Как и многие другие самоделкины, я регулярно использую микроконтроллеры AVR для всяких разных любительских поделок. А благодаря концепции «Arduino» эти поделки теперь приобретают еще и элегантный вид. Действительно, за какие-то 300-400 рублей мы получаем миниатюрную многослойную плату с маской, шелкографией и с полностью разведенной на ней периферией для микроконтроллера (причем в SMD исполнении!). Я уже не говорю о всевозможных подключаемых модулях этой же «Arduino» серии: датчиках, контролерах, дисплеях и целых наборов, так нужной нам дополнительной периферии. И опять же всё также недорогих и в прекрасном исполнении. Практически уже нет необходимости, что-то разводить и допаивать на «коленке».
Но все эти разнообразные любительские поделки, требуют естественно, предварительного программирования. Да и в последующем при разных усовершенствованиях, постоянно приходится эти поделки перепрошивать. Понятное дело, что удобнее делать это дистанционно, чем постоянно таскать их к обычному программатору. Вообще, благодаря той же платформе «Arduino», вариантов и здесь много: Bluetooth, ZigBee, радиоканал с вашим личным протоколом, IR, и даже Wi-Fi. Все они позволяют наладить беспроводной контакт с вашим микроконтроллером. Но мы же остановимся на последнем варианте. Основных причин здесь четыре:
1: современно, интернет вещей же!
2: беспроводной роутер есть в каждой квартире, регистрируй в домашней сети свои устройства и вуаля!
3: ваши поделки осуществляют революционный скачок в своём развитии; мало того, что их можно программировать на расстоянии, они теперь ещё и сами могут общаться с окружающим их миром: электронные часы самостоятельно берут точное время с часовых NTP-серверов, исполнительные устройства управляются с другого конца города или страны, регистрирующие девайсы сохраняют накопленные данные в облако и т.д. и т.п.
4: есть замечательная серия микросхем ESP8266 на которойне очень легко всё это реализовать.
Далее, в этой статье на примере механической руки на сервоприводах — будет разобрано и продемонстрировано удаленное программирование и обмен данными с ПК (или чего угодно) с устройствами на базе AVR микроконтроллеров. Сразу же хочу отметить, что все программы приведенные в дальнейшем являются чисто демонстрационными и никакой коммерческой ценности не имеют. Поэтому претензии, типа, почему программатор такой кастрированный и мало функциональный или почему нет дополнительных сервисов, которые есть везде, не принимаются. Поскольку коды открытые, любой желающий может допилить их по своему усмотрению, мне же для работы, пока хватает и таких.
Предполагается, что читатель уже знаком и с «Arduino» модулями (шилдами) и с подключением и прошивкой ESP8266. На самом деле в Сети выложено огромное количество материалов разъясняющих азы работы с этими девайсами и мне не хотелось бы здесь повторяться. Для новичков в конце статьи есть перечень полезных ссылок по этим вопросам, где можно найти кучу информации, почему это всё у вас не работает. По своему опыту бывшего инженера электронщика могу ответственно заявить, что 99 % неполадок сводится к следующему:
1. Плохие контакты. Поскольку «Arduino» шилды, подразумевают коммутацию с друг другом через провода вида «папа-мама», а не через пайку, то очень часто что-нибудь, где-нибудь, да отходит. Проверяйте. Да и вообще, как говорится, электроника это наука о контактах.
2. Проблемы с питанием. Не подавайте 5 вольт питания туда, где требуется 3.3. Иногда из ESP8266 от этого идёт дым. Хотя с другой стороны логические сигналы от пятивольтовых устройств она переваривает без проблем.
3. Проблемы с достаточной мощностью питания. ESP8266 имеет подлую натуру и иногда может потреблять чуть ли не триста миллиампер, хотя до этого могла удовлетворяться и тридцатью. Соответственно хилый стабилизатор 3.3 вольт платы «Arduino», к которому вы ничтоже сумняшеся, её подключили, тут же просаживается до микроскопических значений. А вы не можете понять, почему оно, то работает, то нет.
4. Путаница с выводами. Всегда проверяйте, какие сигналы куда идут. Приемник RXD должен соединяться с передатчиком TXD, также как и TXD с RXD, но MOSI должно соединяться с MOSI, а MISO с MISO и так далее.
5. Не рассчитывайте на внутрисхемные подтягивающие резисторы в ESP8266, всегда подтягивайте выводы к нулю или питанию, через 5-10 килоомные внешние резисторы, а не просто перемычкой. Иначе можете в лучшем случае получить невиданный доселе ток потребления, а потом обонять неприятный запах горелого пластика.
6. Косяки программного обеспечения. Поскольку ПО для индивидуальных юзеров пишется таким же энтузиастами, то периодически вылазят глюки самих прошивок и баги при обновлении версий этих же прошивок. Лечится ползанием по соответствующим форумам, иногда даже англоязычным. Некоторые товарищи даже утверждали, что и сама микросхема ESP сырая как погода в Питере, но с другой стороны существует также мнение что с 2014 (года её первого выпуска) ситуация с этим кардинально улучшилась (в отличие от погоды).
7. Загадочные глюки. Это редкое, но нервопотребляющее явление. У меня к примеру, не шилось удалённо одно «Arduino»устройство. Вернее шилось но с ошибками. Но шилось без ошибок, если на нем висел шлейф от программатора (но без самого программатора). «АГА», сказал я себе и припаял конденсатор 15 пФ, между выводом передачи данных и выводом синхронизации. Всё заработало. Но день убил.
Итак, давайте начнем с самого простого. У нас есть механическая конечность MechArm (но не такая какую собрал Говард Воловитс) сделанная в Китае и персональный компьютер с Windows. Задача — удаленная прошивка программы и управление ея с компьютера.
Для управляющего контроллера возьмем симпатичную миниатюрную платку Arduino Nano c камнем ATmega328P. Эта плата прекрасно впихивается внутрь механической руки.
Теперь определимся каким образом мы её будем программировать. Существуют три основных способа наиболее подходящих для удаленной прошивки: через интерфейс SPI, через встроенный загрузчик, через порт JTAG.
Самый простой вариант, это конечно встроенный загрузчик (бутлоадер). Это заранее прописанная во FLASH память, программа, которая по определенному протоколу получает код, (допустим по самому простому UART) и специальными командами записывает его в место расположения загружаемой программы. Так работает, например, сам загрузчик ARDUINO IDE. После сброса или старта, загрузчик ждет какое-то время данные на приём и если не дожидается начинает исполнение программы с нулевого адреса. Если данные приходят, он пишет их в программную секцию. После следующего сброса загруженная программа начинает исполняться. В деталях, возможно, я описал неточно, но суть именно такая. В итоге нам требуется всего три вывода для программирования: приемник RTD, сброс RESET и земля GND. Вообще, используется еще и передатчик TRD, для верификации записанной программы, но для простых демонстрационных приложений (не для атомной электростанции), проверку можно опустить.
Сам загрузчик пишется на языке ассемблера, есть примеры простых загрузчиков в даташитах на AVR. Можно раскопать существующий уже загрузчик, если он в открытом доступе и просто использовать его в готовом виде, если известен протокол по которому он работает. Единственный нюанс, что для этого требуется настроить AVR в специальный режим, путем прошивки специальных фьюз-битов, что делается обычным программатором, а потом им же зашить сам загрузчик в память микроконтроллера (то есть без программатора один раз все равно не обойтись).
Второй вариант, это программирование по последовательному интерфейсу SPI. Тут уж внутреннего загрузчика нет, а программируем мы, посылая специальные команды и затем данные, по вышеупомянутому интерфейсу. Здесь у нас загрузчик уже внешний, но его все равно писать надо. При передаче используются в добавление к RESET и GND уже четыре дополнительных вывода MOSI, MISO — данные, SLK синхронизация, СS — выбор кристалла. Но вообще также можно убрать MISO и СS. Данные будут только приниматься (верификации программы тогда не будет), а кристалл у нас и так всего один.
У каждого подхода есть свои плюсы и минусы (а JTAG я вообще не рассматривал, поскольку жизнь человеческая коротка). Но в итоге я склонился к SPI поскольку на ассемблере писать было лень, а открытых готовых загрузчиков я не нашел (просто хорошо не искал).
Для построения беспроводного канала я, как уже говорилось, выбрал крайне широко известную в настоящее время микросхему ESP8266 — микроконтроллер, а точнее целый SoC (System-on-Chip) китайского производителя Espressif с интерфейсом Wi-Fi. Помимо Wi-Fi он отличается возможностью исполнять программы из внешней флэш-памяти. А конкретно для своего проекта я взял ESP8266-07 с 512 Кб памяти на борту.
Вообще годится любая ESP8266, где есть лишние ноги для реализации SPI. Поэтому самая простая ESP8266-01 нам не подойдет, так как у неё разведено совсем мало ножек для портов ввода-вывода. Но с другой стороны разница в цене на них меньше ста рублей, а доступны они одинаково. Ну и большие отладочные платы с ESP, где для удобства разведена куча периферии, нам тоже не годятся, так как не влазят, туда куда мы их хотим впихнуть, в нашу механическую руку.
Глобальная суть идеи в общем была такова. С компьютера на ESP без проводов по WI-FI (в рамках вашей домашней сети) передается тело загружаемой в микроконтроллер программы. А ESP уже по проводам с использованием интерфейса SPI записывает эту программу непосредственно во FLASH память микроконтроллера. Потом естественно сбрасывает его и дает возможность загруженной программе выполняться. Кроме того в ESP должен быть независимый блок, который заведует еще и обменом данными с микроконтроллером, так как мы хотим не только программировать, ни и еще обмениваться с ним данными. В частности для проекта с MechArm, после записи программы, мы ещё передаем сигналы управления сервоприводами, дабы привесть эту руку в движение. Поэтому на самой ESP нам желательно поднять TCP сервер для передачи программы и UDP сервер для управления MechArm. Соответственно эти серверы присоединяются к домашней сети и внимательно слушают, нет ли там желающих загрузить новый код в MechaArm или помахать кому-нибудь ею.
Так-то, я нашел в Сети, прошивки уже позволяющие производить программирование AVR по воздуху, но там главная проблема в том, что для чего другого эту прошивку использовать уже нельзя. А нам хотелось бы после программирования и общаться с AVR также удаленно.
Какое ПО мы будем использовать:
Для ПК, я писал всё на JAVA, среда IntelliJ IDEA. Но в принципе, можно на чём угодно, нам там главное написать клиент, который будет отправлять программу для прошивки AVR на ESP8266.
Сами программки для AVR я пишу в ATMEL STUDIO , на языке С, редко на ассемблере. Скетчи Arduino не использую принципиально, практически любая нужная библиотека пишется за час другой, причем с полным пониманием её работы. Я пробовал скетчи, но пока у вас нет на AVR операционной системы, скетчи так и будут отбирать у друга периферию и регулярно глючить. Да сама IDE Arduino по сравнению с ATMEL STUDIO, конечно вещь весьма примитивная. Но тут вопрос, конечно, спорный, гуманитариям и школьникам веселее и проще будет, наверное, со скетчами.
Для программирования ESP8266 я использовал прошивку NodeMCU, а программы писал на языке Lua. Нет, я бы с удовольствием писал бы на Java и на С, но их же на ESP нет. Luа язык в применении к нашей задаче не сложный, освоить его пара пустяков. А собственно для загрузки программ и их отладки на ESP, я взял IDE ESPlorer. Отечественный бесплатный продукт (но можете сделать автору donation), который конечно не сравнить со средами упомянутыми выше, но как говорится дарёному коню… Но чтобы пользоваться ESPlorer и писать на LUA, нам сначала необходимо сменить в микросхеме ESP8266 базовую прошивку (поставляемую от производителя) на новую. В этом предприятии нам поможет программа NODE MCU PyFlasher. В смысле, поможет её перепрошить. А саму прошивку мы сами создадим и получим в руки на сайте создателей : NodeMCU .А более подробно об этом процессе вы можете прочесть здесь:
Всё очень доступно и понятно. К базовым библиотекам добавляем поддержку SPI и битовые операции (в LUA в нашем случае битовые операции перегружены и от них мало толку). Много в прошивку библиотек пихать не следует, так как из-за наличия всякого разнообразного софта на ESP8266 остается совсем мало памяти, какие-то жалкие 20 кБ.
Конечно, вы можете просто взять готовую прошивку, коих много уже болтается в Интернете, но не рекомендую. Хотя бы потому, что на некоторых нет поддержки битовых операции (а они нам нужны) и нет регулирования скорости передачи данных по SPI.
Соответственно, они передаются по умолчанию со скоростью 40 Мгц делённые на какой-то небольшой коэффициент и поэтому AVR их переваривать не успевает.
Кому лень создавать прошивку можете скачать мою из облака.
Теперь у нас есть прошивка и нам надо загрузить её в ESP8266 вместо базовой. Для этого нам пригодится простейший адаптер USB — UART.
Присоединяем ножки TXD к RXD, а RXD к TXD, делаем общей землю, но не используем, как казалось, удобный вывод питания 3.3 В на адаптере. В большинстве случаев ESP8266 просадит его напрочь. Поэтому запитываем ёё отдельно. Потом переводим ESP в режим программирования (GP0 на землю, если кто забыл) и запускаем NODE MCU PyFlasher.
Главное, не забудьте стереть флэш-память (yes, wipes all data), иначе в зависимости от версии прошивки после программирования в памяти может остаться ненужный мусор, который в свою очередь будет сыпать мусор в консоль при дальнейшей работе. До этого я использовал софт, где не было опции стереть предварительно память, намучался жутко, так как ничего не работало. А ларчик просто открывался, только правда на англоязычном форуме создателей NODE MCU.
Заимев же нужную прошивку мы теперь можем писать и отлаживать программы на языке LUA (там еще MicroPython, но я им не пользовался) используя при этом очень удобные API от NODE MCU. Запускаем уже упомянутый ранее ESPlorer.
Также настраиваем его для работы с ESP8266, устанавливаем параметры последовательного соединения. Всё достаточно просто и многократно изложено в Интернете.
Теперь пишем программульку на LUA, кою потом загрузим в ESP8266:
Где соответствующие функции выполняют следующие действия:
function InstrProgrammingEnable () – переводит микроконтроллер в режим программирования специальной командой отправляемой по SPI.
function ProgrammingEnable () – просто ресетим AVR на 25 мс перед началом программирования
function ProgrammingDisable () – после окончания программирования, переводим выводы SPI в ESP8266 в неактивное состояние, чтобы они не мешались нам при выполнения кода на микроконтроллере (вдруг они там используются)
function InstrFlashErase() – затираем флэш-память на микроконтроллере перед началом программирования. Зачем это нужно объяснять не нужно.
function InstrStorePAGE(H, address, data) – по этой команде во внутренний буфер микроконтроллера записывается байт программы. Но это ещё не сама флэш запись, так как флэш пишется здесь постранично по 128 байт.
function InstrWriteFLASH(page_address_low,page_address_high) – а вот это уже запись флэш и она требует времени, обратите внимание на временную задержку 5 000 мкс.
function Programming (payload) – самая большая и важная функция использующая и вышеперечисленные функции. Она берет передаваемую программу кусками по 1024 байт, делит их на байтики и формирует для них адреса, а затем отправляет в микроконтроллер во внутренний буфер и через каждый 128 байт инициализирует запись флэш. Потом берет следующий килобайт кода и повторяет операцию, естественно со смещением в адресах, чтобы писать дальше а не затирать записанное. Вначале, я пробовал пересылать программы целиком, но при превышении 6 килобайт в ESP8266 элементарно кончается доступная память и она вылетает. Один килобайт оказался самой удобной единицей, ибо аккуратно делится на части и удобно передается по TCP (нам же надо его с компьютера ещё получить). Больший размер тоже не нужен, TCP, сами знаете, в текущей версии ограничивает передаваемый пакет, в 1500 что ли байт (но у меня передавался почему-то 1440, вроде).
Как бы ничего сложного, но несколько подводных камней пришлось преодолеть.
Далее идет MAIN BLOCK. В нём мы:
Регистрируемся в беспроводной сети.
Создаем вначале TCP сервер, который слушает три команды:
1. “program” (будем программировать),
2. “data” (будем меняться данными),
3. ”stop” (всё прекращаем).
Если мы программируем, то сначала инициализируем SPI и создаем еще один TCP сервер, который хапает данные (код прошиваемой программы) покилобайтно и вызывает под них функции программирования микроконтроллера. Я понимаю, что выглядит глупо создавать второй сервер, но это необходимость, ибо местное API поддерживает создание только одного сокета, а нам необходимо разделять команды ”program” и “data” собственно с передаваемыми данными, ибо на глаз они не различаются, там байты и тут байты.
Если же мы хотим не программировать, а обмениваться данными, посылая их в нашем случае в микроконтроллер, то мы сначала отправляем по TCP строку ”data”. В ответ на это будет создан уже UDP сервер (я напомню, что мы управляем динамически механической рукой и нам задержки с формированием TCP пакетов не нужны, да и вообще отправлять один байт целым TCP кадром моветон). А UDP дейтаграммы у нас будут маленькими и формироваться будут быстро.
После инициализируется UART, и каждый принимаемый в беспроводном виде байт, отправляется уже по проводу TXD на микроконтроллер, который обязан, буде там прошита соответствующая программа, его принять. Обмен данными в другом направлении организовать также не сложно, но я пока его не реализовывал.
Ну и по команде ”stop” вышеупомянутые сервера (кроме самого первого) закрывают соединения и самый главный сервер вновь переходит в состояние ожидания команд ”program” и “data”.
Поскольку SPI интерфейс программно эмулируется в ESP8266, то порты ввода-вывода для сигналов CS, CLK, MISO,MOSI, RESET (для AVR), можете использовать любые доступные, а не те, что указаны у меня в загрузчике. Кроме того оказалось, что CS и MISO в принципе тоже можно в данном случае оборвать, будет работать и без них. Ну и один вывод задействуется на встроенный в плату ESP8266 светодиод, чтобы мигал иногда и показывал, что программа ещё живая.
Проверок на ошибки записи не делается (за исключением первого запроса к AVR, но эта информация просто выводится на консоль), EEPROM не программируется, больше 32 Кб не шьется – короче есть ещё над чем поработать. Скорость обмена по SPI примерно 115 Кбит, за несколько секунд всё прошивается, примерно, как у обычного последовательного программатора типа ISP500).
Берите код, вписывайте свои сети и пароли, компилируйте на ESplorer, обзывайте его “init” (чтобы запускался при рестарте) и отправляйте на ESP8266. Должно работать. В смысле работать беспроводным программатором, как минимум.
Мы же теперь займемся управляющей стороной – персональным компьютером.
По сути, нам нужно взять файл формата HEX, в который превращаются ваши программы, написанные в среде ATMEL STUDIO и отправить его по WI-FI на известный нам порт сокета (в данном случае 4000). Маленькая загвоздка в том, что нам нужен двоичный файл BIN для пересылки, а ATMEL STUDIO радует нас только HEXом. Выхода здесь два; или перевести его в формат BIN специальной программой конвертером, типа WinHex или сделать это самим в своей программе. Я пока не сделал, но вроде это не сложно, там надо отрезать заголовок и сделать что-то ещё.
В итоге программу-загрузчик я написал на JAVA (в основном потому, что больше ни на чем не умею), работая в просто прекрасной и бесплатной среде IntelliJ IDEA. В ней создается TCP клиент, который ищет сервер запущенный на ESP8266. Если находит, то связывается с ним и отправляет ему файл расположенный по такому-то адресу. Код ниже.
Тут конечно накручено лишнего, всякие ready, в принципе не нужны. Если уж TCP соединение установлено, то оно установлено. Единственная проблема была в том, что файл никак не хотел отправляться ровными кусками по 1024 байт, как мне очень требовалось, хотя я и явно указывал размер. Видимо там какой-то финальный буфер недоступный из JAVA, и он отправляет пакеты размером, каким ему хочется, что для приемной стороны совершенно неприёмлемо. Сначала я пробовал сделать задержку, чтобы буфер уставал ждать следующие куски и отправлял как есть. Но задержка стала работать, когда достигла 10 секунд, что мне как-то показалось многовато на один передаваемый килобайт.
Но потом я заметил, что почему-то первый кусок всегда идет ровный, какой был заказан, а уже со второго начинается непредсказуемая вакханалия. Поэтому я сделал так, чтобы клиент открывал соединение, отправлял порцию кода в 1024 байт и закрывал соединение. И так пока не отправится весь файл. Всё успешно заработало.
Единственное, для запуска необходимо поставить на компьютер среду выполнения JAVA. Но я обычно запускаю сразу из IntelliJ IDEA ибо там в консоли всегда видно, что происходит (но и здесь среда JAVA нужна). Хотя, конечно, по-умному надо сделать GUI. То есть окошко, где выпадает путь к файлу, возможность менять там же в окне номера портов и ну и прочие нужные вещи. И все это собрать в виде исполняемого файла.
А таперича, как говаривал Коровьев, вернемся граждане, собственно к механической конечности MechArm, что была упомянута в самом начале. У нас теперь есть возможность удаленно её запрограммировать, а затем ею поуправлять. Перейдём к программе управления на стороне микроконтроллера.
В данном случае нам необходимо контролировать четыре сервопривода. Вот таких.
Такой привод управляется прямоугольными импульсами, периода 20 мс (50Гц) с коэффициентом заполнения от 2 до 4 процентов. То есть 2% это полный поворот в одну сторону, 4% в другую. Задача как раз для встроенного в AVR ШИМ.
Один сервопривод используется для движения вправо-влево; второй на себя – от себя; третий вверх-вниз; четвертый – сама клешня, которая должна сжиматься и разжиматься. Всё написано на С и откомпилировано до HEX файла в ATMEL STUDIO. Немного странный вид программы связан с тем, что изначально рука управлялась с клавиатуры привязанной проводами к микроконтроллеру. Но провода вчерашний день, надо эволюционировать дальше.
Можно конечно использовать скетчи для сервоприводов от ”ARDUINO”, но мне они не понравились. Самому писать интересней. К тому же все четыре сервопривода должны работать одновременно, а не в мультиплексированном режиме, когда ШИМ переключается на каждый сервопривод поочередно. Ибо гравитацию никто не отменял и поднятая вверх конечность, моментально опустится, если на соответствующий сервопривод перестанут поступать управляющие импульсы. Я не уверен, что ”ARDUINO” скетч обеспечивает одновременный режим работы для четырех серво. А вот сами мы вполне можем написать программку отвечающую нужным требованиям. Да и вообще при отсутствии операционной системы, которая отделяет агнцев от козлищ, применение скетчей конкурирующих за периферийные устройства микроконтроллера (а мы даже и не знаем заранее какие) дело слишком багопроизводительное.
Вот сам код, который мы записываем в Arduino Nano посредством ESP8266-07.
Суть программы ясна из текста и комментариев. Мы используем счетчик Т1 для образцового периода 20 мс и счетчики Т0, Т2 для выдачи ШИМ сигналов на четыре линии порта ввода-вывода, благо каждый из этих двух счетчиков, может работать на два устройства.
В программе устанавливаются начальные положения сервоприводов, через загрузку счетных регистров OCR0A, OCR0B, OCR2A,OCR2B. Также вводятся константы ограничители, поскольку нам не всегда нужен размах в 180 градусов. Ну и дальше, по прерыванию от UART, программа ловит число отправленное ESP8266 (от 1 до 8) и переводит его в команду для соответствующего сервопривода. Приводов четыре, каждый работает в двух направлениях, поэтому целых чисел от одного до восьми вполне хватает. Как только число выбрано, содержимое вышеупомянутых регистров счетчиков либо инкрементируется либо декрементируется, соответственно изменяя скважность управляющего импульса и угол поворота выбранного сервопривода. Те приводы, которые мы не выбирали, сохраняют старое значение угла поворота, (поскольку содержимое соответствующих регистров хоть и обновлялось, но не менялось) и продолжают удерживать механическую руку в прежнем положении.
Теперь нам осталось лишь написать управляющую программу, простите за тавталогию, для управления механической рукой уже непосредственно с компьютера по WI-FI.
Код также написан на JAVA, но немного облагорожен. Появился GUI и возможность редактировать номера портов и сетевой адрес ESP8266.
Что там происходит понятно из окошка. Текст программы я здесь не привожу (он доступен на Гитхабе ), по следующей причине: примерно 95% его объема это создание окна и обработка сигналов от клавиатуры. Но суть такая же как и у предыдущей программы на JAVA. Создается клиент, только UDP, который в зависимости от нажатой клавиши шлёт число от 1 до 8, по указанному адресу на указанный порт.
Или можете сразу взять исполняемый файл отсюда. Для 64 разрядных машин с виндой. Даже установленной среды JAVA не надо. Все уже упихано в 178 Мбайт.
Итак, механическая ручка была собрана, отлажена и подарена брату на юбилей. Может поднимать пластиковые стопки с водкой, по скайпу из другого города. Хотя для механической руки Говарда Воловитса из сериала ”Теория Большого Взрыва”, ей по-прежнему далеко.
Но зато в следующих статьях (если кому будет интересно) мы сможем управлять ею с мобильного телефона, делать то же самое с четырех-колесной роботележкой и обновлять в электронных часах время с часовых серверов в Интернете. Потом поставим на тележку старый смартфон и будем гнать с него видео на нейронную сеть с распознаванием образов, а обратно управляющие сигналы на моторчики,ой что-то меня уже несёт...
И все это с помощью прекрасной ESP8266.
Буду рад, если кому статья показалась интересной.
[1] Распиновка и характеристики ESP8266
[2]Подключение ESP8266. Быстрый старт.
[3]Обновление прошивки NodeMCU через облако
[4] NODE MCU PyFlasher
[5] ESPlorer — IDE для ESP8266
[6]Программирование на С для AVR
[7]Обзор статей — «Программирование микроконтроллеров на языке Си»
[8]Описание NodeMCU API
[9]Lua Справочник
[10]Lua скрипты и модули
[11]IntelliJ IDEA
[12] Загрузите Java на свой настольный компьютер сейчас!
[13]Atmel Studio
Но все эти разнообразные любительские поделки, требуют естественно, предварительного программирования. Да и в последующем при разных усовершенствованиях, постоянно приходится эти поделки перепрошивать. Понятное дело, что удобнее делать это дистанционно, чем постоянно таскать их к обычному программатору. Вообще, благодаря той же платформе «Arduino», вариантов и здесь много: Bluetooth, ZigBee, радиоканал с вашим личным протоколом, IR, и даже Wi-Fi. Все они позволяют наладить беспроводной контакт с вашим микроконтроллером. Но мы же остановимся на последнем варианте. Основных причин здесь четыре:
1: современно, интернет вещей же!
2: беспроводной роутер есть в каждой квартире, регистрируй в домашней сети свои устройства и вуаля!
3: ваши поделки осуществляют революционный скачок в своём развитии; мало того, что их можно программировать на расстоянии, они теперь ещё и сами могут общаться с окружающим их миром: электронные часы самостоятельно берут точное время с часовых NTP-серверов, исполнительные устройства управляются с другого конца города или страны, регистрирующие девайсы сохраняют накопленные данные в облако и т.д. и т.п.
4: есть замечательная серия микросхем ESP8266 на которой
Далее, в этой статье на примере механической руки на сервоприводах — будет разобрано и продемонстрировано удаленное программирование и обмен данными с ПК (или чего угодно) с устройствами на базе AVR микроконтроллеров. Сразу же хочу отметить, что все программы приведенные в дальнейшем являются чисто демонстрационными и никакой коммерческой ценности не имеют. Поэтому претензии, типа, почему программатор такой кастрированный и мало функциональный или почему нет дополнительных сервисов, которые есть везде, не принимаются. Поскольку коды открытые, любой желающий может допилить их по своему усмотрению, мне же для работы, пока хватает и таких.
Предполагается, что читатель уже знаком и с «Arduino» модулями (шилдами) и с подключением и прошивкой ESP8266. На самом деле в Сети выложено огромное количество материалов разъясняющих азы работы с этими девайсами и мне не хотелось бы здесь повторяться. Для новичков в конце статьи есть перечень полезных ссылок по этим вопросам, где можно найти кучу информации
1. Плохие контакты. Поскольку «Arduino» шилды, подразумевают коммутацию с друг другом через провода вида «папа-мама», а не через пайку, то очень часто что-нибудь, где-нибудь, да отходит. Проверяйте. Да и вообще, как говорится, электроника это наука о контактах.
2. Проблемы с питанием. Не подавайте 5 вольт питания туда, где требуется 3.3. Иногда из ESP8266 от этого идёт дым. Хотя с другой стороны логические сигналы от пятивольтовых устройств она переваривает без проблем.
3. Проблемы с достаточной мощностью питания. ESP8266 имеет подлую натуру и иногда может потреблять чуть ли не триста миллиампер, хотя до этого могла удовлетворяться и тридцатью. Соответственно хилый стабилизатор 3.3 вольт платы «Arduino», к которому вы ничтоже сумняшеся, её подключили, тут же просаживается до микроскопических значений. А вы не можете понять, почему оно, то работает, то нет.
4. Путаница с выводами. Всегда проверяйте, какие сигналы куда идут. Приемник RXD должен соединяться с передатчиком TXD, также как и TXD с RXD, но MOSI должно соединяться с MOSI, а MISO с MISO и так далее.
5. Не рассчитывайте на внутрисхемные подтягивающие резисторы в ESP8266, всегда подтягивайте выводы к нулю или питанию, через 5-10 килоомные внешние резисторы, а не просто перемычкой. Иначе можете в лучшем случае получить невиданный доселе ток потребления, а потом обонять неприятный запах горелого пластика.
6. Косяки программного обеспечения. Поскольку ПО для индивидуальных юзеров пишется таким же энтузиастами, то периодически вылазят глюки самих прошивок и баги при обновлении версий этих же прошивок. Лечится ползанием по соответствующим форумам, иногда даже англоязычным. Некоторые товарищи даже утверждали, что и сама микросхема ESP сырая как погода в Питере, но с другой стороны существует также мнение что с 2014 (года её первого выпуска) ситуация с этим кардинально улучшилась (в отличие от погоды).
7. Загадочные глюки. Это редкое, но нервопотребляющее явление. У меня к примеру, не шилось удалённо одно «Arduino»устройство. Вернее шилось но с ошибками. Но шилось без ошибок, если на нем висел шлейф от программатора (но без самого программатора). «АГА», сказал я себе и припаял конденсатор 15 пФ, между выводом передачи данных и выводом синхронизации. Всё заработало. Но день убил.
Итак, давайте начнем с самого простого. У нас есть механическая конечность MechArm (но не такая какую собрал Говард Воловитс) сделанная в Китае и персональный компьютер с Windows. Задача — удаленная прошивка программы и управление ея с компьютера.
Для управляющего контроллера возьмем симпатичную миниатюрную платку Arduino Nano c камнем ATmega328P. Эта плата прекрасно впихивается внутрь механической руки.
Теперь определимся каким образом мы её будем программировать. Существуют три основных способа наиболее подходящих для удаленной прошивки: через интерфейс SPI, через встроенный загрузчик, через порт JTAG.
Самый простой вариант, это конечно встроенный загрузчик (бутлоадер). Это заранее прописанная во FLASH память, программа, которая по определенному протоколу получает код, (допустим по самому простому UART) и специальными командами записывает его в место расположения загружаемой программы. Так работает, например, сам загрузчик ARDUINO IDE. После сброса или старта, загрузчик ждет какое-то время данные на приём и если не дожидается начинает исполнение программы с нулевого адреса. Если данные приходят, он пишет их в программную секцию. После следующего сброса загруженная программа начинает исполняться. В деталях, возможно, я описал неточно, но суть именно такая. В итоге нам требуется всего три вывода для программирования: приемник RTD, сброс RESET и земля GND. Вообще, используется еще и передатчик TRD, для верификации записанной программы, но для простых демонстрационных приложений (не для атомной электростанции), проверку можно опустить.
Сам загрузчик пишется на языке ассемблера, есть примеры простых загрузчиков в даташитах на AVR. Можно раскопать существующий уже загрузчик, если он в открытом доступе и просто использовать его в готовом виде, если известен протокол по которому он работает. Единственный нюанс, что для этого требуется настроить AVR в специальный режим, путем прошивки специальных фьюз-битов, что делается обычным программатором, а потом им же зашить сам загрузчик в память микроконтроллера (то есть без программатора один раз все равно не обойтись).
Второй вариант, это программирование по последовательному интерфейсу SPI. Тут уж внутреннего загрузчика нет, а программируем мы, посылая специальные команды и затем данные, по вышеупомянутому интерфейсу. Здесь у нас загрузчик уже внешний, но его все равно писать надо. При передаче используются в добавление к RESET и GND уже четыре дополнительных вывода MOSI, MISO — данные, SLK синхронизация, СS — выбор кристалла. Но вообще также можно убрать MISO и СS. Данные будут только приниматься (верификации программы тогда не будет), а кристалл у нас и так всего один.
У каждого подхода есть свои плюсы и минусы (а JTAG я вообще не рассматривал, поскольку жизнь человеческая коротка). Но в итоге я склонился к SPI поскольку на ассемблере писать было лень, а открытых готовых загрузчиков я не нашел (просто хорошо не искал).
Для построения беспроводного канала я, как уже говорилось, выбрал крайне широко известную в настоящее время микросхему ESP8266 — микроконтроллер, а точнее целый SoC (System-on-Chip) китайского производителя Espressif с интерфейсом Wi-Fi. Помимо Wi-Fi он отличается возможностью исполнять программы из внешней флэш-памяти. А конкретно для своего проекта я взял ESP8266-07 с 512 Кб памяти на борту.
Вообще годится любая ESP8266, где есть лишние ноги для реализации SPI. Поэтому самая простая ESP8266-01 нам не подойдет, так как у неё разведено совсем мало ножек для портов ввода-вывода. Но с другой стороны разница в цене на них меньше ста рублей, а доступны они одинаково. Ну и большие отладочные платы с ESP, где для удобства разведена куча периферии, нам тоже не годятся, так как не влазят, туда куда мы их хотим впихнуть, в нашу механическую руку.
Глобальная суть идеи в общем была такова. С компьютера на ESP без проводов по WI-FI (в рамках вашей домашней сети) передается тело загружаемой в микроконтроллер программы. А ESP уже по проводам с использованием интерфейса SPI записывает эту программу непосредственно во FLASH память микроконтроллера. Потом естественно сбрасывает его и дает возможность загруженной программе выполняться. Кроме того в ESP должен быть независимый блок, который заведует еще и обменом данными с микроконтроллером, так как мы хотим не только программировать, ни и еще обмениваться с ним данными. В частности для проекта с MechArm, после записи программы, мы ещё передаем сигналы управления сервоприводами, дабы привесть эту руку в движение. Поэтому на самой ESP нам желательно поднять TCP сервер для передачи программы и UDP сервер для управления MechArm. Соответственно эти серверы присоединяются к домашней сети и внимательно слушают, нет ли там желающих загрузить новый код в MechaArm или помахать кому-нибудь ею.
Так-то, я нашел в Сети, прошивки уже позволяющие производить программирование AVR по воздуху, но там главная проблема в том, что для чего другого эту прошивку использовать уже нельзя. А нам хотелось бы после программирования и общаться с AVR также удаленно.
Какое ПО мы будем использовать:
Для ПК, я писал всё на JAVA, среда IntelliJ IDEA. Но в принципе, можно на чём угодно, нам там главное написать клиент, который будет отправлять программу для прошивки AVR на ESP8266.
Сами программки для AVR я пишу в ATMEL STUDIO , на языке С, редко на ассемблере. Скетчи Arduino не использую принципиально, практически любая нужная библиотека пишется за час другой, причем с полным пониманием её работы. Я пробовал скетчи, но пока у вас нет на AVR операционной системы, скетчи так и будут отбирать у друга периферию и регулярно глючить. Да сама IDE Arduino по сравнению с ATMEL STUDIO, конечно вещь весьма примитивная. Но тут вопрос, конечно, спорный, гуманитариям и школьникам веселее и проще будет, наверное, со скетчами.
Для программирования ESP8266 я использовал прошивку NodeMCU, а программы писал на языке Lua. Нет, я бы с удовольствием писал бы на Java и на С, но их же на ESP нет. Luа язык в применении к нашей задаче не сложный, освоить его пара пустяков. А собственно для загрузки программ и их отладки на ESP, я взял IDE ESPlorer. Отечественный бесплатный продукт (но можете сделать автору donation), который конечно не сравнить со средами упомянутыми выше, но как говорится дарёному коню… Но чтобы пользоваться ESPlorer и писать на LUA, нам сначала необходимо сменить в микросхеме ESP8266 базовую прошивку (поставляемую от производителя) на новую. В этом предприятии нам поможет программа NODE MCU PyFlasher. В смысле, поможет её перепрошить. А саму прошивку мы сами создадим и получим в руки на сайте создателей : NodeMCU .А более подробно об этом процессе вы можете прочесть здесь:
Всё очень доступно и понятно. К базовым библиотекам добавляем поддержку SPI и битовые операции (в LUA в нашем случае битовые операции перегружены и от них мало толку). Много в прошивку библиотек пихать не следует, так как из-за наличия всякого разнообразного софта на ESP8266 остается совсем мало памяти, какие-то жалкие 20 кБ.
Конечно, вы можете просто взять готовую прошивку, коих много уже болтается в Интернете, но не рекомендую. Хотя бы потому, что на некоторых нет поддержки битовых операции (а они нам нужны) и нет регулирования скорости передачи данных по SPI.
Соответственно, они передаются по умолчанию со скоростью 40 Мгц делённые на какой-то небольшой коэффициент и поэтому AVR их переваривать не успевает.
Кому лень создавать прошивку можете скачать мою из облака.
Теперь у нас есть прошивка и нам надо загрузить её в ESP8266 вместо базовой. Для этого нам пригодится простейший адаптер USB — UART.
Присоединяем ножки TXD к RXD, а RXD к TXD, делаем общей землю, но не используем, как казалось, удобный вывод питания 3.3 В на адаптере. В большинстве случаев ESP8266 просадит его напрочь. Поэтому запитываем ёё отдельно. Потом переводим ESP в режим программирования (GP0 на землю, если кто забыл) и запускаем NODE MCU PyFlasher.
Главное, не забудьте стереть флэш-память (yes, wipes all data), иначе в зависимости от версии прошивки после программирования в памяти может остаться ненужный мусор, который в свою очередь будет сыпать мусор в консоль при дальнейшей работе. До этого я использовал софт, где не было опции стереть предварительно память, намучался жутко, так как ничего не работало. А ларчик просто открывался, только правда на англоязычном форуме создателей NODE MCU.
Заимев же нужную прошивку мы теперь можем писать и отлаживать программы на языке LUA (там еще MicroPython, но я им не пользовался) используя при этом очень удобные API от NODE MCU. Запускаем уже упомянутый ранее ESPlorer.
Также настраиваем его для работы с ESP8266, устанавливаем параметры последовательного соединения. Всё достаточно просто и многократно изложено в Интернете.
Теперь пишем программульку на LUA, кою потом загрузим в ESP8266:
Загрузчик Lua для AVR, записываемый в ESP8266
<b>function InstrProgrammingEnable () -- instruction for MC "enable programming"</b>
p=0
while p<31 do
p=p+1
pin=8
gpio.write(pin, gpio.LOW)
spi.send(1, 0xAC,0x53)
read = spi.recv( 1, 8)
spi.send(1,0,0)
gpio.write(pin, gpio.HIGH)
if (string.byte(read)== 83)
then
print("connection established")
p=33
if(p==31)
then
print("no connection")
end
end
end
end
<b>function ProgrammingDisable ()</b>
pin=2--END OF ESET FOR MK
gpio.mode(pin, gpio.INPUT)
pin=8
gpio.mode(pin, gpio.INPUT)
pin=5--CLK MASTER for SPI
gpio.mode(pin, gpio.INPUT)
pin=6--MISO MASTER for SPI
gpio.mode(pin, gpio.INPUT)
pin=7--MOSI MASTER for SPI
gpio.mode(pin, gpio.INPUT)
end
<b>function ProgrammingEnable ()</b>
pin=2-- RESET FOR MK
gpio.mode(pin, gpio.OUTPUT)
gpio.write(pin, gpio.LOW)
pin=2--POZITIV FOR 4MSEC RESET FOR MK
gpio.mode(pin, gpio.OUTPUT)
gpio.write(pin, gpio.HIGH)
tmr.delay(4)
gpio.mode(pin, gpio.OUTPUT)
gpio.write(pin, gpio.LOW)
tmr.delay(25000)
end
<b>function InstrFlashErase() </b>
pin=8
gpio.write(pin, gpio.LOW)
spi.send(1,0xAC,0x80,0,0)
gpio.write(pin, gpio.HIGH)
tmr.delay(15000)
pin=2--RESET FOR MK
gpio.mode(pin, gpio.OUTPUT)
gpio.write(pin, gpio.HIGH)
tmr.delay(20000)
gpio.write(pin, gpio.LOW)
print( "FLASH is erased")
InstrProgrammingEnable ()
end
<b>function InstrStorePAGE(H, address, data)</b>
pin=8
gpio.write(pin, gpio.LOW)
spi.send(1,H,0,address,data)
gpio.write(pin, gpio.HIGH)
tmr.delay(500)
end
<b>function InstrWriteFLASH(page_address_low,page_address_high)</b>
pin=8
gpio.write(pin, gpio.LOW)
spi.send(1,0x4C,page_address_high,page_address_low,0)
gpio.write(pin, gpio.HIGH)
tmr.delay(5000)-- иногда не прописываются флэш при малых задержках
end
<b>function Programming (payload)</b>
pin=8--CS MASTER for SPI
gpio.mode(pin, gpio.OUTPUT, gpio.PULLUP)
pin=4--LED LIGHTS ON LOW
gpio.mode(pin, gpio.OUTPUT)
gpio.write(pin, gpio.LOW)
print(string.len(payload))
page_count = 7 -- пишем 1 килобайт
for k =0 ,page_count ,1 do--quantity of pages
for i=0 , 127, 2 do-- -1
address = i/2
data=payload:byte(i+1+128*k)
if data == nil
then
data = 0xff
end
InstrStorePAGE(0x40,address,data)
-- tmr.delay(100)-- otherwise not in time write
data =payload:byte(i+1+1+128*k)
if data == nil then
data = 0xff
end
InstrStorePAGE(0x48,address,data)
-- tmr.delay(100)
end
page_address_low=bit.band(k ,3)*64 -- 3 это двоичное 11
page_address_high=k/4+frame1024*2
tmr.delay(1000)
InstrWriteFLASH(page_address_low,page_address_high)
tmr.wdclr()
end
pin=4--LED
gpio.mode(pin, gpio.OUTPUT)
gpio.write(pin, gpio.HIGH)
end
<b>--MAIN BLOCK</b>
wifi.setmode(wifi.STATION)
--wifi.sta.config("имя сети","пароль") -- set SSID and password of your access point
station_cfg={}
tmr.delay(30000)
station_cfg.ssid="имя сети"
tmr.delay(30000)
station_cfg.pwd="пароль"
tmr.delay(30000)
wifi.sta.config(station_cfg)
tmr.delay(30000)
wifi.sta.connect()
tmr.delay(1000000)
print(wifi.sta.status())
print(wifi.sta.getip())
while ( wifi.sta.status()~=1 ) do
if( wifi.sta.status()==5)
then
break
end
end
sv=net.createServer(net.TCP,30)
tmr.delay(100)
print("SERVER READY")
sv:listen(4000,function(c)
c:on("receive", function(c, payload)
print(payload)
if (payload =="program\r\n")
then
c:send("ready\r\n")
print("ready for program\r\n")
spi.setup(1, spi.MASTER, spi.CPOL_LOW, spi.CPHA_LOW, spi.DATABITS_8,320,spi.FULLDUPLEX)
ProgrammingEnable ()
tmr.delay(100)
InstrProgrammingEnable ()
tmr.delay(100)
InstrFlashErase()
tmr.delay(100)
frame1024=0--номер переданого фрей мов
st=net.createServer(net.TCP,30)
st:listen(4001,function(c)
c:on("receive", function(c, payload)
tmr.wdclr()
Programming (payload)
frame1024=frame1024+1
end)
end)
end
if (payload =="data\r\n")
then
c:send("ready\r\n")
print("ready for data\r\n")
srv=net.createServer(net.UDP)
tmr.delay(1000)
pin=10
gpio.write(pin, gpio.HIGH)
uart.setup(0,9600,8,0,1,0)
srv:listen(5000)
srv:on("receive", function(srv, pl)
pl=pl*1
--print(pl)
uart.write(0,pl)
tmr.wdclr()
end)
end
if (payload =="stop\r\n")
then
if(st~=nil)
then
st:close()
frame1024=0
ProgrammingDisable ()
print("stop program")
end
if(srv~=nil)
then
srv:close()
print("stop data")
end
end
end)
end)
end)
Где соответствующие функции выполняют следующие действия:
function InstrProgrammingEnable () – переводит микроконтроллер в режим программирования специальной командой отправляемой по SPI.
function ProgrammingEnable () – просто ресетим AVR на 25 мс перед началом программирования
function ProgrammingDisable () – после окончания программирования, переводим выводы SPI в ESP8266 в неактивное состояние, чтобы они не мешались нам при выполнения кода на микроконтроллере (вдруг они там используются)
function InstrFlashErase() – затираем флэш-память на микроконтроллере перед началом программирования. Зачем это нужно объяснять не нужно.
function InstrStorePAGE(H, address, data) – по этой команде во внутренний буфер микроконтроллера записывается байт программы. Но это ещё не сама флэш запись, так как флэш пишется здесь постранично по 128 байт.
function InstrWriteFLASH(page_address_low,page_address_high) – а вот это уже запись флэш и она требует времени, обратите внимание на временную задержку 5 000 мкс.
function Programming (payload) – самая большая и важная функция использующая и вышеперечисленные функции. Она берет передаваемую программу кусками по 1024 байт, делит их на байтики и формирует для них адреса, а затем отправляет в микроконтроллер во внутренний буфер и через каждый 128 байт инициализирует запись флэш. Потом берет следующий килобайт кода и повторяет операцию, естественно со смещением в адресах, чтобы писать дальше а не затирать записанное. Вначале, я пробовал пересылать программы целиком, но при превышении 6 килобайт в ESP8266 элементарно кончается доступная память и она вылетает. Один килобайт оказался самой удобной единицей, ибо аккуратно делится на части и удобно передается по TCP (нам же надо его с компьютера ещё получить). Больший размер тоже не нужен, TCP, сами знаете, в текущей версии ограничивает передаваемый пакет, в 1500 что ли байт (но у меня передавался почему-то 1440, вроде).
Как бы ничего сложного, но несколько подводных камней пришлось преодолеть.
Далее идет MAIN BLOCK. В нём мы:
Регистрируемся в беспроводной сети.
Создаем вначале TCP сервер, который слушает три команды:
1. “program” (будем программировать),
2. “data” (будем меняться данными),
3. ”stop” (всё прекращаем).
Если мы программируем, то сначала инициализируем SPI и создаем еще один TCP сервер, который хапает данные (код прошиваемой программы) покилобайтно и вызывает под них функции программирования микроконтроллера. Я понимаю, что выглядит глупо создавать второй сервер, но это необходимость, ибо местное API поддерживает создание только одного сокета, а нам необходимо разделять команды ”program” и “data” собственно с передаваемыми данными, ибо на глаз они не различаются, там байты и тут байты.
Если же мы хотим не программировать, а обмениваться данными, посылая их в нашем случае в микроконтроллер, то мы сначала отправляем по TCP строку ”data”. В ответ на это будет создан уже UDP сервер (я напомню, что мы управляем динамически механической рукой и нам задержки с формированием TCP пакетов не нужны, да и вообще отправлять один байт целым TCP кадром моветон). А UDP дейтаграммы у нас будут маленькими и формироваться будут быстро.
После инициализируется UART, и каждый принимаемый в беспроводном виде байт, отправляется уже по проводу TXD на микроконтроллер, который обязан, буде там прошита соответствующая программа, его принять. Обмен данными в другом направлении организовать также не сложно, но я пока его не реализовывал.
Ну и по команде ”stop” вышеупомянутые сервера (кроме самого первого) закрывают соединения и самый главный сервер вновь переходит в состояние ожидания команд ”program” и “data”.
Поскольку SPI интерфейс программно эмулируется в ESP8266, то порты ввода-вывода для сигналов CS, CLK, MISO,MOSI, RESET (для AVR), можете использовать любые доступные, а не те, что указаны у меня в загрузчике. Кроме того оказалось, что CS и MISO в принципе тоже можно в данном случае оборвать, будет работать и без них. Ну и один вывод задействуется на встроенный в плату ESP8266 светодиод, чтобы мигал иногда и показывал, что программа ещё живая.
Проверок на ошибки записи не делается (за исключением первого запроса к AVR, но эта информация просто выводится на консоль), EEPROM не программируется, больше 32 Кб не шьется – короче есть ещё над чем поработать. Скорость обмена по SPI примерно 115 Кбит, за несколько секунд всё прошивается, примерно, как у обычного последовательного программатора типа ISP500).
Берите код, вписывайте свои сети и пароли, компилируйте на ESplorer, обзывайте его “init” (чтобы запускался при рестарте) и отправляйте на ESP8266. Должно работать. В смысле работать беспроводным программатором, как минимум.
Мы же теперь займемся управляющей стороной – персональным компьютером.
По сути, нам нужно взять файл формата HEX, в который превращаются ваши программы, написанные в среде ATMEL STUDIO и отправить его по WI-FI на известный нам порт сокета (в данном случае 4000). Маленькая загвоздка в том, что нам нужен двоичный файл BIN для пересылки, а ATMEL STUDIO радует нас только HEXом. Выхода здесь два; или перевести его в формат BIN специальной программой конвертером, типа WinHex или сделать это самим в своей программе. Я пока не сделал, но вроде это не сложно, там надо отрезать заголовок и сделать что-то ещё.
В итоге программу-загрузчик я написал на JAVA (в основном потому, что больше ни на чем не умею), работая в просто прекрасной и бесплатной среде IntelliJ IDEA. В ней создается TCP клиент, который ищет сервер запущенный на ESP8266. Если находит, то связывается с ним и отправляет ему файл расположенный по такому-то адресу. Код ниже.
Загрузчик файлов на JAVA, работающий на стороне ПК
import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Net {
<b> public static void main(String args[]) {
new Http_client(4000);
}</b>
}
class Http_client extends Thread {
int port;
String s;
String Greetings_from_S;
Http_client(int port){
this.port = port;
start();
}
public void run() {
//192.168.1.113 -это адрес ESP8266 в моей сети. Но вообще, узнается из общения с роутером
// лучше сделать его статическим, роутеры это умеют
try (Socket socket = new Socket("192.168.1.113", port)) {
PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()),true);
pw.println("program");// Greetings with SERVER
System.out.println("program");
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
Greetings_from_S = br.readLine();
System.out.println(Greetings_from_S);
if(Greetings_from_S.equals("ready"))
{
try
{
File file = new File("d:BlinkOUT.bin");// адрес выгружаемого файла
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));
byte [] data = new byte[bis.available()];
bis.read(data);
byte [] data_buffer = new byte[1024];
int frames = data.length/1024;
System.out.println(frames);
int residy = data.length%1024;
for (int i = 0; i < frames;i++) {
for (int k = 0; k< (1024); k++) {
data_buffer[k] = data[k+1024*(i)];
}
sendingChunk(data_buffer);
}
byte [] data_buffer2= new byte[residy];
for (int i = 0; i < residy;i++) {
data_buffer2[i] = data[i+1024*(frames)];
}
sendingChunk(data_buffer2);
pw.println("stop");//
System.out.println("stop program");
} catch (Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
} catch (Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
public void sendingChunk (byte [] data_buffer){
try (Socket socket = new Socket("192.168.1.113", 4001)){
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream((socket.getOutputStream()));
bos.write(data_buffer);
bos.flush();
System.out.println(data_buffer.length);
}
catch (Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
}
Тут конечно накручено лишнего, всякие ready, в принципе не нужны. Если уж TCP соединение установлено, то оно установлено. Единственная проблема была в том, что файл никак не хотел отправляться ровными кусками по 1024 байт, как мне очень требовалось, хотя я и явно указывал размер. Видимо там какой-то финальный буфер недоступный из JAVA, и он отправляет пакеты размером, каким ему хочется, что для приемной стороны совершенно неприёмлемо. Сначала я пробовал сделать задержку, чтобы буфер уставал ждать следующие куски и отправлял как есть. Но задержка стала работать, когда достигла 10 секунд, что мне как-то показалось многовато на один передаваемый килобайт.
Но потом я заметил, что почему-то первый кусок всегда идет ровный, какой был заказан, а уже со второго начинается непредсказуемая вакханалия. Поэтому я сделал так, чтобы клиент открывал соединение, отправлял порцию кода в 1024 байт и закрывал соединение. И так пока не отправится весь файл. Всё успешно заработало.
Единственное, для запуска необходимо поставить на компьютер среду выполнения JAVA. Но я обычно запускаю сразу из IntelliJ IDEA ибо там в консоли всегда видно, что происходит (но и здесь среда JAVA нужна). Хотя, конечно, по-умному надо сделать GUI. То есть окошко, где выпадает путь к файлу, возможность менять там же в окне номера портов и ну и прочие нужные вещи. И все это собрать в виде исполняемого файла.
А таперича, как говаривал Коровьев, вернемся граждане, собственно к механической конечности MechArm, что была упомянута в самом начале. У нас теперь есть возможность удаленно её запрограммировать, а затем ею поуправлять. Перейдём к программе управления на стороне микроконтроллера.
В данном случае нам необходимо контролировать четыре сервопривода. Вот таких.
Такой привод управляется прямоугольными импульсами, периода 20 мс (50Гц) с коэффициентом заполнения от 2 до 4 процентов. То есть 2% это полный поворот в одну сторону, 4% в другую. Задача как раз для встроенного в AVR ШИМ.
Один сервопривод используется для движения вправо-влево; второй на себя – от себя; третий вверх-вниз; четвертый – сама клешня, которая должна сжиматься и разжиматься. Всё написано на С и откомпилировано до HEX файла в ATMEL STUDIO. Немного странный вид программы связан с тем, что изначально рука управлялась с клавиатуры привязанной проводами к микроконтроллеру. Но провода вчерашний день, надо эволюционировать дальше.
Можно конечно использовать скетчи для сервоприводов от ”ARDUINO”, но мне они не понравились. Самому писать интересней. К тому же все четыре сервопривода должны работать одновременно, а не в мультиплексированном режиме, когда ШИМ переключается на каждый сервопривод поочередно. Ибо гравитацию никто не отменял и поднятая вверх конечность, моментально опустится, если на соответствующий сервопривод перестанут поступать управляющие импульсы. Я не уверен, что ”ARDUINO” скетч обеспечивает одновременный режим работы для четырех серво. А вот сами мы вполне можем написать программку отвечающую нужным требованиям. Да и вообще при отсутствии операционной системы, которая отделяет агнцев от козлищ, применение скетчей конкурирующих за периферийные устройства микроконтроллера (а мы даже и не знаем заранее какие) дело слишком багопроизводительное.
Вот сам код, который мы записываем в Arduino Nano посредством ESP8266-07.
Программа для управление MechArm для микроконтроллера AVRmega328P
#define F_CPU 16000000
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>// стандартные целые числа
#include <avr/interrupt.h>
#include <math.h> // математика
#include <stdio.h> //стандартный ввод-вывод
#include <avr/eeprom.h>
#include <setjmp.h>
#include <stdlib.h> //стандартные возможности
#define UART_BAUD_RATE 115200
// счетчик Т1 задает временной интервал 20мс
#define COUNTER1_OFF TCCR1B=0b00000000 // CS02 CS01 CS00 - 000 - отключен; 001 без делителя; 010 c делителем 8; 011 -64; 100 -256; 101 -1024
#define COUNTER1_ON TCCR1B=0b00000011
// счетчик Т0 задает ширину управляющего импульса для серво РВ0 и РВ1
#define COUNTER0_OFF TCCR0B=0b00000000 // CS02 CS01 CS00 - 000 - отключен; 001 без делителя; 010 c делителем 8; 011 -64; 100 -256; 101 -1024
#define COUNTER0_ON TCCR0B=0b00000100
// счетчик Т2 задает ширину управляющего импульса для серво РB2(PD6) и РВ3(PD7)
#define COUNTER2_OFF TCCR2B=0b00000000 // CS02 CS01 CS00 - 000 - отключен; 001 без делителя; 010 c делителем 8; 011 -64; 100 -256; 101 -1024
#define COUNTER2_ON TCCR2B=0b00000110
volatile uint16_t period_20ms;
volatile uint8_t State_of_keyboard;
volatile uint8_t start_position [6];
volatile int8_t number_servo;
ISR(USART_RX_vect)// прерывание для UART
{
State_of_keyboard=UDR0;
return;
}
ISR(TIMER0_COMPA_vect)// серво РВ0 ширина управляющего импульса
{
PORTB &=~(1<<0);
TIMSK0&=~(1<<OCIE0A);
TIFR0 |=(1<<OCF0A);
return;
}
ISR(TIMER0_COMPB_vect) // серво РВ1 ширина управляющего импульса
{
PORTB &=~(1<<1);
TIFR0 |=(1<<OCF0B);
TIMSK0 &=~(1<<OCIE0B);
return;
}
ISR(TIMER2_COMPA_vect)// серво РВ2(PD6) ширина управляющего импульса
{
PORTD &=~(1<<6);
TIFR2 |=(1<<OCF2A);
TIMSK2 &=~(1<<OCIE2A);
return;
}
ISR(TIMER2_COMPB_vect)// серво РВ3(PD7) ширина управляющего импульса
{
PORTD &=~(1<<7);
TIFR2 |=(1<<OCF2B);
TIMSK2 &=~(1<<OCIE2B);
return;
}
ISR(TIMER1_OVF_vect){// формируем период 20 мс и обновляем регистры счетчики
COUNTER1_OFF;
COUNTER0_OFF;
COUNTER2_OFF;
TIFR0 |=(1<<OCF0A);
TIFR0 |=(1<<OCF0B);
TIFR2 |=(1<<OCF2A);
TIFR2 |=(1<<OCF2B);
TIFR1 |=(1<<TOV1);
PORTB |=(1<<0)|(1<<1);
PORTD |=(1<<6)|(1<<7);
TCNT1 = period_20ms; // период 20 мс
TCNT0 = 0;
TCNT2 = 0;
TIMSK0|=(1<<OCIE0A)|(1<<OCIE0B);
TIMSK2|=(1<<OCIE2A)|(1<<OCIE2B);
OCR0A=start_position[1];// положение 0 сервопривода 0
OCR0B=start_position[2];// положение 0 сервопривода 1
OCR2A=start_position[3];// положение 0 сервопривода 2
OCR2B=start_position[4];// положение 0 сервопривода 3
COUNTER1_ON;
COUNTER2_ON;
COUNTER0_ON;
return;
}
void time_delay(long i)
{ cli();sei();
long k;
i*=2000;
for(k=0;k<i;k++){;;};
}
void timer_counter0_1_2_INIT()// инициализация таймеров 0,1,2
{
//таймер Т1
TCCR1A &=~(1<<COM1A0)|~(1<<COM1A1)|~(1<<COM1B0)|~(1<<COM1B1);//внешние выводы отключены
TCCR1A &=~(1<<WGM10)|~(1<<WGM11);
TCCR1B &=~(1<<WGM12)|~(1<<WGM13);// режим простого счёта
period_20ms=60575;
TCNT1 = period_20ms;
TIMSK1|=(1<<TOIE1);//|разрешаем прерывания по переполнению
//TIFR0 флаги переполнения TOV0
//таймер Т0
TCCR0A &=~(1<<COM0A0)|~(1<<COM0A1)|~(1<<COM0B0)|~(1<<COM0B1);//внешние выводы отключены
TCCR0A &=~(1<<WGM00)|~(1<<WGM01);
TCCR0B &=~(1<<WGM02);// режим простого счёта
//таймер Т2
TCCR2A &=~(1<<COM2A0)|~(1<<COM2A1)|~(1<<COM2B0)|~(1<<COM2B1);//внешние выводы отключены
TCCR2A &=~(1<<WGM20)|~(1<<WGM21);
TCCR2B &=~(1<<WGM22);// режим простого счёта
COUNTER1_ON;
}
void servo_reset()
{
start_position[1]=97;// положение 0 сервопривода 0
start_position[2]=70;// положение 0 сервопривода 1
start_position[3]=92;// положение 0 сервопривода 2
start_position[4]=124; //положение 0 сервопривода 3
COUNTER1_ON;
time_delay(100);
}
void servo_go( int8_t moven, uint8_t servo_position_max, uint8_t servo_position_min)//
{
switch (moven){
case 1:
start_position[number_servo]++;
if(start_position[number_servo]==servo_position_max){start_position[number_servo]--;};// это +90 градусов
break;
case 2:
start_position[number_servo]--;
if(start_position[number_servo]==servo_position_min){start_position[number_servo]++;};//6 это -90 градусов
break;
};
time_delay(20);
return;
}
//PORTB-0,1, PORTD - 6,7 - управление сервоприводами, 8-битовый счетчик COUNTER 0
int main(void)
{
uint8_t servo_positionmin=0, servo_positionmax=0;
int8_t const servo_position1max = 122, servo_position1min=58; //по горизонтали
int8_t const servo_position2max = 120, servo_position2min=36;//
int8_t const servo_position3max = 125, servo_position3min=68;//
int8_t const servo_position4max = 129, servo_position4min=108;// клешня128 108
sei();
DDRD = 0B11000010; // устанавливаем кнопки D2-D5 на вход, D0 вход RX, D1 выход TX, D6 D7 выходы серво 3 и 4
PORTD = 0B00111110; // устанавливаем внутренние подтягивающие резисторы
DDRB |=(1<<0)|(1<<1);// устанавливаем выходы порта В для сервоприводов на выход
PORTB &=(~1<<0)|(~1<<1);
UCSR0A=0;//инициализируем UART
UCSR0B=0b10010000;
UCSR0C=0b00000110;
UBRR0L=103;// НА 115200
UBRR0H=0;
timer_counter0_1_2_INIT();
servo_reset();
PORTB |=(1<<5);
while (1) {
switch (State_of_keyboard)
{
case 1:// выбран серво 1 PD0(PB0)
number_servo=1;
servo_positionmin=servo_position1min;
servo_positionmax=servo_position1max;
break;
case 2: // выбран серво 1 PD0(PB0)
number_servo=1;
servo_positionmin=servo_position1min;
servo_positionmax=servo_position1max;
break;
case 5:
number_servo=2; // выбран серво 2 PD1(PB1)
servo_positionmin=servo_position2min;
servo_positionmax=servo_position2max;
break;
case 6:
number_servo=2; // выбран серво 2 PD1(PB1)
servo_positionmin=servo_position2min;
servo_positionmax=servo_position2max;
break;
case 7:
number_servo=3;// выбран серво 3 PD6
servo_positionmin=servo_position3min;
servo_positionmax=servo_position3max;
break;
case 8:
number_servo=3;// выбран серво 3 PD6
servo_positionmin=servo_position3min;
servo_positionmax=servo_position3max;
break;
case 3:
number_servo=4; // выбран серво 4 PD7
servo_positionmin=servo_position4min;
servo_positionmax=servo_position4max;
break;// клешня
case 4:
number_servo=4; // выбран серво 4 PD7
servo_positionmin=servo_position4min;
servo_positionmax=servo_position4max;
break;// клешня
// cтранный вид программы только из-за того, что адаптировалась клавиатурная версия всего с 4-мя клавишами
// то есть сначала мы выбирали номер сервопривода клавишами, а уже затем во второй фазе им управляли
}
if(State_of_keyboard==1||State_of_keyboard==3||State_of_keyboard==5||State_of_keyboard==7)
{
servo_go(1,servo_positionmax,servo_positionmin);//
}
if(State_of_keyboard==2||State_of_keyboard==4||State_of_keyboard==6||State_of_keyboard==8) // кнопка в другом направлении
{
servo_go(2,servo_positionmax,servo_positionmin);//
}
time_delay(20);
}
}
Суть программы ясна из текста и комментариев. Мы используем счетчик Т1 для образцового периода 20 мс и счетчики Т0, Т2 для выдачи ШИМ сигналов на четыре линии порта ввода-вывода, благо каждый из этих двух счетчиков, может работать на два устройства.
В программе устанавливаются начальные положения сервоприводов, через загрузку счетных регистров OCR0A, OCR0B, OCR2A,OCR2B. Также вводятся константы ограничители, поскольку нам не всегда нужен размах в 180 градусов. Ну и дальше, по прерыванию от UART, программа ловит число отправленное ESP8266 (от 1 до 8) и переводит его в команду для соответствующего сервопривода. Приводов четыре, каждый работает в двух направлениях, поэтому целых чисел от одного до восьми вполне хватает. Как только число выбрано, содержимое вышеупомянутых регистров счетчиков либо инкрементируется либо декрементируется, соответственно изменяя скважность управляющего импульса и угол поворота выбранного сервопривода. Те приводы, которые мы не выбирали, сохраняют старое значение угла поворота, (поскольку содержимое соответствующих регистров хоть и обновлялось, но не менялось) и продолжают удерживать механическую руку в прежнем положении.
Теперь нам осталось лишь написать управляющую программу, простите за тавталогию, для управления механической рукой уже непосредственно с компьютера по WI-FI.
Код также написан на JAVA, но немного облагорожен. Появился GUI и возможность редактировать номера портов и сетевой адрес ESP8266.
Что там происходит понятно из окошка. Текст программы я здесь не привожу (он доступен на Гитхабе ), по следующей причине: примерно 95% его объема это создание окна и обработка сигналов от клавиатуры. Но суть такая же как и у предыдущей программы на JAVA. Создается клиент, только UDP, который в зависимости от нажатой клавиши шлёт число от 1 до 8, по указанному адресу на указанный порт.
Или можете сразу взять исполняемый файл отсюда. Для 64 разрядных машин с виндой. Даже установленной среды JAVA не надо. Все уже упихано в 178 Мбайт.
Итак, механическая ручка была собрана, отлажена и подарена брату на юбилей. Может поднимать пластиковые стопки с водкой, по скайпу из другого города. Хотя для механической руки Говарда Воловитса из сериала ”Теория Большого Взрыва”, ей по-прежнему далеко.
Но зато в следующих статьях (если кому будет интересно) мы сможем управлять ею с мобильного телефона, делать то же самое с четырех-колесной роботележкой и обновлять в электронных часах время с часовых серверов в Интернете. Потом поставим на тележку старый смартфон и будем гнать с него видео на нейронную сеть с распознаванием образов, а обратно управляющие сигналы на моторчики,
И все это с помощью прекрасной ESP8266.
Буду рад, если кому статья показалась интересной.
[1] Распиновка и характеристики ESP8266
[2]Подключение ESP8266. Быстрый старт.
[3]Обновление прошивки NodeMCU через облако
[4] NODE MCU PyFlasher
[5] ESPlorer — IDE для ESP8266
[6]Программирование на С для AVR
[7]Обзор статей — «Программирование микроконтроллеров на языке Си»
[8]Описание NodeMCU API
[9]Lua Справочник
[10]Lua скрипты и модули
[11]IntelliJ IDEA
[12] Загрузите Java на свой настольный компьютер сейчас!
[13]Atmel Studio
