Arduino introduktion

Fra tid til anden dukker begrebet Arduino op her på Sporskiftet. Ofte som en sidebemærkning, og ofte med en stribe indforståede kommentarer fra nogle få indviede. På det sidste er den blev behandlet lidt mere indgående i denne tråd - men vi mangler en egentlig introduktion til emnet. Jeg har også talt med mange, der tror, at det kan være godt med en Arduino - men er det ikke meget bedre med f.eks. en Raspberry Pi? En Arduino er en lille, primitiv computer - Raspberry Pi er en fuldblods Linux computer med meget mere CPU kraft, og så koster de næsten det samme, så hvorfor nøjes med en Arduino?

Når man stiller den slags spørgsmål, har man ikke forstået, hvad hele Arduino ideen går ud på: Ideen er netop, at der ikke er tale om en stor, fuldblods computer, men derimod et lille, teknisk vidunder, der kan løse helt andre opgaver - og løser dem meget bedre end en fuldblods maskine som Raspberry Pi. For da slet ikke at tale om en rigtig PC.

En low level computer

Hvis man har prøvet at bruge en PC til at lave løsninger, der skal styre mærkelig hardware, vil man vide, at det bestemt ikke er nemt. I gamle dage kunne man bruge den simple printerport, der gik under navnet Centronics, men den var desværre meget nem at brænde af, så det blev aldrig til en rigtigt populær løsning. I dag er printerporten væk, da næsten alt kører på USB. Det har gjort verden både lettere og sværere: Det korte af det lange er under alle omstændigheder, at hvis man vil bruge USB til at kommunikere med noget mærkelig hardware, skal man have lavet et interface til formålet.

Med en Arduino har man adgang til alle de low level funktioner, der findes i enhver computer, men normalt er låst af andre opgaver: Det er de ikke på Arduinoen, så her har man adgang til en masse funktionalitet, man bare ikke kan få på en "rigtig" computer. En normal PC er også bygget over en CPU, der slet ikke kan fungere uden en masse elektronik udenom: De kan f.eks. sjældent fungere uden RAM - det kan en Arduino. Den ATmega processor, der sidder i en Arduino, kaldes faktisk slet ikke for en CPU - der er i stedet tale om en single chip computer, fordi ATmega processoren indeholder alt, der skal til for at den kan køre. Der er ikke brug for yderligere elektronik.

Skulle man få lyst til at skrive et program til en PC, der kan styre f.eks. en masse lysdioder, vil man være nødt til at finde et eller andet interface, der kan tænde og slukke dioderne - men styres fra PCen: Det kan være et indstikskort, men i dag vil det ofte være en lille boks, der forbindes via USB. Den nødvendige elektronik kan man lave selv - det koster en del penge - men man kan også bruge noget færdigt. F.eks. en Arduino - den vil være genial til formålet og langt billigere end de fleste andre løsninger.

Men her vil man så have brug for såvel en PC som en Arduino - og hvorfor dog det? PCen koster en masse penge, den fylder, bruger en masse strøm - og hvad skal man med den, når nu Arduinoen kan selv?

Når nu det er sagt, kan der også være situationer, hvor man har brug for PCen - og her kan en Arduino (eller mange) være en smart måde at få mærkelig hardware til at kommunikere med PCen. Man kunne forestille sig en sportavle til en modelbane: Lav en flot tavle med knapper og lysdioder, lad en Arduino styre det hele, og brug så Arduinoens USB forbindelse til at lade sportavlen kommunikere med en PC, der måske kører Rocrail. Man kan så skrive et modul til Rocrail, der kan udnytte sportavlen og kommunikere frem og tilbage. Rocrail kan tænde statusdioder i sportavlen, og når man trykker på en knap til f.eks. en sporvej, kan trykket sendes videre til Rocrail, der kan konstruere sporvejen. Arduino vil være fin som det mellemled, der dels kan snakke USB med PCen, og dels kan aflæse trykknapperne og tænde og slukke lysdioderne.

En single chip computer

En Arduino er som sagt bygget over en Atmel ATmega processor, der er en single chip computer - eller en microcontroller, som den også tit kaldes. I modsætning til en CPU, der bruges i større computere, har en microcontroller alt det nødvendige isenkram proppet ind på en enkelt chip. I princippet skal man blot sætte strøm til, så tænder den og går i gang med at arbejde. Atmels AVR arkitektur var tæt på at være den første microcontroller i verden, men den bliver fortsat videreudviklet og er så levende som nogensinde. Faktisk har Arduino gjort den så populær, at Atmel har nytænkt deres virksomhedsstrategi - så hvor man tidligere skulle betale en mindre formue for deres udviklingsværktøjer, kan man i dag downloade Atmel Studio helt gratis. Et spændende legetøj i sig selv - men ikke noget, man skal bruge i forbindelse med Arduino.

Det helt store nyskabelse i forbindelse med AVR var, at den havde indbygget hukommelse: Indtil da havde man som minimum skullet have to chips, når man skulle lave en computer - en CPU og noget hukommelse. Med microcontrolleren kom hukommelsen ind på samme chip som CPUen, så nu behøvede man kun en chip.

Men hukommelse? Det er det, der hedder RAM? Nej, ikke nødvendigvis - og var der kun tale om RAM, ville microcontrolleren ikke kunne bruges til noget. RAM har mange fordele, men også en meget stor ulempe: Hele hukommelsen slettes, når man slukker for strømmen. Den kan derfor ikke bruges til at gemme de programmer, der skal køres, når man tænder for computeren.

I gamle dage havde man en anden type hukommelse - og da historien er lidt morsom, vil jeg fortælle den her: Man brugte en hukommelse kaldet ROM, der er en forkortelse for Read Only Memory. En ROM skulle fremstilles på en chipfabrik, og kunne derfor kun laves i meget store styktal.

Til mindre produktioner opfandt man derfor en PROM: Programmable Read Only Memory. En PROM indeholdt en masse meget tynde ledninger, og ved at sætte en stor spænding på, kunne man brænde dem i stykker: De overlevende ledninger blev til 0er, mens de overbrændte blev til 1er. På den måde kunne man lagre et program også når computeren blev slukket. Men når først forbindelsen var brændt over, kunne den ikke reetableres, så man kunne ikke omprogrammere en PROM.

Det næste skridt blev derfor en EPROM: Eraseable Programmable Read Only Memory. En del af jer kan sikkert huske dem - de blev ofte brugt til BIOSen i de tidligste PCer: En chip med en lille glasrude i toppen, så man kunne slette EPROMen med en kraftig ultraviolet belysning og på den måde genbruge chippen. Der kom også microcontrollere med indbygget EPROM.

Sidste skud på stammen blev en E²PROM - også kendt under det lidt mere kedelige navn EEPROM: Electrically Eraseable Programmable Read Only Memory. En E²PROM kan slettes med strøm i stedet for UV lys, så man kan lave et program, der kan hjælpe en gennem processen. Igen er der sikkert mange af jer, der har prøvet det, hvis I har opgraderet en BIOS i en PC. I gamle dage var det nødvendigt at lukke computeren op for fysisk at skifte EPROMen ud - med en E²PROM kan man klare det via tastaturet i stedet.

Arduinoen har tre typer indbygget hukommelse: To slags E²PROM - dels den ægte vare, og dels en lignende, der kaldes Flash - og endeligt en lille smule SRAM, der minder meget om den DRAM, der sidder i de fleste normale computere.

Når man ser på en Arduino, er der alligevel mere elektronik end blot selve microcontrolleren. Det er et minimum, men der er to ting, man som regel ikke kan undvære:

• Man skal have en ordentlig strømforsyning, så der er normalt lidt elektronik til at tæmme strømmen.
• Microcontrolleren har indbygget "ur", men det går som regel ret upræcist; for at få det til at gå præcist, sætter man normalt en ekstern krystal på.

En bootloader

Når man tænder for en computer, taler man som regel om, at den begynder at boote. Et dejligt udtryk, der efterhånden er så indarbejdet i daglig sprogbrug, at de fleste har glemt, hvor det kommer fra. Tidligere var det lidt nemmere, for da talte man om at boot-strappe computeren: Det engelske udtryk bootstrap betyder vel i virkeligheden de stropper, der sidder bag på f.eks. ridestøvler, men på dansk plejer man i denne sammenhæng at oversætte det til støvlehaser. Over tid har man så droppet strop-delen af udtrykket, så man kun har det mundrette boote tilbage. Det betyder altså i virkeligheden "at støvle" sin computer.

Udtrykket siges at stamme fra en af baron von Münchhausens vidunderlige løgnehistorier: Her fortæller han om engang, han sank så dybt ned i en sump, at han kun med nød og næppe reddede livet ved at trække sig selv op ved støvlehaserne.

Computeren gør lidt det samme: Den kan intet foretage sig uden et program - men når man tænder for den, har den ikke noget program, så der skal ske et eller andet drastisk, før den kan komme i gang. Ganske som hos Münchhausen gør den det umulige - den trækker sig selv op ved støvlehaserne, eller mere præcist kører den et program uden at have et. Det er den proces, man kalder "at boote".

Uanset om man har meget eller lidt hukommelse i sin computer, er man nødt til at holde styr på den: Det gør man ved at enhver plads i hukommelsen har en adresse. Adressen er blot et tal, og man starter næsten altid fra 0. Langt de fleste computere booter ved, at de indlæser et program, der starter på adressen 0. Det er så udviklerens opgave at sørge for, at der rent faktisk ligger noget gyldig kode på denne adresse. På en PC - og en Raspberry Pi - er det BIOSen (Basic Input Output System), der ligger på denne adresse. Den laver en masse ting, der gør computeren klar til brug, og vil så normalt forsøge at indlæse et operativsystem fra en disk. Først når operativsystemet er indlæst, kan man starte det, de fleste kaldet "et program".

Sådan er det ikke med Arduino: Den er meget, meget mere primitiv, så her har man kun en lille bootloader, der er en del af Arduino systemet. Bootloaderen kører lidt kode, der bl.a. gør, at man kan overføre et "rigtigt" program fra sin PC til Arduinoen, og denne kode holder hele tiden øje med, om man forsøger at uploade et nyt program fra PCen. Det er også bootloaderen, der lynhurtigt genstarter ens program, når man trykker på "reset" knappen. På mange måder er bootloaderen det, der gør Arduinoen til en Arduino. Hos de avancerede Arduino forhandlere kan man købe ATmega microcontrollere, der er forprogrammeret med en Arduino bootloader - men man kan også selv lægge den på, hvis man har en Flash programmeringsenhed (et stykke hardware).

En Arduino har altså ikke nogen disk og ikke noget operativsystem: Den kan kun køre eet program, og det program starter fuldautomatisk, når man tænder for den. Vil man have den til at lave noget andet, skal man skrive et nyt program på sin PC, og overføre det til Arduinoen.

Avancerede brugere kan finde på at fjerne bootloaderen fra Arduinoen: Det kan man godt, men så kan man ikke længere bruge Arduinos udviklingsmiljø, og skal i stedet bruge mere avancerede værktøjer. Man har så selv ansvaret for at sørge for, at der ligger noget korrekt kode på adresse 0 i hukommelsen - til gengæld sparer man den plads, bootloaderen ellers bruger, og man kan forhindre opfindsomme brugere i at rette i programmet.

En hardware platform

En af genistregerne ved Arduinoen er dens layout: Der findes mange varianter af Arduino, men de mest almindelige har alle en stribe stiftbøsninger i hver side. De kan bruges til at stoppe almindelig stiv monteringsledning ned i, når man leger, men da de fra model til model har den samme funktionalitet og de samme fysiske mål, har det også skabt plads for en hel industri, der fremstiller det, man kalder shields. Et shield er en printplade med et eller andet, der kan stoppes ned i bøsningerne på Arduinoen. Sådan et shield kan være et "primitivt" Proto Shield, der er et stykke universalprint i standardmål, så man kan lodde sine egne komponenter på; eller det kan være en komplet GSM løsning, så man kan styre sin Arduino fra en mobiltelefon.

Faktisk har dette layout vist sig at være så stor en succes, at det har skabt en hel underskov af Arduino kloner: Det er typisk hardware, der kan noget andet - men har samme fysiske mål som en Arduino, så den også kan bruge alle de shields, der allerede findes til Arduino. Netduino har været nævnt tidligere - pcDuino kunne være et andet eksempel. Den sidste er meget morsom, for her er vi igen tilbage i en fuldblods PC, der blot trækker på Arduinoens mange shields - en værdig konkurrent til en Raspberry Pi.

Men selv om hardware platformen er vigtig for Arduino, er det dog ikke det, der gør den til en Arduino - det er og bliver bootloaderen. Jeg bruger f.eks. mange Arduino Pro Mini, men de kan på ingen måde bruge standard Arduino shields. Alligevel regnes de for "ægte" Arduinoer - så længe de har bootloaderen.

Fri adgang

Det virkeligt spændende ved Arduinoen er dens primitivitet: Den består først og fremmest af en microcontroller, som man har fri adgang til - der bliver ikke pillet ved de enkelte ben på chippen. Vil man vide noget om controlleren, kan man læse databladet - det er den hardcore information, en professionel udvikler benytter - og som Arduino bruger er man henvist til det samme, for der er ikke pakket noget ind omkring chippen. Det giver også en masse muligheder.

I et af de projekter, jeg roder med lige nu, er jeg ved at lave en DC strømforsyning, så jeg kan teste nyindkøbt rullende materiel, før jeg propper en dekoder i. Målet er en løsning, der får strøm fra en standard PC strømforsyning (den har masser af 12V DC og er meget billig), og som har følgende brugerflade:

• Et potentiometer til at regulere hastigheden.
• To trykknapper til at skifte polaritet og dermed retning.
• To lysdioder, der viser om toget kører den ene eller den anden vej.

Arduinoen er som skabt til dette - men spørg lige dig selv, hvor du ville tilslutte et potentiometer på en almindelig PC, hvis du valgte at bruge en sådan i stedet? Hvis man skiller PCen ad og begynde at skrabe printbaner over på motherboardet, kan det sikkert nok lade sig gøre - men pointen er, at man slet ikke har den slags low level adgang på en "rigtig" computer. Det har man på Arduinoen - og i modeltog har vi masser at bruge den slags til: Lysdioder, trykknapper, servomotorer - for nu at nævne nogle få - og her er Arduinoen langt mere velegnet end en PC, for den er skabt til den slags low level kommunikation.

En Raspberry Pi er i denne sammenhæng blot en PC som alle de andre - det er en højniveau computer, der blot har den fordel, at den er lille og billig.

Jamen, kan man så ikke blot købe en ATmega og lave resten selv? Jo, det kan man sagtens - men Arduino masseproduceres i meget store mængder, så det vil blive langt dyrere at lave det hele selv fra bunden. Med Arduinoen får man adgang til en stor og spændende verden til en utroligt lav pris.

Og min DC regulering? I skal nok få såvel diagram som software, når den bliver færdig.