Tous les passionnés d’électronique ont au moins entendu parler d’Arduino, car grâce à ses caractéristiques uniques, il a acquis une immense popularité. Aujourd’hui, l’entreprise qui a été fondée et développée par des passionnés, fixe les normes de connecteurs et de distribution des signaux aux grandes entreprises – fabricants de microcontrôleurs ou de cartes d’évaluation. Qu’est-ce qu’Arduino et pourquoi est-il devenu une norme informelle dans l’éducation et le prototypage ? Et enfin, quels sont les types d’Arduino, que pouvez-vous faire avec Arduino et comment en profiter pour nos propres besoins ?
Arduino – le choix parfait pour les programmeurs débutants
Si nous voulons apprendre la programmation des microcontrôleurs, la plate-forme Arduinoest un excellent choix. De même, si nous sommes passionnés d’électronique, nous avons une idée et nous voulons réaliser rapidement un appareil basé sur un microcontrôleur et des périphériques standards, tels que : afficheurs alphanumériques, graphiques, LED, LCD avec ou sans boutons d’accompagnement, capteurs, modules de transmission , des pilotes pour moteurs ou solénoïdes et bien d’autres. Il vaut la peine de profiter de la plate-forme Arduino si nous voulons produire une courte série d’appareils dans lesquels le microcontrôleur constituera le « cœur » qui ne coopéra pas nécessairement avec les modules d’extension Arduino.
Arduino – qu’est-ce que c’est ?
Qu’est-ce que Arduino ? Ce n’est pas seulement une carte micro-ordinateur (si nous parlons d’« Arduino » souvent nous pensons uniquement de cette fonction), mais également une plate-forme complète basée sur un matériel et sur des logiciels faciles à utiliser. C’est surtout une plate-forme open source, ce qui signifie l’accès à une documentation gratuite et détaillée ainsi qu’à des schémas et des sources de logiciels. Généralement, un appareil construit sur la base d’une plate-forme Arduino se compose d’une carte de base avec un microcontrôleur et d’un module d’extension fourni, appelé shield.
La plupart des cartes de base Arduino ont une interface USB utilisé pour les programmer via un PC. Sur certaines cartes, les signaux du microcontrôleur sont dirigés vers les broches auxquelles les modules d’extension sont connectés, et sur d’autres vers les points de soudure. Puisque de telles cartes sont proposées sous forme de modules miniatures, certaines personnes les appellent familièrement « microcontrôleur Arduino » ou « micro-ordinateur Arduino ».
Photo 1. Module d’extension avec affichage LED et boutons. Avec lui, vous pouvez facilement créer une horloge.
Programmation à l’aide d’Arduino
La syntaxe du langage de programmation Arduino est similaire au langage C++ et elle est devenue très populaire parmi les programmeurs de microcontrôleurs. La disponibilité de nombreuses bibliothèques prêtes à l’emploi pour faciliter la création du programme et le nombre incalculable d’applications prêtes à l’emploi développées par les utilisateurs de cette plate-forme du monde entier constituent le côté fort de l’environnement de développement Arduino. Il est à noter que l’environnement de développement est généralement disponible, quelle que soit son utilisation. De même, la carte de base elle-même – si nous ne voulons pas l’acheter, nous pouvons la fabriquer nous-mêmes en nous basant sur la documentation disponible.
Une brève histoire de la création d’Arduino
Le concept d’Arduino est né en Italie, à Ivrea Interaction Design Institute. La plate-forme Arduino devait être conçue pour le prototypage rapide et la programmation d’apprentissage par des étudiants qui n’ont jamais été confronté avec l’électronique et la programmation. Les créateurs de Arduino avaient une excellente idée, car cela fonctionnait non seulement à l’université, mais aussi hors l’université en aidant de nombreuses personnes à apprendre ou à mettre en œuvre leurs idées rapidement.
Après que la plate-forme Arduino ait quitté l’université et ait été ait été acceptée par un groupe d’utilisateurs beaucoup plus large, elle a dû s’adapter à de nouveaux défis et répondre à de nouveaux besoins. Dans le même temps, l’offre de cartes de base a été considérablement diversifiée, comprenant non seulement de simples unités 8 bits, mais également des unités plus étendues, destinées à être utilisées dans les appareils IoT, les appareils portables, les imprimantes 3D et d’autres applications encore plus exigeantes. Toutes les cartes Arduino sont basées sur les principes de la licence open source, ce qui permet aux utilisateurs de les fabriquer et de les adapter à des besoins spécifiques. En ce qui concerne le logiciel, il est également de type open source et il est développé grâce au travail des utilisateurs du monde entier.
Pourquoi Arduino ?
Il y a encore quelques années, chaque fabricant de cartes d’évaluation ou de microcontrôleurs avait son propre standard de connecteurs, aujourd’hui la plupart d’entre eux sont conformes à la « norme » informelle introduite par Arduino. Cela résulte non seulement de la popularité d’Arduino, mais probablement de la disponibilité d’un grand nombre de modules d’extension (soi-disant Shield – ici). Si les broches de la carte d’évaluation proposée sont compatibles avec celles d’Arduino, l’utilisateur peut librement utiliser une énorme offre de modules d’extension pour Arduino, ce qui permet une réalisation facile, économique et rapide de la fonctionnalité prototype attendue. Cela offre également un avantage au fabricant de la carte d’évaluation, car il peut se concentrer sur l’application du microcontrôleur lui-même, en l’entourant d’un ensemble minimal de composants coopérants et en abaissant ainsi son prix final.
Photo 2. Module d’extension avec modem GSM. Il sera utile lors de la création d’une alarme avec notification.
En raison de la facilité d’utilisation, de la disponibilité et des divers besoins des utilisateurs, nous pouvons trouver parmi les projets mis en œuvre avec l’utilisation d’Arduino des solutions à de nombreux problèmes et implémentations de presque tous les appareils. Nous pouvons en profiter directement ou les comme projet de référence. Le logiciel de développement d’applications (Arduino IDE) est très facile à utiliser pour les débutants, et simultanément il est flexible et il offre de nombreuses possibilités aux utilisateurs avancés. Il peut être exécuté sous les systèmes d’exploitation Mac OS, Windows et Linux. En conséquence, il est disponible pour les utilisateurs qui ont diverses préférences dans le cadre du matériel et qui ont divers moyens financiers.
Il est impossible de compter toutes les utilisations d’Arduino, car il est également utilisé volontiers par les professionnels et les amateurs. Les enseignants et les étudiants utilisent l’outil Arduino pour réaliser des instruments de mesure peu coûteux, non seulement pour les grandeurs électriques, mais également pour une utilisation dans des expériences chimiques et physiques. Dans les écoles du monde entier, il est utilisé pour apprendre la programmation et la robotique. Les concepteurs et les architectes utilisent Arduino pour construire des prototypes de bâtiments interactifs, les musiciens et les artistes l’utilisent pour créer des installations artistiques interactives et pour essayer de nouveaux types d’instruments de musique. Pour de nombreuses personnes, la plate-forme Arduino est un outil essentiel pour apprendre de nouvelles compétences. Chacun peut l’utiliser : les enfants, les amateurs, les artistes, les programmeurs, les constructeurs d’appareils etc. Tout le monde peut construire un appareil en suivant les instructions pas à pas du kit ou partager des idées en ligne avec d’autres membres de la communauté Arduino.
Quel type d’Arduino choisir ?
Normalement pour réaliser un prototype ou un appareil construit sur la plate-forme Arduino, nous avons besoin d’une carte de base équipée d’un type de microcontrôleur adapté à nos besoins, d’un module d’extension – d’un Shield, d’un logiciel Arduino IDE, d’un câble USB, d’une alimentation et d’un PC. Actuellement, l’écosystème comprend différents types d’Arduino, avec différents microcontrôleurs et un grand nombre de modules d’extension. Des exemples de modules sont illustrés sur les photos 1… 3.
Selon le type, les cartes Arduino sont équipées de connecteurs - des broches goldpin ou des points de soudure, qui peuvent être utilisés non seulement pour connecter la carte, mais aussi pour la fixer sur un PCB d’un périphérique embarqué, si le micro-ordinateur Arduino remplit la fonction d’une unité centrale. Chacune a un bootloader stocké dans la mémoire du microcontrôleur, qui est utilisé pour programmer le processeur « in\ -circuit » (sans dessouder du système) en sélectionnant simplement les options du menu Arduino IDE.
Photo 3. Module d’extension avec interface Ethernet. Cela peut être utile pour les appareils domotiques.
La liste actuelle des cartes de base Arduino est présentée le tableau. La plupart d’entre elles utilisent des microcontrôleurs avec noyau AVR, mais nous pouvons également trouver un processeur Intel et SAM21 avec un noyau ARM Cortex-M0+. Il faut mentionner que le tableau n’inclut pas les cartes équipées de processeurs Espressif Systems (par exemple le populaire ESP8266) tandis qu’elles peuvent également être programmées à l’aide d’Arduino IDE. En choisissant une carte pour une application, il est nécessaire de respecter les capacités du microcontrôleur monté dessus. Les unités individuelles diffèrent par la taille de la mémoire disponible, la vitesse du fonctionnement du cœur et l’équipement avec des blocs fonctionnels, tels que des interfaces, des minuteries, des générateurs PWM, etc. Il convient également de prêter attention aux broches PCB, car certaines d’entre elles ne sont pas équipées de connecteurs, mais elles sont destinées à être soudées.
Tableau 1: Liste de cartes de base Arduino actuellement proposées
| Type de carte Arduino | Type de processeur | Tension d’alimentation IO / [V] | Fréquence d’horloge CPU [MHz] | Entrées / sorties analogiques | Entrées / sorties numériques / nombre PWM | EEPROM [kB] | SRAM [kB] | Flash [kB] | USB | UART |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LilyPad USB | ATmega32U4 | 3,3/3,8…5 | 8 | 4/0 | 9/4 | 1 | 2,5 | 32 | - | Micro |
| Mega 2560 | ATmega2560 | 5/7…12 | 16 | 16/0 | 54/15 | 4 | 8 | 256 | Type B | 4 |
| Micro | ATmega32U4 | 5/7…12 | 16 | 12/0 | 20/7 | 1 | 2,5 | 32 | Micro | 1 |
| MKR1000 | SAMD21 Cortex-M0+ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8/4 | - | 32 | 256 | Micro | 1 |
| Uno | ATmega328P | 5/7…12 | 16 | 6/0 | 14/6 | 1 | 2 | 32 | Typ B | 1 |
| Zero | ATSAMD21G18 | 3,3/7…12 | 48 | 6/1 | 14/10 | - | 32 | 256 | 2×Micro | 2 |
| Due | ATSAM3X8E | 3,3/7…12 | 84 | 12/2 | 54/12 | - | 96 | 512 | 2×Micro | 4 |
| Leonardo | ATmega32U4 | 5/7…12 | 16 | 12/0 | 20/7 | 1 | 2,5 | 32 | Micro | 1 |
| Nano | ATmega168 ; ATmega328P | 5/7…9 | 16 | 8/0 | 14/6 | 0.512 ; 1 | 1 ; 2 | 16 ; 32 | Mini | 1 |
| MKRZero | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3 | 48 | 7 (ADC 8/10/12 bit)/1 (DAC 10 bit) | 22/12 | - | 32 kB | 256 kB | Oui | 1 |
| Yun Rev 2 | ATmega32U4 ; Atheros AR9331 | 5 ; 3,3V | 16 ; 400 | 12/0 | 20 | 1 | 2,5 ; 64 MB DDR2 | 32 ; 16 MB | Oui | 1 |
| Uno WiFi Rev2 | ATmega4808 ; Module radio u-blox NINA-W102 | 5/7…12 | 16 | 6/0 | 14 | 0,256 | 6 | 48 | Oui | 1 |
| Nano 33 IoT | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/3,6…21 | 48 | 8/1 | 14 | - | 32 | 256 | Oui | 1 |
| Nano 33 BLE | nRF52840 | 3,3/3,6…21 | 64 | 8/0 | 14 | - | 256 | 1MB | Oui | 1 |
| Nano 33 BLE Sense | nRF52840 | 3,3/3,6…21 | 64 | 8/0 | 14 | - | 256 | 1MB | Oui | 1 |
| MKR1000 WiFi | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Oui | 1 |
| MKR1010 WiFi | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Oui | 1 |
| MKR Vidor 4000 | SAMD21 (Cortex-M0+) ; FPGA Intel Cyclone 10CL016 | 3,3/5 | 48 ; 48…200 | 7/1 ; -/- | 8 ; 22 | - | 32 ; 8MB SDRAM | 256 ; 2MB | Oui | 1 ; 7 |
| MKR Fox 1200 | SAMD21 (Cortex-M0+) ; Module radio Microchip Smart RF ATA8520 | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Oui | 1 |
| MKR GSM 1400 | SAMD21 (Cortex-M0+) ; Module radio u-blox SARA-U201 | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Oui | 1 |
| MKR NB 1500 | SAMD21 (Cortex-M0+) ; Module radio u-blox SARA-R410M-02B | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Oui | 1 |
| MKR WAN 1310 | SAMD21 (Cortex-M0+) ; Module radio CMWX1ZZABZ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Oui | 1 |
| MKR WAN 1300 (LoRA Connectivity) | SAMD21 (Cortex-M0+) ; Module radio CMWX1ZZABZ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Oui | 1 |
| Portenta H7 | STM32H747XI (Cortex-M7+M4) ; Module radio Murata 1DX WiFi et Bluetooth 5.1 | 3,3/5 | 480 | 7/2 | 15/8 | - | 1MB | 2MB | Oui | 4 |
Liste de cartes de base Arduino actuellement proposées - PDF
Arduino Nano, Arduino Uno et autres
Des cartes bon marché et un environnement de développement Arduino gratuit sont une très bonne alternative à de nombreuses plates-formes d’évaluation disponibles sur le marché, proposées par exemple par les fabricants de microcontrôleurs. La disponibilité de la documentation et des sources ouvertes permettent de modifier librement la plateforme et de l’adapter à nos besoins. Les cartes prêtes à l’emploi Arduino sont disponibles à un prix abordable. Arduino Uno est un bon point de départ pour les débutants. Il a été équipé d’un connecteur USB typique, avec lequel nous pouvons connecter la carte à un PC et transférer facilement le logiciel en un seul clic. Le microcontrôleur ATmega328 monté sur la carte dispose de suffisamment de mémoire et de ressources matérielles pour implémenter de nombreuses applications de contrôle et de commande. La fréquence d’horloge du cœur est de 16 MHz, ce qui donne une durée de cycle machine de 62,5ns, et le cœur AVR utilisé dans le microcontrôleur exécute la plupart des instructions en un seul cycle machine. Au fur et à mesure que nous gagnons de l’expérience nous pouvons choisir plus de variantes, telles que Arduino Due, Mega 2560 et autres. Il convient de prêter attention surtout au modèle Arduino Nano, qui est une version miniaturisée de systèmes plus grands qui n’est pas équipée, par exemple, d’un stabilisateur de tension et d’un port USB de taille normale. Cependant Arduino Nano est équipé du même processeur 8 bits que la carte Uno, en se caractérisant d’une réduction de taille impressionnante. Dans le cas de la série Nano, la dimension du PCB est de 18 mm sur 45 mm ! Il est à noter que malgré le changement de matériel, le même environnement de développement est toujours utilisé.
Normalement, la programmation du microcontrôleur se fait via l’interface USB. Pour que l’interface USB Arduino fonctionne correctement avec notre système d’exploitation, un driver approprié sera nécessaire qui sera installé par le système d’exploitation après la connexion de la carte et après l’apparition du logiciel de démarrage du microcontrôleur, le soi-disant bootloader. À l’origine Arduino IDE a été écrit pour Windows, la plupart des bootloader sont donc disponibles pour Windows et seuls certains d’entre eux sont adaptés à d’autres systèmes d’exploitation. En travaillant sur un ordinateur équipé de MacOS ou Linux, avant de décider d’acheter une carte de base Arduino spécifique, il vaut la peine de vérifier si elle est compatible avec le système que nous utilisons.
Fot. 4. Arduino Uno R3 recommandé pour les débutants.
Enfin, il convient de mentionner le site Web des utilisateurs d’Arduino, https://www.arduino.cc/, où nous pouvons trouver les versions actuelles des programmes, de nombreuses applications, un forum d’utilisateurs et une base de connaissances. Il existe également des schémas et des paramètres électriques des cartes Arduino, des descriptions et des spécifications de paramètres, y compris la description d’Arduino Uno R3 (photo 4) recommandée pour les débutants. De nombreux modules d’extension et de nombreux exemples d’applications sont disponibles sur d’autres sites Web – qui peuvent être trouvés via les moteurs de recherche ou en profitant des groupes de discussion sur la programmation et sur l’électronique.
