряжение, при котором работает микроконтроллер. Верно сконфигурированная плата расширения может считать напряжение на выводе IOREF и выбрать соответствующий источник питания, или разрешить использование выходных преобразователей напряжения для работы с 5 В или 3,3 В.

Память

Флеш-память SAM3X составляет 512 КБ (2 блока по 256 КБ) для хранения программ. Загрузчик (бутлодер) записывается Atmel при производстве и хранится в специально отведенном для него ПЗУ. Доступный объем ОЗУ составляет 96 КБ в двух смежных банках – 64 КБ и 32 КБ. Вся доступная память (флеш-память, ОЗУ и ПЗУ) может адресоваться напрямую как плоское адресное пространство.

Существует возможность стереть флеш-память SAM3X с помощью встроенной кнопки стирания. При этом из микропроцессора удалится текущая загруженная программа. Для стирания нажмите и несколько секунд удерживайте кнопку стирания при включенном питании платы. 

Входы и Выходы

• Цифровые входы/выходы: выводы с 0 по 53
  Каждый из 54 цифровых выводов Due может использоваться в качестве входа или выхода, с помощью функций pinMode(), digitalWrite() и digitalRead(). Выводы работают от 3,3 В. Каждый вывод может выдавать (как источник) ток 3 мА или 15 мА, в зависимости от вывода, или получать (как приемник) ток 6 мА или 9 мА, в засимости от вывода. На них также имеются внутренние нагрузочные резисторы (по умолчанию они отключены) номиналом 100 кОм. Кроме этого, некоторым выводам назначены специализированные функции:
• Последовательная линия: 0 (RX) и 1 (TX)
• Последовательная линия 1: 19 (RX) и 18 (TX)
• Последовательная линия 2: 17 (RX) и 16 (TX)
• Последовательная линия 3: 15 (RX) и 14 (TX)
  Эти выводы используются для приема (RX) и передачи (TX) последовательных данных TTL (с уровнем 3,3 В). Выводы 0 и 1 соединены с соответствующими выводами последовательного контроллера ATmega16U2 USB-to-TTL. 
• ШИМ: выводы с 2 по 13 
  На них реализуется 8-битный выход ШИМ с помощью функции analogWrite(). Разрешение ШИМ можно менять, используя функцию analogWriteResolution().
• SPI: разъем SPI (разъем ICSP на других платах Arduino)
  Данные выводы служат для связи по SPI с использованием библиотеки SPI. Сигналы SPI выведены на центральный 6-контактный разъем, который физически совместим с Uno, Leonardo и Mega2560. Разъем SPI можно использовать только для связи с другими устройствами SPI, но не для программирования SAM3X по технологии внутрисхемного последовательного программирования (ICSP). SPI на Due также имеет расширенные функции, доступные при использовании Расширенных методов SPI для Due.
• CAN: CANRX и CANTX
  На этих выводах поддерживается протокол связи CAN, но пока его не поддерживают программные интерфейсы (API) Arduino. 
• «L» LED: 13 
  Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. При высоком уровне сигнала на данном выводе, светодиод включается, при низком – выключается. Возможно также убавить яркость светодиода, поскольку вывод 13 одновременно является выходом ШИМ.
• TWI 1: 20 (SDA) и 21 (SCL)
• TWI 2: SDA1 и SCL1 
  На данных выводах с использованием библиотеки  Wire поддерживается связь по TWI.
• Аналоговые входы: выводы с A0 по A11 
  Плата Arduino Due имеет 12 аналоговых входов, каждый из которых может обеспечить разрешение 12 бит (т.е. 4096 различных значений). По умолчанию установлено разрешение 10 бит для совместимости с другими платами Arduino. Разрешение АЦП можно менять при помощи функции analogReadResolution(). Аналоговые ходы Due производят измерения от уровня земли до максимального значения 3,3 В. Приложение к этим выводам напряжения свыше 3,3 В вызовет повреждение кристалла SAM3X. Функция analogReference() на Due игнорируется.
  Вывод AREF подключен к аналоговому выводу опорного напряжения SAM3X через резисторный мост. Для активации вывода AREF необходимо отпаять с печатной платы резистор BR1.
• DAC1 и DAC2 
  На выводах ЦАП  DAC1 и DAC2 предоставляются достоверные аналоговые выходы с 12-битным разрешением (4096 уровней) при помощи функции analogWrite(). Данные выводы можно использовать для создания аудиовыхода, используя при этом библиотеку Audio. 

Другие выводы:

• AREF 
  Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с функцией analogReference().
• Reset 
• По низкому уровню на этой линии происходит сброс микроконтроллера. Типичное применение вывода Reset – добавление кнопки сброса на плату расширения, которая перекрывает эту кнопку на микроконтроллере. 

Связь

В Arduino Due есть ряд средств для взаимодействия с компьютером, платами Arduino и другими микроконтроллерами, а также различными устройствами, такими как телефоны, планшеты, фотокамеры и т.п. SAM3X имеет один аппаратный UART и три аппаратных USARTа  для последовательной связи  TTL-уровня (3,3 В).

Порт программирования соединен с  ATmega16U2, предоставляющей виртуальный COM порт для программ на подключенном компьютере. (Для определения этого устройства компьютеру с ОС Windows потребуется файл  .inf, на машинах же с OSX и Linux плата автоматически будет распознана как COM порт). Чип 16U2 также соединен с аппаратным UARTом  SAM3X. Последовательная шина на выводах RX0 и TX0 предоставляет преобразование Serial-to-USB для программирования платы через микроконтроллер ATmega16U2. В программное обеспечение Arduino входит монитор последовательной шины, который дает плате возможность отправлять и принимать простые текстовые сообщения. Светодиоды RX и TX на плате будут мигать, когда идет передача данных через кристалл ATmega16U2 и через USB подключение к компьютеру (но не во время последовательного обмена по выводам 0 и 1).

Собственный USB порт  (Native USB port) подключен к SAM3X. Это позволяет осуществлять последовательную связь (CDC) посредством USB. Таким образом обеспечивается подключение к монитору последовательной шины, или другим приложениям на вашем компьютере. Также это дает Due возможность эмулировать для присоединенного компьютера  USB мышь или клавиатуру. Для использования этих возможностей смотрите справочные страницы Библиотека мыши и клавиатуры.

Собственный USB порт может также работать как USB хост для подключенных периферийных устройств: мыши, клавиатуры и смартфотонов. Чтобы использовать эти свойства, обратитесь к справочным страницам USB хост.

Контроллер SAM3X поддерживает, кроме того, связь по интерфейсам  TWI и SPI.  Программное обеспечение Arduino включает в себя библиотеку Wire для облегчения работы с шиной TWI; смотрите более детальное описание в документации. Для связи через SPI воспользуйтесь библиотекой SPI.

Программирование

Arduino Due можно запрограммировать с помощью программных средств Arduino (скачать). Более детальная информация содержится в справочнике.

Загрузка программ для SAM3X отличается от таковой для микроконтроллеров AVR, находящихся на других платах Arduino, поскольку необходимо стереть флеш-память перед тем как перепрограммировать её. Загрузка в кристалл управляется из ПЗУ контроллера SAM3X и запускается, только когда флеш-память кристалла пуста.

Плату можно программировать через оба USB порта, хотя рекомендуется использовать порт программирования, в связи с тем, что он поддерживает стирание кристалла:

• Порт программирования: Для использования этого порта выберите в Arduino IDE в качестве вашей платы «Arduino Due (Programming Port)». Подключите порт программирования платы Due (ближайший к разъему питания постоянного тока) к вашему компьютеру. Порт программирования использует микросхему 16U2 в качестве преобразователя USB-to-serial, соединенный с первым UARTом контроллера SAM3X (RX0 и TX0). Два вывода 16U2 подключены к выводам Reset и Erase SAM3X. Открытие и закрытие порта программирования, подключенного на скорости передачи 1200 бит в секунду, запускает процедуру «аппаратного стирания» чипа SAM3X, активирование выводов Erase и Reset на SAM3X перед установлением связи с UART. Это рекомендуемый порт для программирования Due. Аппаратное стирание более надежно, чем «программное стирание», которое происходит на собственном USB порте, и будет работать даже в случае повреждения главного микропроцессора.
• Собственный порт: Чтобы использовать этот порт, выберите в Arduino IDE тип вашей платы  «Arduino Due (Native USB Port)». Собственный USB порт подсоединен напрямую к  SAM3X. Подключите собственный USB порт Arduino Due (ближний к кнопке Reset) к вашему компьютеру. Открытие и закрытие собственного порта при скорости передачи 1200 бит в секунду запускает процедуру «программного стирания»: флеш-память стирается и плата перезапускается с помощью загрузчика. Если главный микроконтроллер по какой-либо причине поврежден, то, вероятно, программное стирание не будет работать, так как эта процедура на SAM3X происходит полностью программно. Открытие и закрытие собственного порта на других скоростях передачи не вызовет сброса SAM3X.

В отличие от других плат Arduino, использующих для загрузки avrdude,  Due полагается на bossac.

Исходный код программы для ATmega16U2 доступен в  архиве Arduino. К разъему ISP можно подключать внешний программатор (перезаписывая загрузчик DFU). Более подробную информацию можно найти в инструкциях для помощи пользователям.

Токовая защита разъема USB

На Arduino Due имеется самовосстанавливающийся предохранитель, назначение которого – защитить USB порты вашего компьютера от короткого замыкания и перегрузки по току. Несмотря на то, что в большинстве компьютеров есть встроенная защита по току, этот предохранитель дает дополнительную защиту. При токе через USB порт более 500 мА связь автоматически обрывается предохранителем до прекращения перегрузки или короткого замыкания.

Физические характеристики и совместимость с платами расширения

Максимальная длина печатной платы Arduino Due равна 4 дюйма, а ширина – 2,1 дюйма, без учета USB соединителей и разъема питания, которые выступают за приведенные габаритные размеры. Три отверстия под винты позволяют закрепить плату на поверхности или в корпусе. Обратите внимание, что расстояние между цифровыми выводами  7 и 8 составляет  160 мил (0.16″, 4,064 мм), не кратно промежуткам в 100 мил (2,54 мм) между остальными выводами.

Arduino Due сделан совместимым с большинством плат расширения, разработанных для Uno, Diecimila или Duemilanove. Цифровые выводы с 0 по 13 (и соседние выводы AREF и GND), аналоговые входы с 0 по 5, разъем питания, разъем «ICSP» (SPI) расположены одинаково на всех платах. Более того, основной UART (последовательный порт) находится на тех же выводах (0 и 1).
Пожалуйста, обратите внимание, что шина  I²C расположена в Arduino Due на других выводах (20 и 21), не так как в Duemilanove / Diecimila (аналоговые входы  4 и 5).