Manuel de laboratoire pour contrôleurs embarqués

Une raison pour laquelle le système Arduino a été choisi pour ce cours est son faible coût. Le logiciel est gratuit et les cartes de développement sont disponibles pour moins de 30 €. Si vous avez déjà installé le logiciel Arduino sur votre ordinateur ou si vous n'avez pas l'intention de le faire, passez au chapitre suivant sur l'« EDI ».

Pour l'installation, allez d'abord tout simplement sur le site http://arduino.cc/en/Main/Software et téléchargez la dernière version du logiciel compatible avec votre système d'exploitation. Il est disponible pour Windows, Mac et Linux. Pour Windows, le logiciel est compressé dans un fichier zip. Il doit être décompressé avec un programme tel que WinZip. Une fois décompressé, exécutez simplement le fichier d'installation. Cela installera tous les fichiers nécessaires en un rien de temps. Il n'y a qu'un seul problème qui survient au moment de l'installation des pilotes (ou drivers) de la carte. Une fois que le logiciel est installé, branchez votre carte Arduino avec un câble USB-A vers USB-B. À un moment donné, Windows vous informera qu'il a trouvé un nouveau composant et qu'il recherche son driver. Si vous sélectionnez « détails », Windows affichera quelque chose comme ceci (Windows 7) :

Le problème est que Windows n'est pas capable de trouver le pilote et vous informe de la manière suivante :

Ne vous inquiétez pas, vous pouvez installer les pilotes manuellement. Le processus varie un peu entre Windows XP, Vista et Windows 7, mais il va généralement comme suit. D'abord, ouvrez le gestionnaire de périphériques (via Panneau de configuration >> Système et sécurité >> Système). Descendez jusqu'à l'élément « Ports ». Vous devriez voir une entrée de type « Arduino R3 (COM 1) » (vous pouvez également trouver « Matériel inconnu » au lieu de « Ports »). Sélectionnez-la et allez vers l'onglet « Pilotes ». Cliquez sur « Mise à jour / Installation du pilote ». Parcourez la liste jusqu'à trouver votre pilote. Il devrait se trouver dans le dossier « drivers » du dossier d'installation du logiciel Arduino. Pour la carte UNO, il devrait se nommer « Arduino Uno R3.inf ». Sélectionnez-le et laissez Windows l'installer. Si vous avez des difficultés, un guide décrit l'installation étape par étape : https://www.arduino.cc/en/Guide/Windows#

Une fois la carte installée, il est temps d'ouvrir l'EDI Arduino. Il est assez simple comparé aux autres systèmes de développement en C.

Vous verrez un simple éditeur de texte avec les habituelles fonctions de copier-couper-coller. La zone noire en dessous de l'éditeur est dédiée aux messages du compilateur ou téléverseur. Autrement dit, c'est là où les erreurs du compilateur apparaissent avec les messages d'états. Le contenu des menus « Fichier » et « Édition » est tout ce qu'il y a de classique. Le menu « Outils » est particulièrement important.

Les deux plus importants items sont « Type de carte » (à partir duquel vous sélectionnez votre carte) et « Port » (à partir duquel vous sélectionnez le port COM où votre carte est connectée). Ne pas configurer cela correctement conduira à une programmation infructueuse de votre carte. Notez que la carte et le port COM sélectionnés sont affichés en bas à droite de la fenêtre de l'EDI.

Il y a une simple barre d'outils sous le menu. Le premier item (symbole check) est appelé « Vérifier » et sert à compiler votre code. Le second item (flèche à droite) téléverse le code vers la carte cible. Les autres boutons servent à ouvrir et enregistrer les fichiers.

D'ordinaire, tout le code sera contenu dans un seul fichier. Quand vous créez un nouveau projet, ou « sketch » dans Arduino, un nouveau dossier sera créé pour lui. Contrairement aux fichiers sources en C, les sketches Arduino utilisent l'extension « .ino » en lieu et place de « .c ». De plus, le point d'entrée habituel main() n'est pas utilisé. En substance, le système Arduino a écrit le main() à votre place pour ressembler à quelque chose comme ça :

void main()
{
  init();
  setup();
  while(1)
    loop(); 
}

La première fonction appelée est là où l'initialisation des différents systèmes se produit comme l'allocation, le préréglage des horloges, le système de conversion analogique-numérique (ADC), etc. Tout ceci est déjà écrit pour vous. Les deux autres appels, setup() et loop(), sont pour vous. setup() est votre fonction d'initialisation (c.-à-d. les choses que vous devez faire juste une fois au démarrage) et loop() est la partie qui sera répétée indéfiniment. Vous allez donc commencer à coder avec quelque chose qui ressemble au code suivant :

void setup() {

}

void loop() {

}

Une des difficultés avec la programmation embarquée est que vous n'avez pas de console pour les entrées et les sorties via scanf() et printf(). Normalement, un programme embarqué n'a pas besoin de ça mais cela reste très utile quand il s'agit de déboguer un programme. Sans printf(), comment insérer des points d'arrêt dans le programme pour tester la progression, les valeurs, etc. ? Une des astuces est de simplement allumer une LED à un endroit spécifique dans le programme.

La carte Arduino possède une petite LED montée en surface de la carte et connectée à l'un de ses ports dans ce but. Bien que pratique, ceci est limité, ainsi une seconde et plus puissante méthode implique une communication bidirectionnelle avec l'ordinateur hôte. Avec l'Arduino, ceci peut se faire avec la bibliothèque Serial. L'EDI inclut un « Moniteur Série » dans le menu « Outils ». Le sélectionner ouvrira une fenêtre. Vous pouvez l'utiliser pour envoyer des données vers la carte ou recevoir des données provenant de la carte.

Regardons un exemple de communication via le Moniteur Série. Premièrement, considérez l'écriture de données de la carte vers l'hôte. Voici un programme « Hello World » :

void setup() 
{
  Serial.begin(9600);
}
void loop() 
{
  Serial.print("Hello World\n");
  delay(1000);
}

Dans la fonction setup(), nous ouvrons le port série et nous fixons la vitesse de communication à 9600 bauds (vitesse plus ou moins standardisée pour l'Arduino) en utilisant la fonction Serial.begin(). Il y a la fonction complémentaire Serial.end() si vous décidez d'utiliser les connecteurs dédiés pour la communication série pour d'autres objectifs. Notez que tous les appels vers des fonctions de cette bibliothèque débutent par le nom de la bibliothèque. La fonction loop() écrit votre message en utilisant Serial.print() et attend environ 1 seconde en utilisant la fonction delay(), l'argument de celle-ci étant en millisecondes.

Une fois la fonction loop() exécutée, le programme retourne dans la fonction principale main(), qui rappelle aussitôt la fonction loop(), et ce indéfiniment. Votre message est affiché une seconde fois, puis une troisième fois et ainsi de suite.

Tapez le morceau de code précédent, compilez et téléversez-le dans la carte. Une fois fait, ouvrez le Moniteur Série et observez la sortie. Toutes les secondes, vous devez voir le message « Hello World » s'afficher encore et encore.

C'est tout ce que le programme du microcontrôleur fait. Pas très utile en soi, mais la possibilité d'afficher un message sur l'hôte est très utile une fois que nous le maîtrisons.

Habituez-vous à utiliser la documentation en ligne. Deux bons points de départ sont la page « Reference » à l'adresse http://arduino.cc/en/Reference/HomePage et la page « Tutorial » (tutoriel) à la page http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage.

La référence inclut des informations sur tous les opérateurs et fonctions disponibles dans le système Arduino. Les tutoriels donnent des informations sur des concepts de programmation et des idées. Par exemple, voici la copie (traduite) de l'aide en ligne sur la fonction Serial.print().

Ce qui est bien avec cette fonction est le paramètre optionnel qui vous permet de spécifier le format de l'information. La possibilité d'afficher des valeurs en hexadécimal ou en binaire est particulièrement pratique, par exemple pour examiner les valeurs des bits. Modifiez votre programme tel qu'il est présenté ci-dessous, compilez et téléversez.

void setup() 
{
  int i = 27;  // essayer différentes valeur

  Serial.begin(9600);

  // println est équivalent à print avec un saut de ligne
  Serial.println(i, DEC);
  Serial.println(i, BIN);
  Serial.println(i, HEX);
}

void loop() 
{  
  // rien à faire ici
}

Moins commun mais qui reste utile de temps en temps pour le débogage est la possibilité de passer des valeurs au programme. La fenêtre du Moniteur Série possède un champ de saisie en haut associé avec un bouton « Envoyer ». Les fonctions de la classe Serial les plus intéressantes sont Serial.available(), Serial.parseFloat() et Serial.parseInt() :

Serial.parseInt() est similaire à Serial.parseFloat() mais retourne une valeur entière au lieu d'une valeur à virgule flottante. Ces deux fonctions analysent la chaîne d'entrée et commencent par supprimer les caractères non numériques. Dès qu'un numéral est trouvé, elles continuent de regarder les caractères dans la chaîne jusqu'à trouver un non numéral. Ensuite, les codes ASCII numéraux sont traduits en valeur entière (ou en flottant selon le cas). Notez qu'il est possible d'envoyer plusieurs valeurs en même temps.

Voici un exemple sur la façon dont elles pourraient être utilisées pour créer un convertisseur décimal vers hexadécimal. Entrez ce bout de code, compilez et téléversez.

int i1, i2; // variables globales pour mémoriser les données

void setup() 
{
  Serial.begin(9600); 
}
void loop() 
{
  
  // Nouvelles données disponibles ?
  if (Serial.available() > 0) 
  {
    i1 = Serial.parseInt(); 
    i2 = Serial.parseInt();
  // 
  // Réaffiche ce que vous avez tapé mais en hexa

    Serial.println("En hexa, cela donne : ");
    Serial.println(i1, HEX);
    Serial.println(i2, HEX);
  }
}

Une fois le programme téléversé, ouvrez le Moniteur Série et entrez « 10␣27 » dans le champ de texte en haut et cliquez ensuite sur le bouton « Envoyer » à côté (vous pouvez aussi appuyer sur la touche « Entrée » de votre clavier). Le résultat devrait être :

En hexa, cela donne : 
A
1B

Vous pouvez aussi bien essayer avec d'autres valeurs. Si vous entrez seulement une valeur, i2 sera considéré comme un 0. Si vous entrez plusieurs valeurs, de multiples retours vont se succéder. Essayer les deux possibilités avant de continuer.

Si vous entrez un nombre négatif, quelque chose d'intéressant va se produire. Essayez en tapant « -1␣-2 ». Que voyez-vous et pourquoi ?

Maintenant que vous avez des connaissances basiques sur l'EDI et que vous savez comment créer un simple texte pour débogage, nous pouvons passer à l'examen de la lecture et de l'écriture sur des circuits externes.