variabalen

numeriek

In ons programma willen we gebruik maken van waarden die tijdens en door het programma aangepast worden. Daarvoor hebben we variabelen nodig. Afhankelijk van welke waarden we wensen op te slaan bestaan variabelen in verschillende types.

  • Een byte neemt 1 byte geheugen in beslag en kan waarden van 0 tot en met 255 opslaan.
  • Voor grotere gehele waarden kunnen we een integer gebruiken. Deze beslaat 2 geheugenbytes maar kan in de signed versie waarden opslaan van -32.768 tot +32.767, en in unsigned versie waarden van 0 tot en met 65.537.
  • Als dit nog niet genoeg zou zijn kunnen we een variabele van het type long gebruiken. Deze neemt 4 byte geheugen in, maar kan signed lopen van -2.147.483.648 tot en met +2.147.483.647. De unsigned versie heeft een bereik van 0 tot en met 4.294.967.295.
  • Wanneer we kommagetallen nodig hebben maken we gebruik van de types float en double. Deze komen overeen met single precision floating point en double precision floating point getallen, zoals gezien in het vak digitale elektronica.

Bewerkingen uitvoeren gaat veel gemakkelijker en sneller met gehele getallen. Bij kommagetallen zal je zien dat je programma veel trager werkt.

alfanumeriek

We moeten ook tekst als een variabele kunnen opslaan. Daarvoor hebben we type char wanneer we slechts één karakter moeten opslaan of string wanneer het om woorden of zinnen gaat.

Om een waarde toe te kennen aan een variabele van het type char kunnen we het teken tussen enkele aanhalingstekens plaatsen, of de waarde van de ASCII code toekennen.

Bij een string is de lengte variabel. De tekst van de string wordt afgesloten met een null-teken. Daardoor beslaat een string in het geheugen 1 byte meer dan er karakters zijn in de string.

Er kunnen ook reeksen van variabelen gedefinieerd worden. De reeksen zijn zero-indexed, dus het eerste element van de reeks heeft als index 0. Bij de definitie worden na de variabelenaam vierkante haakjes geplaatst, of worden de elementen opgesomd tussen accolades.

Structuur en syntax

Structuur

Programmeren van de Arduino gebeurt in C/C++. Deze taal is zeer gestructureerd en is opgebouwd uit functies.

Een C-programma bevat altijd een functie main(). Bij de Arduino bestaat er geen main() functie, maar is deze vervangen door twee andere functies: setup() en loop().

de basis van elk Arduino programma

 

Wanneer een Arduino wordt opgestart zal hij altijd eerst de setup()-functie uitvoeren, om daarna de loop()-functie blijvend te herhalen.

Het is natuurlijk heel eenvoudig om te zeggen dat een programma uit functies bestaat, maar wat is nu eigenlijk een functie?

Een functie is een groep van instructies die met een eigen naam aangeduid worden. Een functie geeft altijd een resultaat van een bepaald type weer. Indien geen resultaat wordt teruggegeven door de functie is het resultaat van het type void (=leegte). De functies setup() en loop() zijn typisch twee functies die niks teruggeven. Ze zijn dan ook allebei void.

Het type van de teruggegeven waarde is de eerste aanduiding waarmee een functie beschreven wordt. Zo kan een functie bijvoorbeeld een som van twee gehele getallen opleveren. De definitie van deze functie begint dan met de type-aanduiding int.

Na de type-aanduiding krijgen we de naam van de functie. Deze naam kan naar believen gekozen worden, zolang hij maar begint met een letter. Merk op dat namen in C hoofdlettergevoelig zijn.

Na de naam komt een paar haakjes. Deze haakjes kunnen eventuele parameters bevatten die aan de functie worden doorgegeven. Ook als er geen parameters worden doorgegeven moeten de haakjes na de functienaam komen. Dat is terug het geval bij zowel setup() als loop().

We weten nu al wat het resultaat van de functie zal zijn, wat zijn naam is, en met welke parameters de functie zal rekenen, maar hoe bepalen we welke instructies er wel en niet tot de functie behoren?

Daarvoor worden accolades gebruikt. Alles wat binnen de accolades staat behoort tot de functie. Elke instructie wordt van de volgende gescheiden door een puntkomma.

Terug naar de basisstructuur

Zoals reeds eerder vermeld bestaat de basis van een arduino programma uit twee functies:
  • Setup()
  • Loop()

Beide functies zijn van het type void, omdat ze geen informatie teruggeven aan de aanroepende functie. Die is er immers niet.

De setup() functie wordt éénmaal doorlopen en dient dus hoofdzakelijk voor initialisatie. De loop()-functie wordt steeds opnieuw herhaald en vormt een oneindige lus. Hieruit kun je al concluderen dat een microcontroller nooit stopt met werken.

voorbeeldprogramma: Blink

 

Het eerste programma dat gebruikt wordt is zo goed als altijd het blink-programma. Met dit programma kijken we of de arduino omgeving werkt, en of we in staat zijn om een programma op het arduino-bord te laten uitvoeren.

We zien duidelijk de twee basisfuncties setup() en loop().

In de setup wordt pin 13 van het arduino bord geconfigureerd als een output. Op het bord zit een SMD-led die met deze pin 13 verbonden is. Door deze te laten knipperen kunnen we het  bord testen zonder dat we extra hardware nodig hebben.

Het laten knipperen gebeurt in de loop-functie. Met behulp van een digitalWrite instructie wordt pin 13 achtereenvolgens hoog en laag gezet. De controller werkt aan een zeer hoge snelheid, waardoor het nodig is om na elke digitalWrite instructie een delay-functie te gebruiken om het knipperen zodanig te vertragen dat het voor een mens nog te volgen is.

De waarde die als parameter bij de delay-functie wordt meegegeven is een tijd, uitgedrukt in milliseconden. De delay(1000) instructie zal de controller dus 1 seconde doen pauzeren.

syntax

Een programma zal slechts succesvol gecompileerd worden als de syntax van het programma klopt. Dit betekent dat alle code volgens strikte regels moet geschreven worden.

Het groeperen van een aantal instructies gebeurt met behulp van accolades. Dit kan zowel bij de definitie van een functie voorkomen, als bij een instructie zelf, zoals te zien in de for-loop.

gebruik van accolades om statements te groeperen.

Een instructie wordt altijd beëindigd met een puntkomma. Een einde-regel teken heeft geen enkele betekenis binnen een programma. Je kan dus perfect alle instructies op één lijn schrijven, zolang ze maar van elkaar gescheiden zijn door middel van een puntkomma.

In sommige gevallen wil men tekst aan het programma toevoegen om iets te verduidelijken voor iedereen die het programma leest. Het is niet de bedoeling dat deze tekst aan de syntax voldoet. Het gaat hier dus om commentaar, dat door de compiler moet worden overgeslagen.

Het gebruik van commentaar is dan ook zeer belangrijk om in je programma aanwijzingen op te nemen over het verloop of het doel van het programma. Deze wordt door de compiler genegeerd, en zal ook geen invloed hebben op de snelheid of grootte van je programma.

Een eerste manier is de blok commentaar. De combinatie forward slash en sterretje geeft aan dat alles wat hierna komt commentaar is. Je kunt hiermee dus grote stukken commentaar plaatsen tussen de code in. De commentaar wordt afgesloten met de combinatie sterretje-forward slash. Deze combinatie geeft het einde van de blokcommentaar aan. Alles erna wordt weer behandeld als programmacode.

Wanneer we korte commentaar willen toevoegen kunnen we ook gebruik maken van regel commentaar. Deze wordt aangegeven door een dubbele forward slash en wordt niet afgesloten. Alles wat na de dubbele slash staat op deze ene regel wordt als commentaar behandeld. Door naar een volgende regel te gaan wordt de commentaar beëindigd.

Arduino

De naam Arduino slaat op het geheel van controller, bord waarop de controller is bevestigd en software omgeving waarmee de controller geprogrammeerd wordt. Het geheel wordt aangeduid met de term Arduino IDE, waarbij de IDE staat voor “integrated development environment, of geïntegreerde ontwikkelomgeving.

 

De Arduino omgeving is oorspronkelijk opgebouwd door een team van Italianen rond een Atmel microcontroller. De eerste versie (UNO) bevatte een AtMega168, maar al gauw werd overgestapt op de AtMega328p.

 

De Leonardo die wij gebruiken in deze cursus is opgebouwd rond de AtMega 32U4. Daar waar de AtMega328p via een serieel protocol wordt geprogrammeerd, en de Arduino UNO dus ook een USB-naar-serieel omzetter bevat, kan deze bij de Leonardo worden weggelaten. De Leonardo kan rechtstreeks via USB worden aangesloten, en heeft daardoor het bijkomende voordeel dat hij kan geprogrammeerd worden om zich te gedragen als een toetsenbord of als een muis wanneer hij aan een PC wordt gehangen.

AtMega32U4
AtMega328p

 

De AtMega328p en AtMega32u4 zijn microcontrollers, maar geen Arduino's. Arduino is de verzamelnaam voor het geheel van microcontroller, bord waarop de controller geplaatst is, en ontwikkelomgeving. Deze ontwikkelomgeving staat bekend als de Arduino IDE.

Arduino Leonardo

Zoals te zien op bovenstaande afbeelding bevat de Arduino Leonardo naast de AtMega32u4 controller ook nog enkele chips voor o.a. spanningsregeling, een resetknop, een USB-aansluiting enz. Het is dus dit geheel dat wordt aangeduid met de term Arduino.

Wat is een microcontroller?

We kennen allemaal de computer, een toestel voor allerlei soorten gegevensverwerking. Je kunt er een tekst mee maken door hem als tekstverwerker te gebruiken, maar evengoed kun je hem als rekenmachine gebruiken wanneer je een rekenbladtoepassing start. Zelfs foto- en videobewerking zijn met dit ene toestel mogelijk. Het is dus een universeel toestel, ontwikkeld om gebruikt te worden met de software die er op geïnstalleerd staat.

Een microcontroller is vergelijkbaar met een computer. Het bevat veel dezelfde onderdelen zoals een CPU, geheugen of ALU, maar de opzet van een microcontroller is anders. Een microcontroller is een “dedicated” toestel. Het is ontworpen en wordt geprogrammeerd om één specifieke taak uit te voeren. Dit kan bijvoorbeeld de sturing van een wasmachine of een magnetron zijn, maar kan ook een temperatuurregeling in een 3D printer of het anti-blokkeer systeem van een auto zijn.

Doordat de microcontroller voor één toepassing bedoeld is, zal hij veel minder “resources” zoals rekenkracht, geheugen en opslag nodig hebben in vergelijking met een laptop of PC. Meestal zal er zelfs maar een heel beperkte HMI (human-machine interface) aanwezig zijn. De interactie met de gebruiker beperkt zich dikwijls tot enkele leds die de status aangeven. Scherm en toetsenbord zullen dus dikwijls niet in het systeem aanwezig zijn.

Er bestaan honderden verschillende families van microcontrollers, die elk uit tientallen leden bestaan. Eén van de uitdagingen bij het ontwerpen van een microcontrollersturing is bijvoorbeeld de juiste keuze van controller. Die keuze kan slaan op rekenkracht, beschikbaar geheugen, snelheid maar ook op verbruik en omgevingstemperatuur.

assembler
Zoals we later zullen zien kan een microcontroller op veel verschillende manieren geprogrammeerd worden. De controller zelf verstaat alleen maar machinetaal. Dit is het laagste programmeerniveau. Op een volgend niveau kan de controller geprogrammeerd worden in assembler. Dit is nog steeds een laag niveau waarop de programmeur alles moet programmeren aan de hand van de instructieset. In assembler bestaat bijvoorbeeld geen lus-instructie.

Gelukkig bestaan er ook hogere programmeertalen. Bij het programmeren van de Arduino maken we gebruik van C/C++ om onze programma’s te schrijven. Deze taal en bijhorende compiler bieden heel wat tools om het programmeren gemakkelijker en aangenamer te maken.