L'univers Arduino

Au moment de la rédaction de ces lignes, le cœur de la carte Arduino Uno est un microcontrôleur de la famille AVR, un Atmel Atmega 328P.

Ce microcontrôleur renferme dans un seul composant :

• un processeur 8 bits à architecture RISC ;
• de la mémoire avec des espaces physiques séparés :
  • mémoire Flash (32 Ko) pour les programmes,
  • mémoire vive SRAM (2 Ko) pour les données,
  • mémoire EEPROM (2 Ko) pour les données de sauvegarde ;
• toute la logique d'horloge (16 MHz) ;
• des circuits d'interface et des périphériques d'entrée-sortie permettant au processeur d'accéder au monde extérieur :
  • des Timers/Counters (T/C) 8 et 16 bits,
  • génération des signaux PWM,
  • des interfaces de communication série (UART, SPI, TWI compatible I2C…),
  • un convertisseur Analogique-Numérique (A/D Conv.),
  • etc.

Un processeur à 16 MHz et 32 Ko de mémoire Flash pour stocker vos programmes, ces chiffres peuvent prêter à sourire en comparaison des GHz et des Go de votre ordinateur personnel. Mais avec son format carte de crédit et une consommation inférieure au Watt, la carte Arduino satisfera pourtant vos premières exigences en termes d'embarqué.

Elle a lieu sous une tension de 5 Volts. Elle peut provenir soit de la prise USB lorsque la carte est reliée à l'ordinateur, soit d'un bloc secteur externe (tension entre 7 et 12 Volts, 1 Ampère) via la prise jack standard.

Comme la carte consomme très peu (0,5 W), elle peut également être alimentée par une simple pile 9 V.

Les régulateurs montés sur la carte permettent de fournir des tensions stabilisées à 3,3 ou 5 Volts pour alimenter des périphériques (capteurs, shields…).

Les tensions appliquées aux entrées ne doivent pas dépasser la tension d'alimentation sous peine de détruire le circuit.

Ce sont les deux rangées de connecteurs de part et d'autre de la carte qui permettent sa connexion au monde extérieur.

III-C-1. Les entrées/sorties numériques D0 à D13▲

Chacun des connecteurs D0 à D13 peut être configuré dynamiquement par programmation en entrée ou en sortie.

Les signaux véhiculés par ces connecteurs sont des signaux logiques compatibles TTL, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent prendre que deux états HAUT (5 Volts) ou BAS (0 Volt).

En pratique, les connecteurs D0 et D1 réservés pour la liaison série asynchrone (port COM virtuel via le câble USB) ne sont pas exploités pour d'autres utilisations.

À noter que chacun des connecteurs ne peut fournir ou absorber un courant supérieur à 40 mA environ (200 mA pour l'ensemble des connecteurs).

Certains connecteurs peuvent être spécialisés comme sorties PWM (repérées par un ~) mais nous sortons ici du cadre de ce tutoriel.

III-C-2. Les entrées analogiques A0 à A5▲

Par défaut et contrairement aux entrées/sorties numériques qui ne peuvent prendre que deux états HAUT et BAS, ces six entrées peuvent admettre toute tension analogique comprise entre 0 et 5 Volts.

Pour pouvoir être traitées par le microcontrôleur, ces entrées analogiques sont prises en charge par un CAN (Convertisseur Analogique Numérique ou ADC pour Analog Digital Converter) dont le rôle est de convertir l'échantillon de tension V_E en une grandeur numérique binaire sur n bits.

Le principe de la conversion Analogique-Numérique est représenté ci-dessous (avec n=3 bits et la tension de référence Vref=5 Volts) :

Le convertisseur de la carte Arduino Uno possède une résolution de 10 bits, soit 2^10 = 1024 possibilités de 0 à 1023.

Ainsi, pour n=10 bits et la tension de référence par défaut Vref=5 Volts, si la tension analogique d'entrée échantillonnée est V_E=3,8 Volts , la grandeur numérique N (ici en entier décimal) en sortie du convertisseur peut être calculée grâce aux relations :

quantum q = Vref/2ⁿ = 5 / 2¹⁰ = 5 / 1024

N = V_E / q = 3,8 x 1024 / 5 soit N = 778

Il y aurait encore bien des choses à dire pour avoir une description plus complète de la carte et nous sommes resté sur l'essentiel.

La plateforme Arduino étant open source, une description plus complète et les schémas de la carte sont donc librement disponibles sur le site officiel.

Pour l'installation (Windows, Mac OS X et Linux), référez-vous aux indications pas à pas du site officiel : Getting Started with Arduino.

Voici à quoi ressemble l'IDE (Windows), ici avec le programme de démonstration Blink :

Ce premier programme se contentera de faire clignoter la LED jaune témoin qui se trouve près du connecteur D13 de la carte Arduino Uno.

Avant de télécharger le programme dans la carte, il faut relier l'ordinateur et la carte via le câble USB :

Une fois le port activé et reconnu sur l'ordinateur, il faut éventuellement désigner le bon dans l'interface :

Finalement, le processus de rédaction du programme jusqu'à son téléchargement dans la carte peut être résumé grâce au schéma suivant :

Sous Windows par exemple, lorsque vous lancez la compilation dans l'IDE, ce sont les outils de la suite WinAVR avec son compilateur GCC qui prennent le relais.

En fait, vous programmez dans un langage propre à Arduino dont la structure s'apparente aux langages C/C++. Mais lorsque vous évoquez une fonction Arduino, non standard C/C++, et pourtant reconnue et coloriée comme un mot-clé dans l'éditeur, vous faites appel en toute transparence à une ou plusieurs bibliothèques rédigées en C ou C++ qui seront incluses à la compilation.

En enveloppant le langage C/C++ de cette manière, les concepteurs de l'IDE ont pu simplifier sa syntaxe et l'adapter aux possibilités de la carte. De nombreuses fonctionnalités de haut niveau sont ainsi proposées à l'utilisateur novice qui n'a plus à se soucier de la logique interne du microcontrôleur.

Revenons au programme de démonstration Blink :

/*
  Blink
  Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.
 
  This example code is in the public domain.
 */
 
// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.
// give it a name:
int led = 13;

// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {                
  // initialize the digital pin as an output.
  pinMode(led, OUTPUT);     
}

// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
  digitalWrite(led, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);               // wait for a second
  digitalWrite(led, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);               // wait for a second
}

La structure d'un programme Arduino, rédigé dans l'éditeur, ressemble à ceci et doit toujours comporter les fonctions setup() et loop() :

// Définition des constantes, variables globales
// directives de compilation define, include, etc.

void setup() {                
  // initialisation des ressources de la carte,
  // configuration des entrées/sorties,
  // définition de la vitesse de fonctionnement du port série, etc.
  // setup() n'est exécuté qu'une seule fois.
}

void loop() {
  // les instructions contenues ici sont exécutées indéfiniment en boucle
  // Seule une coupure de l'alimentation de la carte ou un appui sur le bouton Reset
  // permet de quitter le programme.
}

Nous n'allons pas ici décrire toutes les instructions du langage Arduino, vous trouverez les références et la syntaxe sur le site officiel :

• Language Reference

Nous insistons tout de même sur les fonctions implantées pour la gestion des entrées/sorties de la carte :

Ainsi, dans la boucle infinie loop() :

void loop() {
  digitalWrite(led, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);               // wait for a second
  digitalWrite(led, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);               // wait for a second
}

La broche n° 13, reliée à la LED intégrée à la carte, passe alternativement du niveau logique HAUT (HIGH) au niveau logique BAS (LOW) après un délai d'une seconde, ce qui la fait clignoter.

Comme vous le voyez à travers cet exemple, les concepteurs du langage ont prévu d'interfacer facilement vos programmes avec le monde extérieur.

Un shield est une carte d'interface spécialement dédiée à l'Arduino. Ces cartes ont des dimensions sensiblement voisines de la carte Arduino et peuvent s'enficher directement sur les connecteurs de celle-ci.

Il est bien sûr impossible de recenser entièrement ici les centaines de shields existant sur le marché (dont quelques-uns référencés sur le site officiel). Vous trouverez une liste de fabricants et/ou distributeurs de shields pour Arduino dans la sitographie en fin de tutoriel.

On peut tout de même en signaler quelques-uns bien pratiques et donner une idée(2).

V-A-1. Pour le prototypage▲

Une fois enfichée sur la carte Arduino, ce shield reprend tels quels les connecteurs de part et d'autre de la carte. On peut alors coller une plaque de câblage rapide (breadboard en anglais) dans la partie centrale (en plastique vert moulé sur la photo).

Cette plaque permet de câbler de nombreux composants sans faire de soudure et garder le montage entièrement démontable.

Le montage sur plaque d'essai ci-dessous, dessiné avec le logiciel gratuit Fritzing, montre une LED branchée sur la broche D10 de l'Arduino avec sa résistance en série.

Il ne reste plus qu'à reprendre le programme de démonstration Blink au niveau de la ligne :

 

Sélectionnez

int led=10;

et le tour est joué pour faire clignoter la LED rouge.

V-A-2. Pour l'affichage▲

Ce shield, en plus de son écran LCD (deux lignes de 16 caractères), comporte cinq boutons-poussoirs programmables.

La bibliothèque LiquidCrystal qui permet de piloter l'affichage est disponible par défaut dans l'IDE Arduino.

V-A-3. Pour la commande des moteurs▲

Ce shield permet de piloter jusqu'à deux moteurs électriques simultanément (idéal pour un petit robot roulant à deux roues motorisées indépendantes). Avec deux connecteurs numériques utilisés par moteur seulement, vous contrôlez le sens et la vitesse de rotation du moteur.

V-A-4. Pour communiquer▲

Si vous souhaitez rendre disponible l'état d'un capteur de température sur un réseau local Ethernet ou sur Internet, ce shield évolué avec une bibliothèque très complète et de nombreux exemples de programmes saura transformer votre Arduino en véritable serveur web connecté sur l'extérieur.

Certains shields sont mieux pensés que d'autres et tout peut se compliquer si vous devez empiler les shields les uns sur les autres, car un seul ne suffit pas.

En voulant combiner les caractéristiques de plusieurs shields, vous risquez de faire rentrer certaines de leurs fonctionnalités en conflit matériel et/ou logiciel. Telle carte ne pourra pas s'empiler sur telle autre, car les broches de la carte du dessus sont trop courtes pour s'enficher correctement sur la carte du dessous à cause d'un composant trop épais. Telle bibliothèque logicielle dédiée à un shield rentre en conflit avec celle d'un autre shield. Ou encore plus rageant, les connecteurs des différents shields partagent le ou les mêmes connecteurs de la carte Arduino.

Et je passe sur les problèmes d'alimentation, d'interférences radio/électriques, etc.

Disons que tout se passe bien si vous n'utilisez qu'un seul shield. Dès que vous commencez à vouloir les empiler, vous devez potasser la documentation constructeur (les data sheets) afin de détecter les éventuels conflits.

Les fabricants proposent en principe sur leur site les documents nécessaires à la mise en œuvre : schéma électrique, data sheet, exemple d'utilisation, etc.

Le site Internet http://shieldlist.org vous propose un moteur de recherche intégré avec des centaines de références pour choisir vos shields.

Pour chaque shield référencé, vous trouverez les caractéristiques principales ainsi qu'un schéma d'allocation des broches bien utile.

À noter que si l'allocation des broches du shield rend le nombre de connecteurs disponibles insuffisant pour d'autres utilisations, vous devrez probablement passer au modèle supérieur comme l'Arduino Mega qui dispose de connecteurs supplémentaires et qui peut parfaitement recevoir les shields conçus initialement pour la Uno.

• http://fr.flossmanuals.net/arduino/ : un manuel francophone à licence C.C très complet, qui peut être commandé en version imprimée, exporté en PDF ou ePUB.
• http://www.mon-club-elec.fr/ : le site de Xavier HINAULT, très complet également avec des traductions en français du site officiel.
• Arduino - Maîtrisez sa programmation et ses cartes d'interface (shields) par Christian Tavernier.
• Processing - Le manuel : le manuel du logiciel de création multimédia, un complément indispensable pour interfacer vos applications Arduino.

• https://www.arduino.cc/ : le site officiel.
• https://tronixstuff.com/tutorials/ : le blog tronixstuff avec plus de 50 tutoriels pour Arduino.
• http://shieldlist.org/ : un site référençant des centaines de shields pour Arduino.
• Adafruit learning system : une série de tutoriels pour débuter.
• Arduino Projects to save the World.
• http://www.arduinoevilgenius.com/arduino-projects-evil-genius-ed1/ : 30 Arduino Projects for the Evil Genius, existe aussi gratuitement en version PDF.

• Arduino Store
• Sparkfun
• Adafruit
• Lextronic
• …