Portail francophone de l'arduino : Robotique, Bidouillage et hacking matériel

Massimo BANZI fondateur d’Arduino fait le déplacement sur Toulouse ce week-end pour le Toulouse HackerSpace Factory 2011.  Pour faire court, une rencontre qui brasse des gens venant d’horizons culturels et techniques très divers, autour de l’utilisation créative des technologies, leur appropriation et la compréhension des enjeux qu’elles suscitent.

L’annonce officielle sur le blog Arduino : http://arduino.cc/blog/2011/05/25/massimos-talk-tetalab-toulouse-next-week-end/

Merci à Frédéric JOURDAN pour l’information.

Bonjour à tous. Voici un numéro de téléphone où vous pouvez nous laisser des messages, suggestions, etc. Vous pouvez même nous envoyer des Fax. N’hésitez pas à nous faire parvenir vos notes, propositions d’articles et suggestion par ce média, même si le mail reste le meilleur support.

Les meilleurs messages téléphoniques (les plus rigolos, les plus sérieux, les plus étranges) seront mis en ligne et un vote permettra de départager le gagnant. Le gagnant recevra une clé USB et quelques flyers « bricoelec.com ». C’est plutôt symbolique, mais nous faisons avec nos moyens ! Par avance, merci, et à bientôt.

Tel/fax: 09 72 25 96 76

Et toujours pour nous contacter: contact@bricoelec.com

Robot Operating System, ou Robot OS, ou encore ROS, est un système d’exploitation sous licence open source permettant de contrôler un robot. Il est développé par la société américaine Willow Garage, à l’origine pour son robot PR2. Le PR2 est doté de deux bras qui possèdent chacun sept degrés de liberté, se déplace sur des roues, et a une taille proche de celle d’un humain. Il embarque une caméra et un détecteur de distance laser. Bien que les applications développées pour le PR2 par Willow Garage soient sous licence open source, le robot en lui-même est protégé par des brevets. Il est capable d’ouvrir les portes grâce à leur poignée, et sait repérer une prise électrique pour se recharger.  Willow Garage a développé plusieurs applications pour le PR2, en utilisant ROS : une application pour jouer au billard, une application pour aller chercher une bouteille de bière dans un réfrigérateur, une application pour plier des serviettes…

Il peut s’interfacer avec le langage de programmation Urbi. Plusieurs robots sont compatibles avec ROS : Qbo, Robotino, Nao … (voir liste compète).

ROS utilise la bibliothèque de traitement d’image OpenCV (Open Computer Vision) pour la vision du robot. Rappelons qu’OpenCV est une bibliothèque graphique libre, initialement développée par Intel, spécialisée dans le traitement d’images en temps réel. C’est d’ailleurs La société à l’origine de ROS qui en assure le support depuis 2010.

La vidéo suivante met en démonstration un package qui permet entre autre de visualiser son robot dans un environnement 3D, “rviz”. Il est donc facile par la suite de développer un petit programme permettant de récupérer les valeurs de la position d’un robot envoyées par bluetooth et d’afficher ces données dans un repère en 3D.

ROS est un outil que nous utiliserons sur ce site en interfaçant un ordinateur portable sous linux (ou un microcontrôleur tournant sous Linux selon les cas) avec une carte Arduino. Nous essaierons de tester les principales fonctions de ROS et la simplicité d’interfaçage avec l’Arduino. ROS fonctionne plutôt sur Linux et semble incomplet sous Windows, dans la mesure ou il comporte de nombreux outils fonctionnant sous UNIX. Il veut centraliser des frameworks existants en un logiciel unique. Ce n’est pas en lui-même un outil en temps réel, mais on peut lui adjoindre un module pour ce faire. Les langages de programmation utilisés sont C++ et Python, d’autres étant en développement. Nous étudierons de plus près les fonctionnalités de ROS dans un prochain article.

Sources externes :

• Site officiel de ROS: www.ros.org – Site officiel de Willow Garage : www.willowgarage.com
• Article « PR2, le robot que le monde entier éduque » sur le Monde

Un projet de vélo electrique basé sur arduino à suivre de près par Olivier Evalet. On en est encore à la phase conception, mais le projet a l’air sérieux.

Je vous propose une évolution :relier votre mobile Android à votre guidon grâce à des barres vibrantes pilotées par une carte Arduino, et ainsi indiquer la direction à prendre grâce à des vibrations. C’est le projet Punkt.Fizn.

On peut aussi améliorer la sécurité en utilisant un accéléromètre qui détecte tout ralentissement et l’interprète comme un freinage. Une autre version ici.

Pour ceux qui préfèrent le virtuel, je vous propose une petite promenade à vélo dans … google street view (le vélo sert également à cartographier). Cela peut-être adapté à n’importe quel déplacement dans un mode virtuel, comme second life. Bon, c’est peut-être mieux en pleine nature, alors voici la même chose en version google earth. Là aussi, des améliorations sont possibles, comme le fait de gérer les montées et les descentes… Le vélo d’appartement ne sera plus jamais le même !

Avec la crise pétrolière, le vélo est probablement le véhicule du futur ! Alors, il est peut-être temps de l’améliorer sensiblement  ! En attendant, voici le vélo solaire. Et une petite intro par babozor. Pour ceux qui trouvent les vélos trop encombrants, ils devraient changer d’avis avec ceci.

J’ai envie de vous parler de ce nouveau bijou que je viens d’acquérir. Je cherchais un bridge numérique simple d’utilisation, mais avec un bonne optique et la capacité de filmer en HD. Je connaissais déjà les Lumix pour la qualité de leurs optiques LEICA, et j’avais flashé dernièrement sur le modèle TZ10. Je suis passé chez Alain Noel, le meilleur photographe d’Albi pour lui commander ce petit joujou et il m’a confié que son fournisseur venait d’annoncer la sortie du TZ20. J’hésitais préalablement avec Sony Cyber-shot DSC-HX5V, mais quand j’ai vu les caractéristiques de ce nouveau modèle, mon cœur a fait un bond.

Voici les caractéristiques principales de cet appareil :

• Ouverture grand angle en 24mm
• La légendaire qualité des optiques LEICA à un prix raisonnable.
• Zoom optique 16X (allant jusqu’à 21X en numérique) – voir photos ci-dessous
• Film en Full HD (1920×1048) à 50 images/s avec un système anti-tremblement (OIS) qui fait que vous pouvez marcher en filmant sans avoir le mal de mer au final en regardant la vidéo. La qualité du son stéréo est aussi très impressionnante
• Capteur GPS avec une énorme base de données permettant d’indiquer sur votre photo (dans le EXIF) le lieu, voir le bâtiment que vous venez de prendre
• Grand écran LCD lumineux tactile : le coté tactile n’est pas gadget car imaginez vous cadrant sur un paysage et voulant qu’un oiseau sur une branche soit plus net que tout le reste. Il vous suffit de mettre le doigt dessus.
• 14Mpix : ce qui est largement suffisant vu les capteurs et optiques actuelles – un 16Mpix aurait probablement induit un bruit plus important.
• Photos 3D: L’appareil prend une dizaine de photos en vous demandant de déplacer de droite à gauche et vous restitue une seule photo… en 3D !

Prix public: 385€ – pour le commander sur Amazon.fr

En même temps, Sony a lancé une offensive avec un modèle équivalent, légèrement moins cher : le Sony Cyber-shot DSC-HX9V… un petit bijou lui aussi ! Sur le papier, il est incroyable également. Cependant, il fait l’impasse sur l’écran tactile et la photo 3D, lui préférant des photos panoramiques (en vous permettant de vous déplacer dans la photo à 270°). Séduisant aussi ce coté panoramique, mais après avoir vu plusieurs tests, notamment des photos et des films de nuit, je préfère la qualité de sortie du Panasonic. Reste que le mode rafale du Sony est peut-être plus performant, à tester.

Quand j’ai reçu un appel d’Alain Noel, je n’y croyais pas. L’appareil n’était pas encore disponible sur le marché qu’il l’avait déjà en stock. Ce magasin est fantastique, Alain possède toujours un exemplaire des dernières nouveautés.L’appareil est petit, donne bonne facture – il semble assez résistant, même si j’ai tout de suite mis un film plastique de protection de l’écran.

J’ai acheté une batterie supplémentaire pour être tranquille, ainsi qu’un boitier de protection submersible. Mais l’appareil est livré avec un câble pour la liaison TV (on regrettera l’absence du câble midi HDMI-HDMI) et son chargeur. Nous reviendrons sur les logiciels un peu plus loin.

Voici quelques tests réalisés durant les premières heures:

La photo ci dessus montre la qualité de l’image après utilisation du zoom 16X. On a l’impression d’utiliser un téléobjectif d’appareil Reflex. Voici ci-dessous une photo prise en mode automatique (IA) le jour avec un bel ensoleillement, mais en fin de journée tout de même :

Et voici une autre photo prise à la tombée de la nuit (il faisait vraiment noir, l’appareil a compensé en donnant un aspect bleuté, toujours en mode automatique). Le résultat est pour moi très satisfaisant, sachant que je ne connais pas encore très bien l’appareil et qu’il y a plusieurs modes, dont un manuel assez fouillé.

L’appareil a su trouvé le bon lieu à chaque fois. Lorsque j’ai pris la cathédrale Sainte-Cécile, il a tout de suite indiqué son nom sur l’écran. Bon, je suis du coin, c’est pas très utile pour moi, mais en voyage, c’est vraiment sympa. D’autant qu’il va stocker les coordonnées GPS et qu’il sera possible d’exploiter cela automatiquement avec Google Earth. Mais je n’ai pas encore testé.

Coté logiciel, l’appareil est fourni avec une licence de PhotoFun Studio 6.1 HD. Le logiciel sait bien entendu travailler sur les photos 3D. Il fait de la reconnaissance faciale automatiquement, travaille les vidéos HD (et permet de faire du montage !) et permet de classer les photos en fonction du lieu de prise de vue (si le GPS était activé). Il permet également de faire des retouches et de vous presser un CD (ou un DVD) avec le menu. Un produit très complet, de qualité professionnelle, offert gratuitement avec l’appareil, c’est un bel effort de panasonic.

En résumé, je suis très content de ce produit. J’ai voulu vous mettre un article assez rapidement sans connaitre à fond l’appareil, mais comme je pars en voyage prochainement, j’aurai de quoi tester. Vous pouvez dès à présent le commander sur  Amazon.fr à un prix inférieur au prix public (399€). Je vous déconseille fortement la centrale d’achat UBALDI avec laquelle je n’ai eu que des soucis !

Documentaire sur l’arduino: ses origines, son histoire: intéressant de voir comment nait un projet Open Source, et encore plus lorsqu’il y a du hardware. Réalisé par Rodrigo Calvo et Raúl Alaejos et produit par Laboral Centro de Arte, Arduino: The Documentary retrace en 28 minutes les origines et la philosophie du projet à travers les anecdotes de ses initiateurs (dont Massimo Banzi, David Cuartielles, David Mellis, Tom Igoe ou Gianluca Martino) et des membres de la communauté. Publié sous licence Creative Commons, il est gratuitement disponible en streaming ou en téléchargement.

Personnellement, j’ai pu approcher un ordinateur qu’en 1983 : c’était un sinclair ZX 81. J’ai trouvé cela fabuleux, je n’avais pas encore 10 ans que je savais que c’était ce que je voulais faire un jour : programmer des jeux. L’avenir sera différent, même si j’ai pu vendre entre temps quelques jeux que j’avais réalisés outre-atlantique.

Mon premier ordinateur a été un Amstrad CPC 464. Je suis très vite tombé amoureux. Mais je ne faisais que recopier quelques lignes à l’époque, j’étais loin d’être un Steve Wozniak (co-créateur d’Apple) et ses fers à souder ! A 13 ans, Woz conçoit son premier micro-ordinateur, c’était en 1963 ! C’est un des symboles du DIY (Do It Yourself) pour moi.

Je suis retombé, en fouillant dans mes vieux Science & Vie, sur un article datant de Mars 1978 intitulé « Fabriquez votre ordinateur« . C’est 15 ans après WOZ, mais n’oublions pas qu’à cette époque, l’information circulait plus lentement – le monde était lui-même beaucoup plus lent ! J’ai eu envie de le partager avec vous :

Bon, un article bien insuffisant pour construire son propre ordinateur, mais c’est intéressant de retrouver cette façon de penser de l’époque. Qui aurait pu deviner ce que les ordinateurs feraient en 2010… Aujourd’hui, fabriquer son PC est un terme galvaudé qui signifie « assembler son PC ». On se contente d’acheter des éléments et les assembler entre eux. Mais à l’époque, tout était à faire. Je me demande ce que les adolescents nés avec un ordinateur comprennent du fonctionnement de ce dernier… Et comment peut-on programmer efficacement sans en connaitre tous les rouages ? J’ai l’impression d’être un vieux con quand je dis ça… c’est un peu stupide finalement car je vois des jeunes qui travaillent en assembleur sur des microcontrôleurs… pourtant, une grande majorité semble se contenter de l’utiliser et de façon bien partielle… c’est dommage, les ordinateurs sont si fascinants que c’est presqu’un sacrilège de ne les utiliser que pour visionner des divx, remplir sa page facebook ou jouer à WoW !

On distingue plusieurs types de moteurs ayant chacun une utilisation particulière :

Le Moteur à courant continu ou « DC continious » : plus on augmente le voltage, plus vite il tourne. Mais on ne peut pas le bloquer dans une position particulière. Même principe qu’un moteur de voiture. Moteur possédant un très fort couple de démarrage, dont la vitesse est proportionnelle à la tension d’alimentation et le couple proportionnel au courant. Il est simple à mettre en œuvre, le changement de vitesse est simple aussi mais son contrôle en vitesse/position est délicat et nécessite des asservissements complexes. La plupart font du 4000 à 7000 rpm (tour/minute). L’avantage d’utiliser un simple moteur DC est qu’on peut le remplacer par un moteur thermique puisque le système est similaire.

Utilisation : pour entrainer les roues d’un robot ou les hélices d’un hélicoptère – plus pour la vitesse ou la puissance

le Moteur pas à pas ou « DC Stepping » : Le principe commun à tous les moteurs pas-à-pas est d’avoir les bobines statiques dans lesquels on fait passer alternativement un courant qui fait tourner le rotor. On distingue le moteur avec rotor à aimant qui a un couple élevé et le moteur dit « à reluctance variable » avec rotor sans aimant mais qui a une structure dentée qui lui permet d’avoir beaucoup de pas. on peut calculer facilement combien de mètres sont parcourus car en fonction du nombre de pas, du diamètre de la roue et du démultiplicateur, il devient possible de réaliser ce calcul. Moteur dont le couple diminue rapidement avec la vitesse et qui permet de travailler en statique (positionneur). Le contrôle de sa position et de sa vitesse est simple ainsi que son changement de sens de rotation. Il nécessite une carte spécifique pour l’alimentation et le pilotage.

Utilisation : pour entrainer les roues d’un robot si la distance effectuée est importante. Peut être utilisé également pour des rotations d’axe ne nécessitant pas une résistance ou une contre force, comme pour tourner une caméra sur son axe. Généralement, ce sont des moteurs relativement lents.

Les Servomoteurs : Il s’agit d’un DC Continuous avec un circuit permettant d’asservir dans une certaine position. Il possède un fort couple grâce au réducteur intégré et est extrêmement pratique pour les réalisations mécaniques. Sa course est limitée (secteur de 120° ou 180° par exemple) mais il permet un positionnement précis dans ces limites. Il est peu simple à mettre en œuvre sans carte spécifique. Notons que les servomoteurs peuvent être modifiés  pour tourner à 360°.

Utilisation : pour faire la rotation d’un bras robotique. L’avantage du servo est sa résistance à une poussée contraire. Il garde ainsi une position que ne saura pas garder le moteur pas à pas.  Nous avons réalisé un article sur le pilotage des servomoteurs avec un arduino.

Les moteur « Brushless DC » : moteur à courant continu, mais sans balai, donc s’use beaucoup moins rapidement. Ces moteurs à courant continu de technologie récente se différencient en inversant bobines et aimants par rapport aux moteurs CC originels : le rotor est un aimant permanent et le stator porte les bobines (comme dans un moteur pas-à-pas). Il n’y a donc pas besoin de balais pour transmettre le courant électrique dans les bobines, d’où leur nom de « brushless » (lit. sans brosses).

A performances égales, le moteur sans balais est d’un prix de revient inférieur à celui de la machine à courant continu du fait du remplacement du collecteur et des balais par un capteur électronique d’un coût très réduit.

Utilisation : faire tourner les hélices des avions. C’est un moteur à courant continu, mais plus résistant dans le temps. À performances égales, son rendement est toujours meilleur, ceci étant dû en partie à l’absence de pertes mécaniques et électriques liées aux balais (surtout lors de faibles charges). Mais aussi la plupart du temps à son inertie notablement réduite par rapport à une machine équivalente à courant continu, ce paramètre étant prépondérant dans de nombreuses applications, en particulier dans les phases d’accélération. Ils équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD.  Une forme simplifiée et populaire de ces technologies est utilisée dans les ventilateurs assurant le refroidissement des micro-ordinateurs. Dans ce cas, le stator (bobiné) est à l’intérieur et le rotor (comportant les aimants) à l’extérieur.

Dans le domaine des transports, les moteurs électriques qui équipent les véhicules hybrides comme la Toyota Prius et la Honda Civic IMA pour assurer, entre autres, le fonctionnement à faible vitesse sont également des moteurs sans balais. Des moteurs de type brushless sont également utilisés pour les systèmes de ventilation/ climatisation d’automobiles depuis les années 1990 ; un des principaux avantages dans ce cas est leur silence.

Ils équipent également les vélos à assistance électrique, vélos que l’on entraîne en pédalant comme sur un vélo classique mais où un moteur vient aider à l’effort. Certains scooters présents sur le marché utilisent également ce moteur pour les faibles vitesses ou en remplacement total du moteur thermique.

Le couple du moteur (Torque) : Le couple et la force que le moteur exerce sur une charge. On peut doubler un couple au détriment de sa vitesse (/2) si on utilise un système de réduction 2 :1 (exemple : 2 engrenages, 30 dents coté moteur et 15 coté charge).

Le couple exprime sa capacité à lever une masse au bout d’un bras de levier. Un couple de 3kg/cm signifie que le moteur peut lever un objet pesant 3 kilogrammes s’il est fixé au bout d’un bras de levier de 1 cm, ou bien un objet de 300 grammes au bout d’un bras de 10 cm, ou encore un objet de 30 g au bout d’un bras de 1 mètre.

Pour tester le couple d’un moteur, rien de plus simple :

• On attache un bras d’1 mètre au moteur. Le moteur est connecté à son électronique de commande (pour être dans les conditions d’utilisation) et on alimente une ou deux bobines selon le mode choisi (pas, demi-pas) à la tension nominale.
• Puis on écarte le bras de la position stable d’un angle selon des valeurs successives entre 0° et 1.8° (correspondant à la prochaine position d’équilibre). On utilise une règle pour se repérer.
• Et à chaque écartement, on mesure la force qu’exerce le moteur sur le bras. Comme on a eu la bonne idée d’utiliser un bras d’1 mètre, cette force en Newtons se convertit directement en un couple de maintien en Newton mètres.

Bien sûr on ne peut jamais atteindre les 1.8° car le rotor « saute » et atteint le pas suivant où il se retrouve en équilibre. Mais on a quand même la possibilité de constater que le couple est maximum peu après la moitié du pas et on mesure ainsi le couple efficace de notre moteur.

Conclusion

Il y a des moteurs pour toutes les bourses. On peut en récupérer de nombreux en démontant des objets au quotidien : tondeuse électrique, machine à laver, disque dur, imprimante, etc. Plus difficiles à trouver sont les servomoteurs qui sont d’un usage très courant en robotique. Dès qu’on s’attaque aux moteurs DC, il ne faut pas oublier non plus les circuits de puissance qui peuvent être très gourmands. Mais nous aurons l’occasion de revenir souvent sur le choix des moteurs lors de nos expériences.

Dans ce tutoriel, nous allons réaliser un script python qui passe des commandes à l’arduino. Le but est de créer une infrastructure qui nous permettra dans un prochain tutoriel de contrôler un bras articulé sous Blender. Matériel nécessaire :

• Une carte Arduino et son kit de développement
• un servomoteur
• un interpréteur python

Câblage du servo:

• Fil rouge  :  +5V de l’arduino
• Fil Noir ou marron : GND de l’arduino
• Jaune ou orange : pin 9 de l’arduino

Premier test: on tourne de 90° et on revient Programme sur le kit de développement de l’arduino :

#include <Servo.h>
Servo myservo; // create servo object to control a servo

void setup()
{
 myservo.attach(9); // attaches the servo on pin 9 to the servo object
}

void loop()
{
 myservo.write(0); // sets the servo position according to the scaled value
 delay(1500); // waits for the servo to get there
 myservo.write(90); // sets the servo position according to the scaled value
 delay(1500); // waits for the servo to get there
}

Second test: on contrôle l’angle par l’interface série On peut utiliser toutes les fonctions de l’Avr-libc qui sont incluses dans le kit Arduino, en plus de ses fonctions standards. Références : http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html J’ai rencontré de gros soucis en copiant des chaines les unes dans les autres, pourtant j’avais respecté la règle de programmation des pointeurs. Quand on teste sur 2 chaines qui sont les extrait d’une troisième, cela modifie les chaines… Je crois que c’est mon tableau de 255 chars qui ne fonctionnait pas bien. En modifiant sa taille, cela fonctionne de nouveau, mais j’ai utilisé entre temps la fonction memcpy. Voici le code permettant de taper une commande en mode série et d’asservir le servo en conséquence :

#include <Servo.h>
#include <String.h> 

Servo myservo; // create servo object to control a servo

#define CHAR_SERIAL_STOP ';' // CR

void setup()
{
 Serial.begin(9600);
 myservo.attach(9); // attaches the servo on pin 9 to the servo object
}

void serialReadString(char *myString)
{
 int indx = 0;
 while (!Serial.available());
 int sb = 0;
 while (sb != CHAR_SERIAL_STOP) { // "!= CR
  sb = Serial.read();
  myString[indx] = sb;
  indx++;
  if (sb!=CHAR_SERIAL_STOP) // We wait for the rest of the string
   while (!Serial.available()); // Super-important : ne pas lire tant que pas available !
 }
 myString[indx]='\0';
}

void subString(char *returnString, char *myString, int deb, int fin)
{
 memcpy(returnString,(myString+deb), fin-deb+1);
 returnString[fin-deb+1]='\0';
}

void subString(char *returnString, char *myString, int deb)
{
 strcpy(returnString,(myString+deb));
 for (int x=0; x<strlen(returnString); x++) {
  if (returnString[x] == ';') {
   returnString[x] = '\0';
   break;
  }
 }
}

void loop()
{
 char stringCommand[15];
 char myCom[15],myVal[15];

 // send data only when you receive data:
 serialReadString(stringCommand);
 subString(myCom,stringCommand,0,3);
 subString(myVal,stringCommand,4);

 //Analyse de la commande
 if (strcmp(myCom,"ROTD")==0) {
  Serial.print("Rotation sans attente demandee : ");
  Serial.println(myVal);
  int ival = atoi(myVal);
  myservo.write(ival);
 } else Serial.println("Commande inconnue");
}

Troisième test : on contrôle l’angle par python Un simple petit script pour dialoguer sur le serial :

import serial
ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 9600)
ser.write('ROTD0;WAIT1500;ROTD90;WAIT1500;ROTD0;WAIT1500;')

J’ai ajouté la commande WAIT afin de faire des tests et cette commande reste utile puisqu’on ne peut toujours pas contrôler la fin de rotation du servo. Conclusion

Rien de bien exceptionnel : nous avons juste créer une sorte de petit serveur sur l’arduino qui reconnait des commandes sur l’interface série et qui permet ainsi à un programme écrit dans tout type de langage de passer des ordres à l’arduino sans le reprogrammer. Nous allons nous servir de cette approche pour programmer un bras robotique sous Blender, ce logiciel de 3D qui va nous permettre de représenter à l »écran notre bras robotique et de le bouger grâce à un modèle 3D qu’on manipule à la souris. Chouette non ?

Dans cet article, nous vous proposons une petite introduction à la programmation d’une très célèbre famille de microcontrôleurs d’Atmel. AVR est le terme utilisé par Atmel pour désigner le cœur du processeur et la famille de microcontrôleurs les implémentant. La plateforme Arduino est d’ailleurs basée sur l’architecture des microcontrôleurs Atmel Atmega, mais nous allons découvrir cette plateforme en dehors de l’aspect Arduino, avec ses propres outils de développement.  Il n’est pas important d’avoir déjà touché à un microcontrôleur avant de s’attaquer à cet article, même si un petite connaissance de l’Arduino vous aidera probablement.

Prérequis

Vous n’avez besoin que de connaissances de base pour installer et utiliser des programmes sur votre ordinateur.  Vous devez avoir une idée de ce qu’est une platine Labdec qui est un dispositif qui permet de réaliser le prototype d’un circuit électronique et de le tester. L’avantage de ce système est d’être totalement réutilisable, car il ne nécessite pas de soudure. Ce dernier point distingue les platines Labdec des stripboards (ou veroboards), des perfboards ou des circuits imprimés qui sont, eux, utilisés pour réaliser des prototypes permanents et que l’on sera donc moins à même de démonter. On peut de plus câbler sur une platine Labdec une grande variété de composants afin de réaliser des circuits électroniques, du plus simple circuit jusqu’au microprocesseur. Il serait également avisé d’avoir ne serait-ce qu’un multimètre électronique ! Et n’hésitez par à utiliser Google pour trouver les réponses aux questions auxquelles nous n’aurions pas répondu dans ce tutoriel. Mais tout cela ne vous servira que si vous passez de la théorie à la pratique, ce qui ne sera pas l’objet de cet article.

Un microcontrôleur, ça sert à quoi ?

Nous ne pourrons pas répondre entièrement à cette question, tellement il y aurait à dire. Mais voici une explication simple, réductive, mais qui vous donne un aperçu de ses fonctions :

1. Un microcontrôleur prend quelque chose en entrée
2. Il prend une décision par rapport à un programme que vous avez entré dans sa mémoire
3. Il va produire un résultat en sortie

Mais les plateforme actuelles basées sur des microcontrôleurs (comme l’Arduino) sont de véritables petits ordinateurs prenant des tas d’entrées possibles, dialoguant entre eux par wifi, affichant des éléments sur des écrans LCD, etc. Les programmes peuvent être relativement complexes… Mais ce n’est pas le but en réalité !

Même si les microcontrôleurs sont relativement puissants et qu’on peut les travestir en ordinateur, le but est normalement d’être des interfaces autonomes qui délègue aux ordinateurs plus complexes les tâches de calculs. Une autre façon de voir les choses, c’est de considérer les microcontrôleurs comme des périphériques de vos PC. Vous souhaitez mesurer en temps réel la température et l’humidité de votre serre et déclencher un arrosage. Parfait, le microcontrôleur s’en chargera. Mais vous pouvez aussi lui confier la tâche d’envoyer périodiquement par wifi les données relevées à un ordinateur qui va analyser en logique flou le cycle des variations et commander au microcontrôleur des arrosages plus « intelligents ». J’espère que vous comprenez où je veux en venir. Analyser un signal vidéo et faire de la détection de mouvement, c’est déjà limite pour un microcontrôleur (même si certains sont très puissants – leur prix l’est également). Mais faire une analyse des visages avec reconnaissance faciale vous demanderait d’étoffer sérieusement le kit de développement de votre microcontrôleur !

Comment ça fonctionne ?

Pour ce tutoriel, nous discuterons plutôt de logique digitale. Mesurer une température, c’est mesurer un signal analogique. La logique digitale s’attaque plus à des Vrai/Faux (+5V/0V).  Quand le signal mesuré (ou émis) est de 5V, on dit qu’il est « HIGH » (signal HAUT). Et quand il est « LOW » (Bas), alors il est à 0V. Pas de variation donc entre 0 et 5V, on ne mesure qu’une information binaire (0 ou 1).

Si vous connectez un bouton sur une ligne qui émet 5V et branchée sur une entrée numérique de votre microcontrôleur, alors vous allez mesurer un LOW en temps normal et un HIGH quand vous pressez le bouton.

Jetons un œil sur le processeur lui-même

Nous allons utiliser un ATmega168  (oui, je sais, on le trouve sur l’Arduino ;o). C’est une puce vraiment puissante, et très accessible financièrement.

Le brochage (pinout) ci-dessus montre ce que chacune des 28 broches sur la puce fait : Ces dernières ont souvent plusieurs fonctions. Les broches les plus communes sont :

• VCC, GND : +5V et la masse (Ground)
• AVCC, AGND :  Il s’agit de l’alimentation du port A et du convertisseur Analogique Numérique (CAN). On peut le brancher sur une alimentation externe ou le brancher sur le VCC (en passant par un filtre  low-pass c’est mieux).
• AREF : Le convertisseur A/D des uc ATMEGA accepte des signaux compris entre 0V et AREF. Pour fixer AREF, il y a 3 possibilités : soit AREF est choisi égal à une référence interne de 1V pour les Mega48/88/168 et 2V pour le MEGA8, soit AREF est égal à la tension d’alimentation VCC, ou encore, soit AREF est fourni par un composant extérieur connecté à la pin AREF. Encore une fois, c’est un histoire de CAN.

Pour utiliser un microcontrôleur, l’important est de disposer d’une bonne source d’alimentation stabilisée. Des plateformes comme l’Arduino peuvent se brancher à presque n’importe quoi car elles ont été correctement protégées à cet effet, mais si vous utilisez directement le microcontrôleur, vous devez prendre garde à ne pas lui donner une alimentation de mauvaise qualité.

Les 8 broches commençant par « PD » correspondent aux 8 bits du port D (entrée/sortie numérique).  Vous disposez donc de 4 ports (A,B,C,D) de 8 bits pour travailler. On appellera cela des registres. Si vous avez fait un peu de programmation assembleur, cela va vous rappeler des choses. Le tout est de comprendre qu’un processeur ne se programme pas en C++ ou en Java. Il ne se programme pas non plus en Assembleur ! Il se programme en langage machine : c’est en gros une série d’octets (8 bits) qui correspondent à un programme. Tantôt un octet correspond à une instruction (exemple: MOVA), tantôt à une valeur (exemple: 56). Ainsi l’instruction MOVA pourrait être de valeur 45 et signifier (bouge la valeur dans le registre A), et la séquence serait « 45 56″. C’est édulcoré, mais c’est comme cela qu’on programme un processeur. Mais ces registres servent également à mesurer directement des valeurs ou à écrire également. Imaginez que vous avez 8 Leds et que vous voulez allumer la 3ième, la 4ième et la 8ième. Si vous les branchez sur le port A (de A0 à A7), vous pourrez envoyer la valeur 140 (10001100 en binaire). Vous comprenez pourquoi on dit que les broches ont plusieurs fonctions !

Vous trouverez plus d’informations sur ce processeur à cette adresse.

Programmation

Les microcontrôleurs de nouvelle génération ATMEGA peuvent être programmés de différentes façons :

• programmation « à l’ancienne » par un programmateur parallèle
• programmation ISP
• programmation par bootloader via la RS232
• programmation et débogage via la sonde JTAG

Ces caractéristiques sont maintenant devenues classiques chez les autres constructeurs. Par contre ATMEL fournit gratuitement son logiciel de développement avrstudio capable de :

• compiler un programmer en assembleur
• programmer avec avrprog ( in faut au préalable programmer le bootloader dans le
• microcontrôleur)
• simuler un programme
• débugger un programme par sonde JTAG avec 3 points d’arrêt hardware insérable.

Ne vous inquiétez donc pas, on ne vous demandera pas forcément de travailler en langage machine. C’est d’ailleurs tout l’intérêt de ces microcontrôleurs : ils disposent de fantastiques kit de développement, avec des compilateurs dans différents langages, des librairies qui traitent les chaines de caractères, les entrées-sorties, etc, jusqu’aux interfaces matérielles (écrans LCD, port ethernet, etc.).

L’ATmega168 est un microcontrôleur programmable et programmable à souhait ! Il a une mémoire interne de 16 Ko (c’est 4 fois moins que les vieux Amstrad CPC 464), ce qui peut paraitre faible, mais cela répond à de très nombreux besoins. Et on peut lui greffer une mémoire externe, mais cela fera l’objet d’autres articles.

Faites vos devoirs !

Vous voulez apprendre, ne vous contentez pas de lire. D’ailleurs, pas de vidéo pour ce tutoriel, il vous faudra le faire par vous même ! Il y a tant de différences entre la théorie et la pratique que si vous voulez vraiment connaitre ce microcontrôleur, vous devrez essayer. En attendant, rien ne vous empêche de lire la suite ;o)

Pour continuer, vous allez avoir besoin d’un ordinateur (comme c’est pratique, vous en avez un devant le nez – élémentaire mon cher Watson), qu’il soit sous Windows, Linux ou Mac, peu importe. Vous allez devoir installer des logiciels.

Le compilateur : L’AVR est doté d’une architecture RISC (peu d’instructions, mais souvent plus rapide ou moins cher). Mais nous utilisons une architecture plus complexe (CISC) avec nos ordinateurs. Nous allons donc utiliser un compilateur multiplateforme (cross-compiler) :

• Mac : Installez CrossPack
• Windows : Installez WinAVR ou encore l’Atmel’s free AVR Studio software
• Linux : Debian and Ubuntu, il y a le GCC-AVR package. Pour les autres, regardez l’AVR-libc toolchain page pour savoir comment compiler et installer les packages.

Autres logiciels :

• Il vous faut le programmateur : AVRdude. Selon les installations, vous l’avez probablement déjà installé. Il fonctionne en ligne de commande. Si vous utilisez un studio de développement, il sera intégré. Sinon, vous pouvez le télécharger ici.

Que faire avec tout ça ?

Vous pouvez déjà vous amuser avec le simulateur. Il y a de nombreux exemples disponibles sur internet, mais vous pouvez aussi étudier des projets complets.

Vous pouvez aussi utiliser une carte intégrant un tel composant (comme l’Arduino), ce qui vous délestera de la tâche difficile de mettre en place une alimentation et toutes les sécurités nécessaires. Mais c’est probablement durant cette mise en place que vous en apprendrez le plus.

Vous pouvez aussi installer les éléments nécessaires au hardware (alimentation, etc.) et réaliser correctement le brochage. L’équivalent du programme « Hello World » pour un microcontrôleur c’est de faire clignoter une LED. Cela nécessite un programme ! Il était pour moi important que vous soyez familiarisé avec ce microcontrôleur. En effet, quand on travaille sur l’Arduino, on masque une bonne partie du fonctionnement de la plateforme. Travailler sur le microcontrôleur, c’est revenir aux sources en quelque sorte. J’ai choisi l’ATmega168 pour qu’il vous soit familier car il est couramment utilisé sur l’Arduino.

Sources :

• un article de Hackaday par Mike Szczys
• Un TD sur l’installation des logiciels d’AVR sous Windows