Аналоговый функционал Arduino: как использовать его в своих проектах

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2012

Lee Goldberg, Electronic Products

Будь вы инженер-разработчик, или просто любитель, вы сможете понять и оценить простоту использования аналоговых входов/выходов открытой аппаратной платформы Arduino в приложениях, работающих с «реальным миром». Компактные аппаратные модули обеспечивают легкий доступ к аналоговым входам и выходам микроконтроллера, которые могут использоваться для измерения и мониторинга напряжения, чтения различных типов аналоговых датчиков и простых сигналов.

Несмотря на то, что цифро-аналоговый преобразователь микроконтроллера имеет относительно скромное разрешение и скорость преобразования, он вполне подходит для многих распространенных приложений, от управления освещением и электродвигателями, до переключения коэффициентов усиления усилителей. В статье мы рассмотрим аппаратные и программные ресурсы, которые образуют основу аналогового функционала платформы Arduino и покажем, как использовать их в своих проектах.

Если Вы еще не знакомы с Arduino, обратите внимание на ссылки в конце статьи.

В соответствии с принятой философией – сделать применение цифровых технологий в реальном мире максимально простым, – аппаратная платформа Arduino была разработана таким образом, чтобы обеспечить возможность полного использования аналоговых функций, встроенных в универсальный 8-разрядный микроконтроллер ATmega компании Atmel. Все варианты микроконтроллеров, используемых в платформе Arduino, оснащены внутренним многоканальным АЦП, который имеет 10-битное разрешение и способен производить до 15000 выборок в секунду, представляя результаты в форме целых чисел от 0 до 1023. Основной функцией аналоговых выводов микроконтроллера является чтение входных аналоговых значений, но любой из них может быть сконфигурирован как цифровая линия ввода/вывода общего назначения.

Хотя некоторые AVR микроконтроллеры оснащены цифро-аналоговыми преобразователями, в нынешнем поколении плат Arduino используются представители семейства, аналоговые сигналы на выходах которых получаются с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Коэффициент заполнения импульсов, имеющих частоту приблизительно 490 Гц, программируется на каждом выходе ШИМ, что дает возможность получать эквивалентное действующее напряжение в диапазоне от 0 В до 5 В с 8-битным разрешением (Рисунок 1). Несмотря на некоторые ограничения в своих возможностях, выходы Arduino могут быть использованы для многих задач, таких как управление светодиодами и электродвигателями.

Рисунок 1.	Широтно-импульсная модуляция позволяет превратить цифровые линии ввода/вывода общего назначения в аналоговые выходы Arduino.

Большинство плат Arduino, как «официальных», так и других изготовителей, предоставляют легкий доступ к аналоговым (и цифровым) сигналам микроконтроллера посредством разъемов по краям платы. Количество аналоговых каналов и их физическое соответствие варьируются в зависимости от конкретного используемого микроконтроллера и форм-фактора платы, но многие варианты придерживаются соглашений, принятых для официальных проектов Arduino – Arduino Uno (Рисунок 2), Mega и Nano.

Рисунок 2.	Аналоговые входы (A0 – A5) на плате Arduino Uno (rev3) и выходы ШИМ (цифровые выходы 3, 5, 6, 9, 10, 11) физически доступны через стандартные однорядные разъемы по краям платы.

Разработка программного кода для функций аналогового ввода/вывода также несложна, т.к. среда разработки Arduino IDE содержит набор соответствующих собственных команд. Эти команды позволяют считывать аналоговые значения, генерировать выходной ШИМ сигнал и конфигурировать опорное напряжения для АЦП.

Аналого-цифровое преобразование и чтение данных

Задача использования аналоговых входов платформы Arduino в реальных приложениях довольно проста, но требует определенного внимания при выборе надлежащего источника опорного напряжения для АЦП. Чтобы определить верхний предел диапазона входного напряжения АЦП, здесь можно использовать источник опорного напряжения по умолчанию (Default), внутренний (Internal) или внешний (External).

В режиме Default микроконтроллер в качестве опорного источника использует выход установленного на плате Arduino стабилизатора напряжения. В зависимости от конкретного типа платы, это либо 5 В, либо 3.3 В.

В режиме Internal используется встроенный в микроконтроллер прецизионный источник опорного напряжения. Выходное напряжение этого источника различно в различных микроконтроллерах, и как правило составляет 1.1 В (для ATmega168 и ATmega328) или 2.56 В (для ATmega8 и других из серии mega). Режим External позволяет подключить внешний источник опорного напряжения к выводу микроконтроллера AREF через резистор номиналом 5 кОм. Вывод AREF имеет внутренний защитный резистор 32 кОм, который совместно с резистором 5 кОм образует делитель напряжения. Это означает, что при напряжении 2.5 В, приложенном через резистор, на выводе AREF будет 2.5 × 32 / (32 + 5) ≈ 2.2 В.

Чтение аналоговых напряжений с помощью языка программирования Arduino заключается в выборе источника опорного напряжения с использованием команды analogReference (type) и вызова функции analogRead(pin), где

pin указывает на номер вывода разъема платы.

После назначения источника опорного напряжения он остается активным до выбора другого источника. Несмотря на то, что микроконтроллеры AVR поддерживают скорость преобразования до 15000 выборок в секунду, аппаратно-программная платформа Arduino, как правило, ограничивает это значение до 10000 выборок.

Создание аналоговых выходов ШИМ

Для генерации аналогового напряжения на одном из выводов ШИМ платы Arduino требуется конфигурирование этого вывода с помощью команды pinMode(pin, mode) и последующего вызова функции analogWrite(pin, value), где

pin – указывает номер вывода ШИМ на разъеме платы Arduino,
value – значение, задающее выходное напряжение ШИМ (8-битное число в диапазоне 0-255).

На сконфигурированном однажды выходе будет постоянно присутствовать сигнал ШИМ частотой 490 Гц с заданными параметрами до следующего вызова функции analogWrite() (или digitalRead(), или digitalWrite()) для этого же вывода микроконтроллера.

Линии ввода/вывода микроконтроллера способны отдавать в нагрузку ток до 40 мА, поэтому они пригодны для непосредственного управления небольшими массивами светодиодов. Для управления более мощными источниками света или электродвигателями аналоговый выход микроконтроллера можно соединить с мощным транзистором или мостовой схемой. В приложениях более требовательных к качеству аналогового сигнала (усилители, источники тока) могут применяться простые RC фильтры.

Дополнительные аналоговые функции

Некоторые микроконтроллеры AVR (включая ATmega8 и ATmega168) имеют аналоговый компаратор, позволяющий сравнивать входное напряжение с другим внешним напряжением, которое может поступать с выхода ШИМ или от встроенного источника опорного напряжения микроконтроллера. Выход компаратора может опрашиваться микроконтроллером, или же может инициировать прерывание. Несмотря на дополнительный программный код, работа компаратора с выработкой прерывания позволяет процессору реализовать функции определения повышенного/пониженного напряжения без постоянного чтения аналоговых данных. Эта функция может использоваться в детекторах движения с регулируемым порогом и датчиках удара в биомедицинском мониторинге.

Для плат Arduino, микроконтроллеры которых не имеют встроенного аналогового компаратора, относительно легко можно добавить внешний компаратор LM741, LM339N или TLC3704, установив его в макетной области платы. Если свободного места на вашей плате нет, можно использовать специальную плату для прототипирования (Рисунок 3).

Рисунок 3.	АналоПлата для прототипирования позволит подключать ваши собственные аналоговые (или цифровые) схемы ввода/вывода к стандартным платам Arduino.

Ссылки

1. Радиолоцман», 2011, 11, стр. 13, «Как создавали и продвигали Arduino».
2. Радиолоцман», 2011, 12, стр. 44, «Открытая платформа Arduino высвобождает творческий потенциал».
3. Радиолоцман», 2012, 01, стр. 34, «Открытая платформа Arduino высвобождает творческий потенциал. Arduino Shields – расширение возможностей аппаратной платформы».