Lenguaje de programación Arduino

Lenguaje de programación Arduino

La plataforma Arduino se programa mediante el uso de un lenguaje propio basado en el lenguaje de programación de alto nivel Processing que es similar a C++.

Funciones básicas y operadores

Arduino está basado en C y soporta todas las funciones del estándar C y algunas de C++. A continuación se muestra un resumen con la estructura y sintaxis del lenguaje Arduino:

Sintaxis básica

• Delimitadores:;, {}
• Comentarios: //, /* */
• Cabeceras: #define
• Operadores aritméticos: +, -, *, /, %
• Asignación: =
• Operadores de comparación: ==, !=,:v <, >, <=, >=
• Operadores Booleanos: &&, ||, !
• Operadores de acceso a punteros: *, &
• Operadores de bits: &, |, ^, ~, <<, >>
• Operadores compuestos:
  • Incremento y decremento de variables: ++, --
  • Asignación y operación: +=, -=, *=, /=, &=, |=

Estructuras de control

• Condicionales: if, if...else, switch case
• Bucles: for, while, do. while
• Bifurcaciones y saltos: break, continue, return, goto

Variables

En cuanto al tratamiento de las variables también comparte un gran parecido con el lenguaje C.

Constantes

• HIGH/LOW: representan los niveles alto y bajo de las señales de entrada y salida. Los niveles altos son aquellos de 3 voltios o más.
• INPUT/OUTPUT: entrada o salida.
• false (falso): Señal que representa al cero lógico. A diferencia de las señales HIGH/LOW, su nombre se escribe en letra minúscula.
• true (verdadero): Señal cuya definición es más amplia que la de false. Cualquier número entero diferente de cero es "verdadero", según el álgebra de Boole, como en el caso de -200, -1 o 1. Si es cero, es "falso".

Tipos de datos

• void, boolean, char, unsigned char, byte, int, unsigned int, word, long, unsigned long, float, double, string, array.

Conversión entre tipos

Estas funciones reciben como argumento una variable de cualquier tipo y devuelven una variable convertida en el tipo deseado.

• char(), byte(), int(), word(), long(), float()

Cualificadores y ámbito de las variables

• static, volatile, const.

Utilidades

• sizeof()

Funciones básicas

E/S digital

• pinMode(pin, modo);

• digitalWrite(pin, valor).
• int digitalRead(pin).

E/S analógica

• analogReference(tipo)
• int analogRead(pin)
• analogWrite(pin, valor)

E/S avanzada

• shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, valor)
• unsigned long pulseIn(pin, valor)

Tiempo

• unsigned long millis()
• unsigned long micros()
• delay(ms)
• delayMicroseconds(microsegundos)

Matemáticas

• min(x, y), max(x, y), abs(x), constrain(x, a, b), map(valor, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh), pow(base, exponente), sqrt(x)

Trigonometría

• sin(rad), cos(rad), tan(rad)

Números aleatorios

• randomSeed(semilla), long random(máx), long random(mín, máx)

Bits y Bytes

• lowByte(), highByte(), bitRead(), bitWrite(), bitSet(), bitClear(), bit()

Interrupciones externas

• attachInterrupt(interrupción, función, modo)
• detachInterrupt(interrupción)

Interrupciones

• interrupts(), noInterrupts()

Comunicación por puerto serie

Las funciones de manejo del puerto serie deben ir precedidas de la palabra "Serial" aunque no necesitan ninguna declaración en la cabecera del programa. Por esto se consideran funciones base del lenguaje. Estas son las funciones para transmisión serial:

• begin(), available(), read(), flush(), print(), println(), write()

Manipulación de puertos

Los registros de puertos permiten la manipulación a más bajo nivel y de forma más rápida de los contactos de entrada/salida del microcontrolador de las placas Arduino. Los contactos eléctricos de las placas Arduino están repartidos entre los registros B(0-7), C (analógicos) y D(8-13). Mediante estas variables se observa y se modificada su estado:

• DDR[B/C/D]: Data Direction Register (o dirección del registro de datos) del puerto B, C ó D. Es una variable de Lectura/Escritura que sirve para especificar cuales contactos serán usados como entrada y salida.
• PORT[B/C/D]: Data Register (o registro de datos) del puerto B, C ó D. Es una variable de Lectura/Escritura.
• PIN[B/C/D]: Input Pins Register (o registro de pines de entrada) del puerto B, C ó D. Variable de sólo lectura.

Por ejemplo, para especificar los contactos 9 a 13 como salidas y el 8 como entrada (puesto que el puerto D usa los pines de la placa Arduino 8 al 13 digitales) bastaría utilizar la siguiente asignación:

DDRD = B11111110;

Como se ha podido comprobar, el conocimiento del lenguaje C, permite la programación en Arduino debido a la similitud entre este y el lenguaje nativo del proyecto, lo que implica el aprendizaje de algunas funciones específicas de que dispone el lenguaje del proyecto para manejar los diferentes parámetros. Se pueden construir aplicaciones de cierta complejidad sin necesidad de muchos conceptos previos.

AVR Libc

Los programas compilados con Arduino (salvo en las placas con CorteX M3) se enlazan contra AVR Libc por lo que tienen acceso a algunas de sus funciones. AVR Libc es un proyecto de software libre con el objetivo de proporcionar una biblioteca C de alta calidad para utilizarse con el compilador GCC sobre microcontroladores Atmel AVR. Se compone de 3 partes:

• avr-binutils
• avr-gcc
• avr-libc

La mayoría del lenguaje de programación Arduino está escrita con constantes y funciones de AVR y ciertas funcionalidades sólo se pueden obtener haciendo uso de AVR.

Interrupciones

Las señales de interrupción son las siguientes:

• cli(): desactiva las interrupciones globales
• sei(): activa las interrupciones

Esto afectará al temporizador y a la comunicación serial. La función delayMicroseconds() desactiva las interrupciones cuando se ejecuta.

Temporizadores

La función delayMicroseconds() crea el menor retardo posible del lenguaje Arduino que ronda los 2μs. Para retardos más pequeños se debe utilizar la llamada de ensamblador 'nop' (no operación). Cada sentencia 'nop' se ejecutará en un ciclo de máquina (16 MHz) de aproximadamente 62,5ns.

Manipulación de puertos

La manipulación de puertos con código AVR es más rápida que utilizar la función digitalWrite() de Arduino.

Establecer Bits en variables

cbi y sbi son mecanismos estándar (AVR) para establecer o limpiar bits en PORT y otras variables.

Diferencias con Processing

La sintaxis del lenguaje de programación Arduino es una versión simplificada de C/C++ y tiene algunas diferencias respecto de Processing. Debido a que Arduino está basado en C/C++ mientras que Processing se basa en Java, existen varias diferencias en cuanto a la sintaxis de ambos lenguajes y el modo en que se programa:

Arreglos

Arduino	Processing
int bar[8]; bar[0] = 1;	int[] bar = new int[8]; bar[0] = 1;
int foo[] = { 0, 1, 2 };	int foo[] = { 0, 1, 2 }; o bien int[] foo = { 0, 1, 2 };

Impresión de cadenas

Arduino	Processing
Serial.println("hello world");	println("hello world");
int i = 5; Serial.println(i);	int i = 5; println(i);
int i = 5; Serial.print("i = "); Serial.print(i); Serial.println();	int i="5"; println("i =" + i);

Ejemplo sencillo de programación en Arduino

El primer paso antes de comprobar que la instalación es correcta y empezar a trabajar con Arduino, es usar ejemplos prácticos que vienen disponibles con el dispositivo. Se recomienda abrir el ejemplo “led_blink” el cual crea una intermitencia por segundo en un led conectado en el pin 13.

El código necesario es el siguiente:

# define LED_PIN 13
void setup () {
 // Activado del contacto 13 para salida digital
 pinMode (LED_PIN, OUTPUT);
}
// Bucle infinito
void loop () {
 // Encendido del diodo LED enviando una señal alta
 digitalWrite (LED_PIN, HIGH);
 // Tiempo de espera de 1 segundo (1000 ms)
 delay (1000);
 // Apagado del diodo LED enviando una señal baja.
 digitalWrite (LED_PIN, LOW);
 // Tiempo de espera de 1 segundo
 delay (1000);
}

Bibliografía

• Oxer, Jonathan; Blemings, Hugh (28 de diciembre de 2009). Practical Arduino: Cool Projects for Open Source Hardware (1ª edición). Apress. pp. 500. ISBN 1430224770. http://www.apress.com/book/view/9781430224778. 
• Noble, Joshua (15 de julio de 2009). Programming Interactivity: A Designer's Guide to Processing, Arduino, and openFramework (1ª edición). O'Reilly Media. pp. 768. ISBN 0596154143. http://oreilly.com/catalog/9780596800581/. 
• Banzi, Massimo (24 de marzo de 2009) (en en). Getting Started with Arduino (1ª edición). Make Books. pp. 128. ISBN 9781449363291. https://books.google.com.ar/books?id=Xd3SBQAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=es&source=gbs_atb#v=onepage&q&f=false. 
• Martínez de Carvajal Hedrich, Ernesto (1 de abril de 2016). 100 Proyectos de Robótica con Bitbloq y Arduino (2ª edición). Martínez de Carvajal Hedrich. pp. 386. ISBN 978-8460843177. 
• Martínez de Carvajal Hedrich, Ernesto (10 de octubre de 2016). 50 Proyectos Tecnológicos - Robótica e Impresión 3D (2ª edición). Martínez de Carvajal Hedrich. pp. 296. ISBN 978-8460890447. 
• Martínez de Carvajal Hedrich, Ernesto (15 de diciembre de 2016). Tuneando a Zowi - Proyectos de Robótica y Actividades docentes (1ª edición). Martínez de Carvajal Hedrich. pp. 218. ISBN 978-8461774098. 
• Martínez de Carvajal Hedrich, Ernesto (15 de agosto de 2017). Robótica Educativa con mBot y Arduino (1ª edición). Martínez de Carvajal Hedrich. pp. 282. ISBN 978-8469749326.