Вступление по Bluetooth и плате Arduino

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Цифровая схемотехника»

На тему:

«Проектирование робота-пылесоса на базе платы ArduinoMega»

 

 

Выполнил: Варламов А.В. Студент группы 3-К-6 Проверил: Макаров А.А

 

 

Москва 2016

 

 

Содержание

 

 

 

БОЛЬШОЙ ШТАМ

Разработка робота

Вступление по Bluetooth и плате Arduino

Плата Arduino

Аппаратную платформу “ArduinoMega 2560 ” выпускает итальянская компания “ARDUINO” Платформа построена на микроконтроллере ATmega2560. Плата имеет 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки.

Микроконтроллеры платы Arduino

Микроконтроллеры для Arduino отличаются наличием предварительно прошитого в них загрузчика (bootloader). С помощью этого загрузчика пользователь загружает свою программу в микроконтроллер без использования традиционных отдельных аппаратных программаторов. Загрузчик соединяется с компьютером через интерфейс USB (если он есть на плате) или с помощью отдельного переходника UART-USB. Поддержка загрузчика встроена в Arduino IDE и выполняется в один щелчок мыши.

На случай затирания загрузчика или покупки микроконтроллера без загрузчика разработчики предоставляют возможность прошить загрузчик в микроконтроллер самостоятельно. Для этого в Arduino IDE встроена поддержка нескольких популярных дешевых программаторов, а большинство плат Arduino имеет штыревой разъем для внутрисхемного программирования (ICSP для AVR, JTAG для ARM).

В Arduino IDE от компании, базирующейся на сайте arduino.cc, встроена возможность создания своих программно-аппаратных платформ. Этой возможностью пользуются сторонние компании, добавляющие в Arduino IDE свои наборы плат и компиляторов-загрузчиков к ним. Компания на сайте arduino.org не поддерживает такую возможность.

AVR[править | править вики-текст]

В линейке устройств Arduino в основном применяются микроконтроллеры Atmel AVR ATmega328, ATmega168, ATmega2560, ATmega32U4, ATTiny85 с частотой тактирования 16 или 8 МГц. В старых изделиях применялись ATmega8, ATmega1280 и другие.

ARM Cortex M[править | править вики-текст]

Есть также платы на процессоре ARM Cortex M.^[7]

ESP8266[править | править вики-текст]

Сторонние разработчики портировали в Arduino поддержку популярного Wi-Fi микроконтроллера ESP8266. Теперь компилировать и загружать прошивку для ESP8266 со своими скетчами и поддержкой Wi-Fi можно прямо из Arduino IDE, получая одноплатную схему с поддержкой сети Wi-Fi. Подробное русскоязычное описание процесса установки и доступного API здесь, пример работы здесь.

Intel x86[править | править вики-текст]

В рамках сотрудничества со сторонними производителями в Arduino IDE была включена поддержка некоторых аппаратных средств Intel x86. Intel Galileo (англ.)русск. (процессор Intel Quark X1000 400 МГц), Intel Edison (англ.)русск. и Arduino 101^[8] — Arduino-совместимые платы на Intel x86 архитектуре. Платы механически и электрически совместимы с периферийными платами Ардуино. Платы функционируют под собственной ОС Linux, поверх которой работает приложение, позволяющее загружать и исполнять скетчи Arduino.

 

Bluetooth

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорогое.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса уже — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint».

Профили Bluetooth

Профиль — набор функций или возможностей, доступных для определённого устройства Bluetooth. Для совместной работы Bluetooth-устройств необходимо, чтобы все они поддерживали общий профиль.

Нижеуказанные профили определены и одобрены группой разработки Bluetooth SIG:

· Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) — разработан для передачи двухканального стерео аудиопотока, например, музыки, к беспроводной гарнитуре или любому другому устройству. Профиль полностью поддерживает низкокомпрессированный кодек Sub_Band_Codec (SBC) и опционально поддерживает MPEG-1,2 аудио, MPEG-2,4 AAC и ATRAC, способен поддерживать кодеки, определённые производителем.^[16]

· Audio / Video Remote Control Profile (AVRCP) — разработан для управления стандартными функциями телевизоров, Hi-Fi оборудования и прочего. То есть позволяет создавать устройства с функциями дистанционного управления. Может использоваться в связке с профилями A2DP или VDPT.

· Basic Imaging Profile (BIP) — разработан для пересылки изображений между устройствами и включает возможность изменения размера изображения и конвертирование в поддерживаемый формат принимающего устройства.

· Basic Printing Profile (BPP) — позволяет пересылать текст, сообщения электронной почты, vCard и другие элементы на принтер. Профиль не требует от принтера специфических драйверов, что выгодно отличает его от HCRP.

· Common ISDN Access Profile (CIP) — для доступа устройств к ISDN.

· Cordless Telephony Profile (CTP) — профиль беспроводной телефонии.

· Device ID Profile (DIP) — позволяет идентифицировать класс устройства, производителя, версию продукта.

· Dial-up Networking Profile (DUN) — протокол предоставляет стандартный доступ к Интернету или другому телефонному сервису через Bluetooth. Базируется на SPP, включает в себя команды PPP и AT, определённые в спецификации ETSI 07.07.

· Fax Profile (FAX) — предоставляет интерфейс между мобильным или стационарным телефоном и ПК, на котором установлено программное обеспечение для факсов. Поддерживает набор AT-команд в стиле ITU T.31 и/или ITU T.32. Голосовой звонок или передача данных профилем не поддерживается.

· File Transfer Profile (FTP_profile) — обеспечивает доступ к файловой системе устройства. Включает стандартный набор команд FTP, позволяющий получать список директорий, изменения директорий, получать, передавать и удалять файлы. В качестве транспорта используется OBEX, базируется на GOEP.

· General Audio / Video Distribution Profile (GAVDP) — база для A2DP и VDP.

· Generic Access Profile (GAP) — база для всех остальных профилей.

· Generic Object Exchange Profile (GOEP) — база для других профилей передачи данных, базируется на OBEX.

· Hard Copy Cable Replacement Profile (HCRP) — предоставляет простую альтернативу кабельного соединения между устройством и принтером. Минус профиля в том, что для принтера необходимы специфичные драйвера, что делает профиль неуниверсальным.

· Hands-Free Profile (HFP) — используется для соединения беспроводной гарнитуры и телефона, передаёт монозвук в одном канале.

· Human Interface Device Profile (HID) — обеспечивает поддержку устройств с HID (Human Interface Device), таких как мыши, джойстики, клавиатуры и проч. Использует медленный канал, работает на пониженной мощности.

· Headset Profile (HSP) — используется для соединения беспроводной гарнитуры (Headset) и телефона. Поддерживает минимальный набор AT-команд спецификации GSM 07.07 для обеспечения возможности совершать звонки, отвечать на звонки, завершать звонок, настраивать громкость. Через профиль Headset, при наличии Bluetooth 1.2 и выше, можно выводить на гарнитуру всё звуковое сопровождение работы телефона. Например, прослушивать на гарнитуре все сигналы подтверждения операций, mp3-музыку из плеера, мелодии звонка, звуковой ряд видеороликов. Гарнитуры, поддерживающие такой профиль, имеют возможность передачи стереозвука, в отличие от моделей, которые поддерживают только профиль Hands-Free.

· Intercom Profile (ICP) — обеспечивает голосовые звонки между Bluetooth-совместимыми устройствами.

· LAN Access Profile (LAP) — обеспечивает доступ Bluetooth-устройствам к вычислительным сетям LAN, WAN или Интернет посредством другого Bluetooth-устройства, которое имеет физическое подключение к этим сетям. Bluetooth-устройство использует PPP поверх RFCOMM для установки соединения. LAP также допускает создание ad-hoc Bluetooth-сетей.

· Object Push Profile (OPP) — базовый профиль для пересылки «объектов», таких как изображения, виртуальные визитные карточки и др. Передачу данных инициирует отправляющее устройство (клиент), а не приёмное (сервер).

· Personal Area Networking Profile (PAN) — позволяет использовать протокол Bluetooth Network Encapsulation в качестве транспорта через Bluetooth-соединение.

· Phone Book Access Profile (PBAP) — позволяет обмениваться записями телефонных книг между устройствами.

· Serial Port Profile (SPP) — базируется на спецификации ETSI TS07.10 и использует протокол RFCOMM. Профиль эмулирует последовательный порт, предоставляя возможность замены стандартного RS-232 беспроводным соединением. Является базовым для профилей DUN, FAX, HSP и AVRCP.

· Service Discovery Application Profile (SDAP) — используется для предоставления информации о профилях, которые использует устройство-сервер.

· SIM Access Profile (SAP, SIM) — позволяет получить доступ к SIM-карте телефона, что позволяет использовать одну SIM-карту для нескольких устройств.

· Synchronisation Profile (SYNCH) — позволяет синхронизировать персональные данные (PIM). Профиль заимствован из спецификации инфракрасной связи и адаптирован группой Bluetooth SIG.

· Video Distribution Profile (VDP) — позволяет передавать потоковое видео. Поддерживает H.263, стандарты MPEG-4 Visual Simple Profile, H.263 profiles 3, profile 8 поддерживаются опционально и не содержатся в спецификации.

· Wireless Application Protocol Bearer (WAPB) — протокол для организации P-to-P (Point-to-Point) соединения через Bluetooth.

Рисунок 1

Микроконтроллеры Blutooth

 

Описание модуля Blutooth

В большинстве модулей используется чип BC417, плюс Flash-память. Чип поддерживает спецификацию Bluetooth v2.0 + EDR, AT-команды, может работать в режиме Master или Slave (модули HC-03/HC-5, может устанавливаться AT-командой), поддерживает скорость обмена от 2400 до 1382400.
Напряжение питание модуля составляет 3.3В, ток потребления ~50мА.
Модули HC-03/HC-05 более функциональные, чем HC-04/HC-06.

Рисунок 2
Схема микроконтроллера blutooth

 

Основные выводы модулей HC-04/HC-06:
UART_TX (pin 1), UART_RX (pin 2), UART_CTS (pin 3), UART_RTS (pin 4) - пины UART.
3,3V (pin 12) - питание 3.3В.
GND (pin 13) - общий.
PIO1 (pin 24) - индикатор рабочего режима. Если соединение не установлено - то светодиод мигает, если установлено, то постоянно горит.

Для модулей HC-03/HC-05 есть некоторые отличия. Линии UART и питания те же самые, но:
PIO8 (pin 31) - индикатор рабочего режима.
PIO9 (pin 32) - статус соединения, если соединение установлено, то на выходе будет высокий уровень.
PIO11 (pin 34) - вход включения режима AT-команд (необходимо подать лог. 1).

Рисунок 3
Плата blutooth вид сверху

 

Шаг между выводами в модуле составляет всего 1.5мм, поэтому придется взяться за паяльник и припаять провода к модулю. Всего необходимо припаять 5 проводов, однако светодиод подключать необязательно, он служит для индикации состояния.

Итак припаиваем провода и подключаем Bluetooth модуль следующим образом:
вывод Arduino 3.3В - к 12 пину модуля
вывод Arduino GND - к 13 пину модуля
вывод Arduino TX - к 2 пину модуля RX
вывод Arduino RX - к 1 пину модуля TX

Рисунок 5

Рисунок 6 (пункт 1. Глава 1.6.1)

Рисунок 7 (пункт 2. Глава 1.6.1)

 

 

Рисунок 8 (пункт 3. Глава 1.6.1)

Рисунок 9 (пункт 4. Глава 1.6.1)

Рисунок 10 (пункт 5. Глава 1.6.1)

Рисунок 11 (пункт 6. Глава 1.6.1)

 

Рисунок 14 (Пункт 2)

 

Подключение к Android

Для платформы Android также существуют программы-терминалы. Но необходима специальная программа для работы в терминальном режиме по Bluetooth. Я установил вот эту: Bluetooth Terminal. Достаточно простая программа, ничего лишнего.

В моем Android устройстве нет Bluetooth модуля, но он прекрасно работает и с внешним USB-адаптером, который мы использовали для подсоединения к ПК. Подключаем адаптер по USB, включаем на андроиде bluetooth, находим и вводим пароль для нашего Bluetooth устройства на Arduino и наконец запускаем программу терминал. Нажимаем "Connect a device - Secure" и выбираем наше устройство BOLUTEK. Теперь вы можете отправлять и принимать данные с Bluetooth устройства при помощи терминала.

 

 

Заключение

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Цифровая схемотехника»

На тему:

«Проектирование робота-пылесоса на базе платы ArduinoMega»

 

 

Выполнил: Варламов А.В. Студент группы 3-К-6 Проверил: Макаров А.А

 

 

Москва 2016

 

 

Содержание

 

 

 

БОЛЬШОЙ ШТАМ

Разработка робота

Вступление по Bluetooth и плате Arduino

Плата Arduino

Аппаратную платформу “ArduinoMega 2560 ” выпускает итальянская компания “ARDUINO” Платформа построена на микроконтроллере ATmega2560. Плата имеет 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки.