Arduinoの使い方の簡単な解説。シミュレータでの実習。

1. ロボットシステム学
第3回
上田隆一

2. 本日の内容
• Arduino
• Arduinoのシミュレータ
– 手を動かしましょう
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 2

3. Arduinoの概要
• AVRマイコンを搭載したマイコンボード
– ATmega328P
– オープンソースハードウェア
• 仕様が公開されている
• 2005年イタリア発
– 学生向けの
プロトタイピングシステム
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 3

4. Arduinoの構成（Arduino Unoの場合）
• ブレッドボード等で回路を試作しやすいような配慮
• もちろん試作だけでなくシステムでの利用も可
• Arduinoでプログラミングしてマイコンを外して利用可
• 部品
– マイコン（AVR）: ATmega328P
– ピンソケット
• マイコンの端子とつながっていてジャンパー線が挿せる
– USBソケット: シリアル通信・電源の供給
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 4

5. ピンソケットの配置
• ほぼマイコンと直結されている
• マイコンから遠い側の配置
– 0〜13のディジタルI/O
• 「~」がついているものはPWMの機能が利用可能
• 0,1番（TX、RX）はシリアル通信にも使える
– GND: グラウンド
– AREF: アナログ入力の基準電圧入力用
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 5

6. • マイコンから近い側の配置
– A0〜A5: アナログ入力（ADコンバータ）
– Vin: 外部電源の線と直結
– 3.3V: レギュレータからの電源供給
• 最大電流はボードの購入先の資料で
確認のこと（オープンソースハードなので）
– 5V: USBあるいはレギュレータからの電源供給
– RESET: リセット
– IOREF: ボードの電圧を出す（外から3.3Vか5Vを判別するため）
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 6

7. Arduinoの構成（ソフトウェア）
• 生身のマイコンにつきものの面倒臭さの除去
– 予めブートローダが書き込まれている
– ブートローダの役割
• 電源を入れたときに既存のスケッチを起動
• PC側からプログラム（Arduino用語でスケッチと呼ぶ）を
受信したら、フラッシュメモリに書き込んで起動
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 7

8. Arduinoを使う場合/使わない場合
• Arduinoの欠点
– ボードを使うと生身のマイコンより面積をとる
– 完全にマイコンをコントロールしたい場合には
マイコンのこともArduinoのことも知る必要がある
• 特に割り込み回り
• 生身のマイコンを使うかArduinoの方法に従うか
– とりあえずArduinoみたいな簡単なもので困ったら
生身のマイコンを使えばよい
– 使わない人がいたら理由をよく聞くと勉強になる
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 8

9. プログラムを動作させるまでの流れ
• PCでArduinoのIDEを
ダウンロード・インストール
– https://www.arduino.cc/en/Main/Software
– IDE: integrated development environment
（統合開発環境）
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 9

10. • コードを書く
– IDE上/エディタ
– コードはファイルと同名のディレクトリに保存される
• Arduinoのポートを選択
• コンパイル&転送
– IDEの画面上の矢印ボタンを押す
– 勝手に動き出す
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 10

11. Arduinoのプログラム例
• LEDを点滅させる最も簡単なもの
– リポジトリ
– コードの簡単な解説
• setup関数
– 最初に1回だけ呼ばれる
• loop関数
– 繰り返し呼ばれる
• 13番ピンの電圧のHIGH/LOW（5V/0V）でLEDが光る
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12. ポイント
• 13番ピンの入出力の方向を指定
– マイコンがINPUT/OUTPUTを切り替えられるので
• digitalWriteという関数で電圧（HIGH/LOW）を変更
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13. シミュレータを使って確認
• やること
– シミュレータ（ 123D CIRCUITS）で今の回路と
等価なものを作成
– ただしLEDに抵抗をつけましょう
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 13

14. アナログ出力の使い方
• 3, 5, 6, 9, 10, 11番ピンはPWMを
内部で行ってくれる
• PWM（pulse width modulation, パルス幅変調）
– ディジタル出力の電圧を短時間に周期的に切り替え
– HIGHの時間とLOWの時間を加減することで
平均で消費される電力を増減
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 14

15. PWMの例（LEDの光量調整）
• アナログ出力の例の前に・・・
– ディジタル出力でもPWMはできる
• 左: HIGH:LOW = 19:1（デューティー比: 19/20）
• 右: HIGH:LOW = 1:19（デューティー比: 1/20）
– 面倒なこと
• 周期の短さに限界
（※ 50Hzより長いとチラつく）
• ループを一つ占拠
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16. • アナログ出力を使う
– 回路とコードの例
– ポイント
• analogWrite関数を用いる
• 0 から 255 の整数値でデューティー比を与える
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17. アナログ入力
• 回路とコードの例
– 光センサから読んだ値とLEDの明るさの連動
• ポイント
– analogRead関数でピンへの電圧を読み取る
• 0が0V、1023が5Vに対応
– analogWriteへの入力は0から255までなので、
A0から読んだ値は4で割る
– シミュレータで作ってみましょう
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 17

18. 補遺: チャタリング
• チャタリング: 微小時間に HIGH 状態と
LOW 状態が細かく振動
• シミュレータのスイッチは
チャタリングしないので注意
• 例
– 右の回路で
チャタリング
を起こすコード
– シミュレータ
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 18

19. 次回以降
• 次週: Arduinoでモータを扱う
– 123D Circuitsを使った課題を出します
• 次々週以降: Linuxにシフトしていきます
– Raspberry Pi
– ROS
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