عدم نویز پذیری آردوینو و مزایای انتخاب آن در پروژه‌های سخت افزاری صنعتی

از پدید آمدن پلتفرم سخت افزاری آردویینو، حدود ۱۷ سال می گذرد. شاید زمانیکه در سال ۲۰۰۳ سه دانشجوی برق، ساخت یک پلتفرم سخت افزاری که همه، بدون درگیر شدن با پیچیدگی های طراحی مدارهای الکترونیکی بتوانند وارد دنیای برق شوند را به عنوان پایان نامه خود انتخاب کردند، هیچگاه تصور این که روزی پلتفرم آن ها به یکی از ترندهای اصلی دنیای الکترونیک بدل شده و در اکثر پروژه ها، مخصوصا پروژهای صنعتی از آردویینو استفاده شود و یا کاربرد آردوینو در صنعت را از ذهن خود عبور نمی دادند. پلتفرم آردویینو که امروزه یکی از ابزارهای مهم در طراحی پروژهای الکترونیک به شمار می رود، بر خلاف تصور غلط عده ای، یکی از گزینه های اصلی طراحی سیستم های مبتنی بر میکروکنترلر (Embedded Systems) به شمار می رود. گستره کاری آردویینو به قدری وسیع شده که حتی می توان در طراحی PLC ها، نظیر پلتفرمی به نام کنترولینو، این برد جادویی را مشاهده کرد. به هرحال، چه عده ای قبول داشته باشند یا خیر، آردویینو بر خلاف تصور غلط آن ها، نه تنها در پروژه های ساده و آموزشی، بلکه در پروژهای تجاری و صنعتی، به طور روزافزون در حال استفاده است. در این نوشتار، به طور اجمالی به این پلتفرم و فواید کار در آن برای پروژه های مختلف، خواهیم پرداخت. در ادامه، با مرجع آموزش‌های DIY به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.

لینک اجرای این آموزش در لایو اینستاگرام

نگاهی اجمالی به آردویینو

پلتفرم آردویینو، یک پلتفرم نرم افزاری/سخت افزاری است که روند توسعه پروژه را به شدت تسریع می دهد. در قسمت نرم افزار می توان به وجود کتابخانه های بی شمار برای سنسورها و ماژول های مختلف برای اتصال به آردویینو، برنامه ریزی ساده به لطف وجود بوت لودر، محیط برنامه نویسی(IDE) کاربر پسند که قابلیت دانلود و نصب کتابخانه ها درون آن وجود دارد، اشاره نمود. در زیر تصویری از محیط برنامه نویسی آردویینو را مشاهده می نمایید:

در قسمت سخت افزار، بردهای مختلف نظیر آردویینو uno، پرو، مگا و…. تولید شده اند که به سادگی و به لطف وجود کریستال برای واحد کلاک میکروکنترلر، بدون نیاز به مدار جانبی و تنها با اتصال به جریان برق، شروع به کار خواهد نمود. در زیر، تصویری از آردویینو uno که یکی از پرکاربردترین برد آردویینو به شمار میرود را مشاهده می نمایید.

با توجه به تصویر فوق، مشاهده می شود که پایه های GPIO به صورت استاندارد و از طریق پین هدر، قابل دسترسی هستند. از طرفی دیگر، وجود کریستال برای میکروکنترلر، راه اندازی آن را ساده و قابل اعتماد نموده است. همچنین، این برد، با اتصال کابل به رایانه، بدون نیاز به آداپتور اضافی، راه اندازی شده و از طریق همان کابل قابل برنامه ریزی خواهد بود. با توجه به رگولاتورهای به کار رفته بر روی برد آردویینو، به سادگی با یک آداپتور با ولتاژ بین ۷ الی ۱۲ ولت، آردویینو  قابل راه اندازی خواهد بود. حتی به لطف وجود یک رگولاتور ۵V و ۳٫۳V بر روی این برد، شما می توانید بدون نیاز به رگولاتور اضافی، سنسور و ماژول های مختلف نظیر سنسور دما، رطوبت، ماژول GPS و… که اکثرا با ولتاژهای بین ۳٫۳ الی ۵ ولت کار میکنند را به کمک رگولاتور موجود بر روی برد آردویینو به سادگی تغذیه نمایید.

آردوینو انتخاب آموزشی یا صنعتی

یکی از تفکرات رایج و البته اشتباه در رابطه با آردویینو آن است که این برد فقط برای آموزش و سرگرمی تولید شده و به هیچ عنوان نمی توان آن را در پروژه های صنعتی و تجاری به کار برد!!!! اما همانطور که آب مسیر خود را پیدا خواهد کرد، پلتفرم آردویینو به قدری پیشرفت کرده که در پروژه های صنعتی و حتی PLC ها، در حال استفاده است. به عنوان نمونه می توان به برخی از کاربردهای صنعتی این برد، اشاره نمود.

کنترولینو: مجموعه دیوایس های PLC با قابلیت اتصال به اردویینو

کنترلر بی سیم صنعتی که هسته پردازشی آن رزبری پای و خطوط دیتا (I/O) آن با آردویینو طراحی شده است:

کنترلرهای صنعتی با هسته آردویینو:

و بالاخره، آردویینو صنعتی، توسط خود شرکت آردویینو:

برد فوق یک برد صنعتی بوده که نسخه ارتقا یافته آردویینو ۱۰۱ محسوب می شود، نکته جالب اینجاست که این برد در وب سایت آردویینو قرار گرفته است و پاسخ محکمی به استدلال غلط عده است که عنوان می کنند در سایت آردویینوعنوان شده که این برد اصلا قابلیت استفاده در صنعت را ندارد!!!!!! اما این استدلال پوچ و بی محتوا که در سایت ها و گروه های مختلف رواج یافته، از کجا سرچشمه می گیرد؟ در قسمت بعدی این موضوع را مورد بررسی قرار می دهیم.

آردویینو آموزشی و غیر صنعتی است، منبع: وب سایت آردویینو!

همانطور که بیان شد، یکی از استدلال های افراد معتقد به آموزشی و غیر صنعتی بودن آردویینو، که در بسیاری از وب سایت ها رواج یافته است، استناد به متنی با عنوان زیر است:

an easy tool for fast prototyping, aimed at students without a background in electronics and programming

ترجمه عبارت فوق به فارسی چنین است:

یک ابزار ساده برای نمونه سازی سریع و دستیاری برای دانشجویانی که پیش زمینه ای در برنامه نویسی و الکترونیک ندارند.

در ادامه جمله فوق، عبارت زیر می آید که دوستان مخالف آردویینو، آن را به هر دلیلی، نخوانده و یا نمی خواهند بخوانند:

As soon as it reached a wider community, the Arduino board started changing to adapt to new needs and challenges, differentiating its offer from simple 8-bit boards to products for IoT applications, wearable, 3D printing, and embedded environments.

ترجمه عبارت فوق، چنین است:

[آردویینو]به محض اینکه به جامعه کاربری بزرگتری راه یافت، برد آردویینو شروع به تطبیق خود با نیاز ها و چالش های جدید نمود، به طوریکه موضع آردویینو از بردهای ساده ۸ بیتی به محصولات اینترنت اشیا، دیوایس های پوشیدنی، پرینترهای سه بعدی و سیستم های امبدد تغییر کرد.

در اینجاست که این استدلال غلط که در بسیاری از سایت ها به عنوان دلیلی محکمه پسند برای غیر صنعتی بودن آردویینو مطرح شده، به چالش کشیده می شود، جدای از اینکه در وب سایت آردویینو محصولات صنعتی این پلتفرم نیز به فروش می رسد، تقطیع متن و تغییر ترجمه همان متن جدا شده، امری دور از اخلاق حرفه ای است. با مراجعه به لینک متن و مطالعه کامل آن، در می یابیم که آردویینو، گستره وسیعی از کاربران را در بر می گیرد، چه آنان که از این برد در صنعت بهره می برند، چه سیل افراد مشتاق که قصد یادگیری و ورود به صنعت الکترونیک را دارند.

در رابطه با بحث نویز پذیری و هنگ آردویینو، دو موضوع سخت افزاری و نرم افزاری وجود دارد. در مورد موضوع نرم افزاری، اولا با توجه به اینکه محیط برنامه نویسی آردویینو رایگان است، نیازی به کرک ندارد. همانطور که اطلاع دارید، اکثر محیط های برنامه نویسی میکروکنترلرها نظیر کدویژن AVR، در ایران کرک می شوند. همین موضوع سبب کاهش قابلیت اعتماد در کدهای تولد شده خواهد شد، حال آنکه چنین موضوعی در رابطه با آردویینو، با توجه به رایگان بودن محیط برنامه نویسی آن، صدق نمی کند. موضوع بعدی، کیفیت کدهای تولید شده توسط برنامه نویس است، در صورتیکه برنامه نوشته شده با اصول برنامه نویسی صحیح، مغایرت داشته باشد، این موضوع نتیجه ای جز اشکال در عملکرد آردویینو نخواهد داشت. در ادامه اهم این اشکالات را به تفکیک نرم افزار و سخت افزار، مورد بررسی قرار می دهیم.

مشکلات برنامه نویسی و تاثیر آن در آردویینو

۱- حلقه های تکرار بی نهایت: در برخی از موارد، دلیل هنگ برنامه، قرار گرفتن در یک حلقه تکرار بی نهایت است، اینکه برنامه نویس متغیری که مسئول کنترل خروج از حلقه است را در جایی دستگاری نموده و این مورد را فراموش کرده و به دنبال آن، برنامه درون حلقه تکرار بی نهایت قرار گرفته است.

۲- عدم استفاده از متغیر volatile: معمولا کامپایلرها مدی به نام بهینه سازی دارند که در صورتیکه این مد فعال شود، متغیرهای بلا استفاده را پاک خواهند کرد، در صورتیکه متغیری دارید که مقدار آن درون روتین وقفه تغییر می کند، جهت جلوگیری از این موضوع،پیش از تعریف آن از کلمه کلیدی volatile استفاده نمایید.

۳- عدم بازگردانی متغیرهای دریافتی از سیستم(memory leak): در روش های تخصیص حافظه، روشی به نام تخصیص حافظه پویا (dynamic allocation memory) وجود دارد. این روش در حین اجرای برنامه، حافظه ای را از سیستم به کمک دستور new دریافت می نماید. آنچه که مسلم است، پس از دریافت حافظه از سیستم در این روش، می بایست آن را به سیستم با دستور delete برگردانیم. در صورتیکه چنین ننماییم، با توجه به اینکه برنامه در حال اجراست، تعداد زیادی حافظه از سیستم دریافت شده و بعد از چند دقیقه به دلیل اشغال تمام حجم حافظه و عدم بازگردانی آن، سیستم دچار crash شده و اجرای برنامه متوقف خواهد شد، این موضوع از آنچنان اهمیتی برخوردار است که وب سایت adafruit، فعال در زمینه بردهای الکترونیکی نیز در تصویر زیر به آن پرداخته است:

۴- عدم توجه به حجم برنامه: همانطور که اطلاع دارید، برنامه های نوشته شده توسط برنامه نویس بر روی حافظه flash میکروکنترلر آردویینو (AVR)، ذخیره می گردد، در صورتیکه حجم برنامه وارد محدوده غیر مجاز شود، کامپایلر آردویینو این موضوع را مطابق تصویر زیر هشدار خواهد داد، حال اگر طراح سیستم به این هشدار بی اعتنا بوده و یا در حالت بدتر، برنامه تولید شده بیش از حجم حافظه در دسترس باشد، بدیهی و طبیعی است که عملکرد برنامه، پایدار، صحیح و مطمئن نخواهد بود.

۵- حلقه های بی نهایت و عدم تعیین زمان:  در بعضی موارد، نیاز است تا ادامه برنامه را منوط به دریافت مقداری از یک تابع نماییم. این مورد بیشتر در ارتباطات شبکه ای اهمیت پیدا می کند، چرا که در اتصال برد آردویینو به اینترنت، به عنوان مثال اینترنت ماژول های سیم کام، زمانی که در خواستی به سرور ارسال می شود، با توجه به تاخیر ارتباط شبکه ای، نیاز است تا مدت زمانی را برای دریافت پاسخ از سرور صبر کنید. در این مورد، معمولا از یک حلقه تکرار بی نهایت استفاده شده و شرط خروج از حلقه، دریافت جواب از سرور است، این درحالیست که این احتمال وجود دارد تا پاسخ از سرور، هیچ گاه دریافت نشود. در این شرایط، برنامه برای همیشه در حلقه باقی خواهد ماند و  اصطلاحا آردویینو هنگ می کند، در حالیکه برای غلبه بر این مشکل، می بایست مدت زمانی را به کمک تابع ()millis تعیین نمود تا در صورتیکه بعد یک زمان تعیین شده پاسخی از سرور دریافت نشد، برنامه از حلقه خارج شود.

۶- عدم توجه به معماری خاص نرم افزاری پردازنده های ESP8266: همانطور که اطلاع دارید، ماژول های وای فای ESP8266، در کنار اتصال به شبکه و اینترنت، این قابلیت را دارند تا برنامه ریزی نیز، شوند. یکی از کامپایلرهای محبوب و کاربردی در این زمینه، محیط برنامه نویسی آردویینو است. به کمک این کامپایلر، بدون هیچ تغییری در برنامه نویسی و یا نیاز به یادگیری زبان جدید، می توانید به سادگی این برد را همانند یک برد آردویینو، پروگرام نمایید. اما نکته بسیار مهم در رابطه با معماری نرم افزاری این پردازنده است. بر روی ماژول های ESP8266، یک سیستم عامل به نام FREE RTOS وجود دارد که وظیفه کنترل وظایف (TASK) برنامه نوشته شده توسط برنامه نویس و عملیات شبکه ای را بر عهده دارد. یکی از مهم ترین مسایلی که برنامه نویسان در هنگام کار با این ماژول می بایست در نظر بگیرند، حلقه های تکرار بی نهایت است. از آنجاییکه این سیستم عامل در حال رسیدگی  به کدهای برنامه نویس و کنترل وضعیت شبکه ای است، در صورتیکه یک حلقه تکرار بی نهایت با زمان بالا در کد خود قرار دهید، برنامه همانجا متوقف شده و سیستم عامل دیگر نمی تواند به وظایف شبکه ای خود رسیدگی کند، در نهایت این موضوع سبب crash کردن پردازنده ESP8266 و توقف اجرای برنامه خواهد شد. در این مواقع، می بایست از تابع ()yield در حلقه خود استفاده نمایید؛ این تابع به شما کمک می کند تا حین قرار گرفتن در حلقه تکرار، سیستم عامل بتواند فرصت سوییچ به وظایف شبکه ای خود را پیدا کرده و در نتیجه از carsh  شدن برنامه، جلوگیری می نماید. البته شما می توانید با قراردادن تابع delay نیز این فرصت را به سیستم عامل دهید، اما بهینه ترین حالت(از نظر تاخیر زمانی) استفاده از همین تابع yield است. در صورتیکه از کتابخانه های آردویینو برای این ماژول، نظیر کتابخانه صفحه کلید استفاده می نمایید، حتما به سراغ سورس کدهای کتابخانه رفته و درصورت مشاهده حلقه تکرار بی نهایت، این موضوع را در کتابخانه، مد نظر قرار دهید، چراکه عدم توجه به این موضوع، سبب مرگ سیستم طراحی شده خواهد شد.

مشکلات سخت افزاری و تاثیر آن در آردویینو

۱- عدم  ایزولاسیون صحیح مابین مدار فرمان و مدار قدرت: در مدار های کنترل رله، یکی از مشکلات  رایج، هنگ کردن آردویینو پس از فرمان به رله است، دلیل این امر را می توان در نویز الکترومغناطیسی حاصل از اتصال مابین کنتاکت های رله جستجو کرد. برای حل و رفع این مشکل، می بایست واحد فرمان به رله(آردویینو) به طور کامل از واحد قدرت(رله) جداسازی و یا ایزوله گردد؛ روش مفید و کاربردی برای این موضوع، استفاده از قطعه ای به نام اپتوکوپلر است. به کمک این قطعه، جریان الکتریکی نه از طریق سیم(یا مسیر ترک فیبر مدار چاپی) که خود یک آنتن و تقویت کننده نویز، که از طریق نور انتقال پیدا خواهد کرد. بنابراین، اثر نویز و عدم عملکرد صحیح آردویینو، که به نظر می رسد اولین تاثیر مخرب این نویز بر روی مدار کلاک میکروکنترلر خواهد بود، از بین خواهد رفت.

۲- عدم توجه به سطح ولتاژ منطقی در ورودی آردویینو: این مورد، یکی از شایع ترین ایرادات در حین کار با برد آردویینو با هسته AVR است. همانطور که اطلاع دارید، ورودی های دیجیتال آردویینو و یا به طور کلی هر میکروکنترلر دیگر، صفر و یا یک منطقی را به عنوان ورودی می پذیرند. از طرفی دیگر، با توجه به مباحث پایه ای در زمینه الکترونیک دیجیتال، صفر و یک منطقی، دارای محدوده ولتاژی هستند. به عبارت دیگر، ۱ منطقی، یک بازه ولتاژ و صفر منطقی نیز بازه ولتاژی مخصوص به خود را دارد. با توجه به دیتاشیت میکروکنترلر ATMEGA328P که هسته آردویینو uno به شمار رفته و از طرفی دیگر برد آردویینو uno تغذیه ۵ ولت را برای خود انتخاب کرده است، حدود ولتاژ برای سطوح منطقی، به صورت زیر است:

با توجه به جدول فوق، می بایست برای صفر و یا یک منطقی خود در ورودی، بازه صحیح ولتاژی را در نظر بگیرید. با توجه به ولتاژ ۵ ولت آردویینو uno، یک منطقی از ۰٫۶ مقدار ۵ ولت، یعنی ۳ ولت الی ۰٫۵ ولت بیشتر از تغذیه ۵ ولت، یعنی ۵٫۰۵ قرار می گیرد، همچنین صفر منطقی  از ۰٫۵- الی ۰٫۲ تغذیه ۵ ولت، یعنی ۱ ولت قرار میگیرد. دقت داشته باشید که هر ولتاژی که بین ۱ الی ۳ ولت قرار گیرد، جزو حاشیه نویز محسوب شده و به صورت تصادفی، صفر و یک منطقی تولید خواهد شد.

۳- عدم قرار دادن مقاومت PULL DOWN/PULLUP در ورودی: یکی از مواردی که باعث ایجاد نویز و خطا در ورودی آردویینو می شود، عدم استفاده از مقاومت های PULL UP(برای یک منطقی)  و PULLDOWN(برای صفر منطقی) است. در صورتیکه یک پایه از آردویینو به صورت ورودی تعریف شود، حتما می بایست برای آن یک مقدار پیش فرض(صفر یا یک) به کمک مقاومت ایجاد نمود، چراکه عدم استفاده از این مقاومت ها، سبب ایجاد مقادیر تصاذفی در ورودی،به دلیل وجود نویزهای محیطی، خواهد شد. در زیر تصویری از این مقاومت ها مشاهده می نمایید:

البته در برد آردویینو uno، از مقاومت پول آپ داخلی به ازای هر پایه ورودی/خروجی استفاده شده که که به شکل زیر آن را می توانید در ابتدای برنامه و در تابع setup، فعال نمایید:

pinMode(pin, INPUT);
digitalWrite(pin, HIGH);

توجه داشته باشید که بردهای آردویینو مقاومت PULLDOWN داخلی نداشته و خود می بایست آن را در ورودی اعمال نمایید. برای مقاومت PULLDOWN نیز، با توجه به تجربه نگارنده، یک مقاومت ۱۰K اهم در اکثر مواقع، کفایت می کند.

۴- استفاده از خازن مناسب در تغذیه: در بعضی مواقع مشاهده می گردد که المان های بسیاری نظیر انواع سنسورها و نمایشگر، به رگولاتور ۵v آردویینو متصل شده اند. از طرفی، هر سنسور برای کار نیاز به جریان مصرفی مشخصی داشته و این احتمال نیز وجود دارد که در زمانهایی، شاهد پیک جریانی بالا برای سنسور باشیم. این مسئله سبب ساز ایجاد تغییراتی در ولتاژ تغذیه آردویینو شده و در نتیجه می تواند بر روی عملکرد آن، تاثیر منفی داشته باشد. در این مواقع، استفاده از خازن به طور موازی با تغذیه سنسورها، می تواند مانع ایجاد تغییر در ولتاژ شده و عملکرد صحیح آردویینو را تضمین نماید.

جمع بندی

در این نوشتار، به توانایی استفاده از آردویینو در پروژهای تجاری و صنعتی پرداخته و تفکر غلطی که درباره آزمایشگاهی و آموزشی بودن این پلتفرم مرسوم شده است را مورد نقد قرار دادیم، همچنین در رابطه با اشکالات و خطاهای رایج برنامه نویسی و طراحی مدار که سبب عدم عملکرد صحیح این برد می شوند، به شرحی مفصل، پرداختیم. در سال های اخیر پلتفرم آردویینو به قدری وسیع و رایج شده که برای هر سنسور، نمایشگر، ماژول و… می توان کتابخانه آن را تحت این پلتفرم را یافت. اگر در روزگار پیشین، برای راه اندازی یک سنسور و یا نمایشگر، نیاز بود تا ساعت ها به مطالعه دیتاشیت آن پرداخته و بعد از صرف مدت زمانی طولانی برای درک عملکرد آن، موفق به راه اندازی آن شویم، اکنون به لطف وجود آردویینو و اقبال بازار به سمت این پلتفرم، به سادگی و بدون نیاز به صرف زمان بیهوده، می توانیم ماژول و یا سنسور خود را در کوتاهترین زمان ممکن، راه اندازی نماییم. در نهایت، به عنوان سخن پایانی، در روزگاری که تکنولوژی با شتابی بی سابقه در حال اوج گیری است، هزینه تنها هزینه مالی نیست، هزینه زمانی، مدت زمانی که طول می کشد تا یک پروژه به سرانجام برسد، یکی از پارامترهای تاثیر گذار در گردشکار پروژه خواهد بود.

چنانچه نسبت به آردوینو همچنان شک دارید و یا تصور میکنید، انتخاب مناسبی نیست، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد.