Systemy wbudowane 2024

Jest to przedmiot składający się z dwóch form dydaktycznych: wykładu oraz laboratoriów

Zasady zaliczenia są następujące:
  • obowiązkowe zaliczenie 1. części laboratorium ("Autka 1"), plus ew. projekt laboratoryjny ("Autka 2")
  • kolokwium (termin TBA)
  • oddany projekt (omówienie na wykładzie)
Z w/w form są wystawiane punkty, odpowiednio:
  • L (laboratorium - 2.0 do 5.5)
  • K (kolokwium - 0 - 5.0, przy braku podejścia przyjmuję 2.0)
  • P (projekt - 2.0 do 5.5)
Ocena ostateczna wyliczna jest jako średnia ważona: 0,4L + 0,2K + 0,4P; wynik zaokrąglany jest w górę.

Wykład

Wykład odbywa się w środy między 15 a 17 w sali C13/0.31. Slajdy do wykładów:

  • 0. Wprowadzenie o systemach wbudowanych, omówienie projektu
  • 1. Wymagania i specyfikacja systemów wbudowanych
  • 2. Komunikacja: UART || kod klasy Ticker (można uruchomić na Wokwi)

W ramach wykładu studenci realizują zadanie projektowe. Kolejne listy będą publikowane poniżej. W terminie zapadalności listy prowadzący wybierze losowo 5 grup do sprawdzenia.

  • Lista 1. (do 3 kwietnia) -- opis słowny, podstawowe wymagania
  • Lista 2. (do 17 kwietnia) -- opisy przypadków użycia

Laboratoria

Prowadzący:

  • Wojciech Wodo - ŚR 7-9, 11-13 (D1/317.2)
  • Przemysław Błaśkiewicz - ŚR 9-11, 13-15 (D1/317.2), CZW 7-9 (D1/317.2)
Ogólne zasady zaliczenia laboratoriów. Poniżej, dla każdego tygodnia (lub dwóch) będą pojawiać się zadania/listy. Wszystkie te listy będą zawierać zestaw poleceń i kod do rozbudowania wraz z instrukcjami lub wprowadzeniem teoretycznym. List będzie 7-8, ich zaliczenie skutkuje zdobyciem 4 punktów z laboratoriów. Osoby chcące zdobyć większą liczbę punktów, po zaliczeniu list podstawowych muszą samodzielnie rozbudować autko (na podstawie listy dodatkowej, która zostanie opublikowana w kwietniu), lub zrobić niezależny od niego projekt - po konsultacji z prowadzącym. Szczególne zasady dotyczące zaliczenia list ustala każdy prowadzący laboratoria.

  1. Obejrzyj dokładnie płytkę Arduino UNO oraz dostępne Ci inne podzespoły pojazdu. Wykorzystaj opis płytki w sieci, aby zidentyfikować: główny mikrokontroler, piny we/wy (jakie mają funkcje?), diodę LED (ile ich jest? do czego służą?), zasilanie, reset.
  2. Uruchom środowisko programistyczne Arduino (możesz uruchomić na swoim laptopie). Połącz płytkę arduino przewodem USB z komputerem. Upewnij się, że w menu Narzędzia/Płytka oraz Narzędzia/Port wybrane są, odpowiednio, "Arduino/Genuino Uno" oraz port w stylu /dev/ttyACM0. Możesz sprawdzić, czy wszystko działa za pomocą Narzędzia/Pobierz informacje o płytce.
  3. Uruchom przykład Przykłady/Basics/Blink i zapoznaj się z kodem oraz samouczkiem. Zajrzyj też do odnośników z rozdziału "Learn more".
  4. Skompiluj kod (znaczek "ptaszka" z lewej strony belki menu). Sprawdź, jakie informacje o skompilowanym kodzie otrzymasz. Przeanalizuj je. Następnie wgraj (przycisk obok) kod na płytkę przyglądając się temu, co się z nią w tym czasie dzieje (wgrywanie możesz powtórzyć, żeby się upewnić). Sprawdź, czy Twoje domysły na temat kodu i faktyczne jego działanie są zbieżne. Jeśli nie - rozwiąż konflikt :)
  5. Pobierz ten kod i otwórz w środowisku. Ponownie przeanalizuj kod, postaw tezę co do tego, co on robi. Skompiluj i wgraj na płytkę. Wybierz Narzędzia/Monitor portu szeregowego (Ctrl+Shift+M), ustaw odpowiedni baudrate i zweryfikuj swoje domysły co do programu.
  6. Korzystając z dwóch przedstawionych programów, napisz swój, który:
    1. pobierze literę przez port szeregowy,
    2. wymruga ją za pomocą diody w kodzie Morse'a.
UWAGA! Od ubiegłych zajęć nastąpiła zmiana w autkach:
  1. Pojawiło się zasilanie bateryjne, podłączone do silników. Mogą one obracać kołami, w związku z tym, aby nie spowodować niekontrolowanego ruszenia pojazdu stojącego na biurku, przed włączeniem zasilania należy ustawić pojazd na podstawie z gąbki! Dostępny jest wyłącznik główny, odcinający zasilanie bateryjne. Jeśli Arduino podłączone jest przez kabel USB, to nadal będzie zasilane (ale tylko płytka).
Rozmieszczenie elementów odpowiedzialnych za zasilanie autka. Autka w wersji 2.0 mają zamienione miejscami wyjścia „5V” i „GND”.
Schemat łączenia przewodów z modułu N298 do silników i baterii. W aktualnej wersji jest kilka różnic: (1) nie ma dwóch tylnich silników. (2) Niektóre autka mają odwrócone kolory taśmy oznaczonej żółtym owalem (żółty po lewej, biały po prawej). Można to zweryfikować, zaglądając pod pokład autka od tyłu. (3) Przewody oznaczone jako OUT{1,2,3,4} nie są poczwórne, ale podwójne: czarny i czerwony.
Ta lista poświęcona jest sterowaniu silnikami. Pojazd wyposażony jest w dwa niezależne silniki napędzające przednie koła. W jaki sposób sterować silnikiem? Oczywiście przez podanie napięcia na jego dwa bieguny (są też inne silniki, posiadające więcej wejść, ale o tych innym razem). Chcielibyśmy, aby to Arduino sterowało silnikiem, podobnie jak w poprzednim tygodniu sterowało diodą (włącz/wyłącz). Jednakże nie można podłączyć silnika bezpośrednio do któregoś z pinów Arduino, o czym szerzej na wykładzie. Dlatego też w autku zamontowany jest moduł z układem L298, który będzie pośredniczył pomiędzy Arduino a silnikiem i odpowiednio włączał/wyłączał zasilanie pobierane bezpośrednio z baterii.
  1. Układ N298. Pobierz specyfikację układu. Przeanalizuj schemat na pierwszej stronie. Potraktuj obecne tam tranzystory NPN jako elektronicznie włączniki: jeśli na bazie (B) jest „HIGH”, to tranzystor przewodzi między emiterem (E) a kolektorem (C). Przeanalizuj, co się stanie, jeśli na „In1”, „In2”, „EnA” pojawią się różne kombinacje stanów LOW i HIGH. (W tym schemacie zasilanie z baterii podłączane jest do „+Vs” (na środku u góry) i do wspólnej „ziemi” -- symbol krótkiej, grubej, poziomej kreski np. na dole schematu). Silnik podłączany jest do wyjść „OUT1” i „OUT2”. Spróbuj wyobrazić sobie, jak za pomocą tego układu można sterować kierunkiem obracania się kół.
  2. Programowanie ruchu. Na autku znajdziesz taśmę 6 przewodów, które „pod pokładem” są połączone jak na powyższej fotografii. Uwaga. Autka w wersji 2.0 mogą mieć odwrócone kolory taśmy! Korzystając z dotychczas osiągniętych wyników, spróbuj podłączyć te przewody do pinów 2-13 na Arduino tak, by móc sterować jazdą w przód i do tyłu silnikami po prawej i lewej stronie. (Podpowiedź: przewody biały i żółty [wejścia „EnA” i „EnB” układu N298] podłącz do pinów zasilania „+5V” w okolicach baterii. Po podłączeniu pozostałych przewodów możesz na nich ustawiać stany „HIGH” i „LOW” tak, jak w przypadku świecenia diodą LED.)
  3. Sterowanie prędkością. Odłącz teraz przewody żółty i biały od zasilania „+5V” i podłącz je do pinów Arduino oznaczonych falką (~), są to: 3, 5, 6, 9, 10, 11. Są to piny, na których można wykonać operację analogWrite(), co spowoduje, że średnie napięcie na tym pinie można zmieniać pomiędzy 0V („LOW”) a 5V („HIGH”). [Więcej o tej technice, zwanej PWM - Pulse Coded Modulation na wykładzie.] Przetestuj, jak kręcą się koła dla różnych wartości zapisywanych do pinów En1 i En2 (zapisanie za niskich wartości może sprawić, że koła nie będą się poruszać).
  4. Rozbudowa biblioteki. Pobierz archiwum, rozpakuj i otwórz w środowisku Arduino. Przeanalizuj kod i uruchom go ustawiwszy uprzednio autko na podstawce! Dopisz do klasy Wheels metodę goForward(int cm) oraz goBack(int cm), której wywołanie spowoduje, że autko przemieści się o liczbę centymetrów podaną jako parametr.
Pora ułatwić sobie życie, tym bardziej, że autko powoli zaczyna stawiać samodzielne pierwsze kroki...
Dołączymy mu moduł LCD 2x 16 znaków oparty na kontrolerze HD44780U. Żeby zaoszczędzić piny na płytce Arduino, skorzystamy z konwertera I2C-LCD.
  1. Zapoznaj się z biblioteką LiquidCrystal I2C (autor: Marco Schwartz). UWAGA! Jest wiele klonów, które dodają różne funkcjonalności - jeśli chcesz, to możesz użyć innej (ale support tu się kończy :)). Jeśli to potrzebne, ściągnij pliki tej biblioteki do swojego środowiska.
  2. Uruchom program pokazowy. Poeksperymentuj z nim -- co jest nie tak? Zaproponuj zmiany.
    Uwaga 1. Musisz poszukać, jak podłączyć konwerter do płytki -- oznaczenia na konwerterze są jasne, co do Arduino - zachęcam do szukania w dokumentacji.
    Uwaga 2. Jeśli program pokazowy nie działa, sprawdź, czy adres urządzenia I2C jest poprawny. Użyj skanera (Plik->Przykłady->Wire->i2c_scanner).
    Uwaga 3. Jeśli na wyświetlaczu w obu liniach widzisz tylko prostokąty, użyj potencjometru z tyłu (niebieska kostka), by zmienić kontrast.
  3. Uzupełnij swój kod autka tak, by w sposób ciągły wyświetlał na LCD pomiar odległości, którą auto ma jeszcze przejechać (podawanej jako argument do poprzednio napisanego goForward()/goBack()).
  4. Wykorzystując drugą linię wyświetlacza, zbuduj "deskę rozdzielczą" -- na dwóch końcach linii wyświetlaj, co aktualnie autko robi z silnikami (prawa-lewa: przód/tył/stop a na środku linii -- zaproponuj animację wskazującą jazdę (przód/tył). (Uwaga. Gdy koła kręcą się w tył, ich prędkość powinna być wyświetlana jako ujemna.)
Przypomnij sobie pierwsze laboratoria (mruganie diodą): interwał pomiędzy przełączeniem diody był określany przez delay(). Ta sama funkcja definiowała okres między rozpoczęciem jazdy i zatrzymaniem się (drugie laboratoria). Stąd powstaje problem: jeśli procesor ma „nie robić nic”, gdy auto jedzie, to jak go zmusić do mrugania diodą? W idealnym świecie rozwiązaniem byłyby wątki (sprzętowe lub jako mechanizm systemu operacyjnego), ale kontroler w Arduino nie posiada takich dóbr. Posiada natomiast typowe dla mikrokontrolerów mechanizmy: liczniki i system przerwań. Do wykonania poniższych zadań pobierz kod.
  1. Zadanie polega na usprawnieniu pojazdu tak, by przy jeździe wstecz robił „bip-bip”, tak jak porządna ciężarówka. Dodatkowo należy modyfikować częstotliwość „bipów” w zależności od prędkości. Mamy do wykorzystania tylko kilka głośniczków, jeśli Tobie zabraknie - możesz użyć diody LED (pin 13). Otwórz szkic "beepInterrupt". Przeanalizuj kod (przeczytaj dokumentację dla TimerOne!) i uruchom go na płytce. Obserwując działanie (bipy lub mruganie diody) modyfikuj okres działania. Wyślij też dłuższy ciąg (dowolnych) znaków z konsoli (odczytaj je przez Serial) na płytkę: czy okres mrugania uległ zaburzeniu?
    Wykorzystując ten program, zrealizuj zadanie główne - zaktualizuj metodę back() tak, by auto mrugało/bipało przy jeździe wstecz.
  2. Teraz zadanie polega na udoskonaleniu metod moveForward(), moveBack(), które powstały na poprzednich laboratoriach.
    Uwaga. W każdym miejscu, gdzie używasz obiektu Serial spróbuj też wykorzystać obiekt LCD z listy 2. -- zobacz, czy odczyty obrotów (o tym już za chwilę) są różne, gdy wykorzystujesz komunikację z komputerem i bezpośrednie wyświetlanie na ekranie.
       W autkach na osiach przednich kół zostały zamontowane kółka z wyciętymi szczelinami (do wglądu u prowadzącego), oraz czujniki szczelinowe. Idea ich działania jest prosta: jeśli czujnik „widzi” szczelinę w kółku, to jego wyjście DO jest równe HIGH. Jeśli nie, to DO jest LOW.
    Szczegóły podłączenia:
       prawy sensor: VCC - brązowy, GND - czerwony, DO - pomarańczowy;
       lewy sensor: VCC - szary, GND - fioletowy, DO - niebieski.
    Musimy więc umożliwić Arduino reagowanie na zmianę poziomu DO, ale tak, by nie kolidowało to z innymi zadaniami mikrokontrolera (np. rozmowa przez UART, obliczenia, etc.). Wykorzystamy do tego przerwania zewnętrzne, a w szczególności przerwanie wywoływane przez zmianę stanu pinu (Pin Change Interrupt - PCI). Wykorzystamy piny A0 i A1 - po jednym na czujnik. Przeanalizuj obrazek. Tym pinom przypisane są, odpowiednio, przerwania PCINT8 i PICINT9. Spróbujmy uruchomić mechanizm przerwań dla tych pinów. Jest wiele sposobów na zakodowanie tego, my pójdziemy edukacyjną (trudniejszą) drogą, a potem prostszą.
    Trudniejsza: będziemy pracować ze specyfikacją ATmega328P (strony od 71.). Odnośny kod znajdziesz w szkicu "wheelSensorHard".
    • Spójrz najpierw na rejestr PCICR i opisy jego poszczególnych bitów. To bit PCIE1 uruchamia przerwania dla PCINT8 i PCINT9 (oraz kilku innych). Ustawmy go w kodzie: PCICR = 0x02.
    • Druga rzecz, którą trzeba ustawić, to dla którego spośród pinów, dla których PCIE1 uruchamia przerwanie - ma być wywołana procedura obsługi. Dalsza analiza specyfikacji (punkt 10.2.7) wykazuje, że jest za to odpowiedzialny rejestr PCMSK1. Chcemy uruchomić przerwania dla PCINT8 i PCINT9, a zatem: PCMSK1 = 0x03. Uwaga. Możliwe jest też wykonanie operacji: PCMSK1 |= (1 << PCINT8) | (1 << PCINT9); z tym samym skutkiem.
    • Za każdym razem, gdy coś się zmieni na A0 i A1 (bo to Pin Change), zostanie wywołana obsługa przerwania ISR(PCINT1_vect). To, co ta procedura wykona, zależy już od konkretnego zadania, jakie ma obsłużyć, ale regułą jest nie używanie operacji buforowanych i o nieznanych czasach wykonania (np. operacji we/wy). Zwykłe zwiększenie licznika jest OK (pamiętaj, że taka zmienna musi być zadeklarowana jako volatile. UWAGA. Wywołanie obsługi przerwania w naszym wypadku oznacza, że któryś z pinów A0, A1 zarejestrował zmianę. Określenie który to z nich - wymaga po prostu sprawdzenia ich stanu.
    Łatwiejsza: użyjemy gotowej biblioteki PinChangeInterrupt. Przykładowy kod znajdziesz w szkicu "wheelSensorEasy".
    • Otwórz szkic i w razie potrzeby zainstaluj bibliotekę (Narzędzia -> Zarządzaj bibliotekami).
    • Cała reszta jest prosta i czysta, jeśli wersja "trudna" jest dla Ciebie zrozumiała. Porównaj jednak rozmiary kodów wynikowych w wersji trudniejszej i prostszej. Którą wersję wybierzesz dla jakich przypadków?
    Problem. Zauważ, że w przypadku wykorzystania procedury ISR(PCINT1_vect) w takiej formie, jak podałem w przykładowym kodzie powoduje, że liczniki dla obu stron „rozjeżdżają” się, i to znacznie! Przepisz procedurę na taką: 
    ISR(PCINT1_vect){
 if( (PINC & (1 << PC0)) ) 
 cnt0++;

 if( (PINC & (1 << PC1)) )
 cnt1++;
}
    i sprawdź, czy coś się poprawiło. Jak myślisz, dlaczego?

    Mając dwa sposoby na zliczanie impulsów z tarczy na osiach kół, rozbuduj bibliotekę Wheels o udoskonaloną wersję poruszania się o daną odległość i możliwości skrętu.
  3. (Jako wisienka na torcie) Dysponując możliwością kontroli rzeczywistej prędkości poruszania się autka - narysuj wykres zależności prędkości od parametru funkcji Wheels::setSpeed(int).
Pora na zdalne sterowanie. Zacznijmy od pilota (na podczerwień). Czujnik reagujący na światło podczerwone znajdziesz u prowadzącego. Aby mógł współpracować z biblioteką IRRemote, jego przewód sygnałowy (żółty, zakończony zagiętym wtykiem) powinien być podłączony do pinu 2 w Arduino. Jest możliwe użycie innego pinu, informacje o tym znajdziesz w dokumentacji biblioteki IRRemote. Informacje dotyczące zestawu pilot+czujnik znajdziesz m.in. tutaj. Wykonaj następujące zadania:
  • Wykorzystując powyższą bibliotekę, odkryj kody przypisane poszczególnym klawiszom pilota.
  • Zaimplementuj w programie (w funkcji setup()) mechanizm uruchamiana autka za pomocą kodu -- aby pojazd zaczął po restarcie wykonywać główną pętlę, należy najpierw podać kod PIN i zatwierdzić klawiszem ENTER.
  • Zaimplementuj sterowanie pojazdem (możesz zmodyfikować kod, który budowałeś(-aś) dotychczas). Szczegóły tego zadania poda prowadzący.
UWAGA. Wszystkie piloty nadają te same kody na tej samej częstotliwości. W związku z tym musisz liczyć się z błędami odbioru lub odbieraniem niewłaściwych kodów, jeśli w tej samej chwili będzie w użyciu więcej pilotów. Spróbuj wymyślić mechanizm, który zminimializuje ten problem.
Dotychczas autko przemierzało świat "na ślepo". Najwyższa pora umożliwić mu patrzenie na świat.
Echolokacja to mechanizm określania odległości od przedmiotów odbijających fale dźwiękowe na podstawie czasu przelotu w obie strony (ang. Time of Travel - ToT) impulsu. Prędkość dźwięku dla naszych potrzeb i dokładności możemy przyjąć jako 340 m/s.

Trivia: dlaczego odległość od uderzenia pioruna można określić, licząc sekundy między błyskiem a grzmotem?

Typowymi użytkownikami tej technologii są delfiny i nietoperze. W autku realizacją tego mechanizmu zajmie się moduł HC SR-04.
  1. Zapoznaj się ze specyfikacją modułu. Dlaczego wysyłane jest kilka impulsów?
  2. Otwórz kod prezentacyjny do tego laboratorium. Zidentyfikuj w nim obsługę sygnałów, o których mowa w specyfikacji HC SR-04.
  3. Aby umożliwić autku rozglądanie się, sonar umieściłem na serwomomechanizmie SG-90 micro. Zapoznaj się z krótkim artykułem-kursem na temat działania tego typu urządzeń.
  4. Uruchom program pokazowy, zaobserwuj, czy wyniki prezentowane na konsoli odpowiadają rzeczywistości.
  5. Napisz program, który pozwoli autku:
    • wyświetlać dane z sonaru (kąt patrzenia, odległość do przeszkody) na ekranie LCD;
    • zatrzymywać się przed przeszkodą;
    • podejmować decyzję co do sposobu jej ominięcia;
    • kontynuować jazdę (autka niestety jeszcze nie skręcają za dobrze, ale jeśli przestawisz je ręcznie tak, że przeszkoda zniknie, to może podjąć dalszą drogę).
W trakcie zabawy z sonarem możesz wykorzystać narzędzie "Kreślarka" (Narzędzia->Kreślarka) - jest to wygodny sposób rysowania danych liczbowych wyświetlanych na konsoli w dziedzinie czasu.


Lista części składowych autka. Linki prowadzą do przykładów w jednym ze sklepów internetowych. (pokaż)

Lista dodatkowych komponentów, które można użyć do zbudowania swojego własnego projektu (pokaż)
(linki prowadzą do strony jednego ze sklepów, znajdują się tam podstawowe opisy modułów)
Możliwe jest użycie własnych komponentów. Jeśli będzie potrzebne lutowanie, proszę o kontakt.

Materiały pomocnicze w sieci i na papierze