Методичні рекомендації "Використовуємо Arduino симулятор замість самої плати"

Використовуємо Arduino симулятор замість самої плати

 

Моделювання подій в реальному часі було основою багатьох галузей. Протягом багатьох років деякі великі процеси симуляції були областю аеронавтики і авіації. Сьогодні симулятори Ардуіно дозволяють всім новачкам і професійним проектувальникам вчитися програмувати і тестувати ідеї, не побоюючись втрати енергії даремно разом зі своїми грошима.

Симулятор Arduino - відмінні платформи для програмістів і дизайнерів, які хочуть вивчити основи проектування та схемотехніки. Успіх таких програм пов'язаний з тим, що він надає вам можливість вчитися, не побоюючись пошкодити пристрій. Крім того, учні у яких можуть виникнути проблеми з придбанням електричного устатковання, не маючи поняття про те, як вони будуть функціонувати, можуть зрозуміти багато нюансів через проби і помилки за допомогою цих симуляторів. Це заощадить вам багато грошей і часу. Ще одна велика перевага симуляторів Ардуіно полягає в тому, що він підтримує порядково налагодження, тому користувач точно знає, де і в якому рядку він або вона зробив щось не так.

Чи можна займатися Ардуіно проектами без самого Ардуіно? Виявляється, цілком. Завдяки новому сервісу Tinkercad Circuits Arduino можна не тільки малювати електронні схеми і запускати емулятор електричного кола, а й підключати до проекту віртуальну плату Ардуіно, в яку можна завантажити справжні скетчі. Тінкеркад - безкоштовний, дивно простий і одночасно потужний сервіс, з якого можна починати навчання електроніці та робототехніці. Не потрібно нічого качати, все доступно онлайн.

 

Симулятор або емулятор

Симулятором називають пристрій або сервіс, що імітують певні функції іншої системи, але не претендують на створення точної копії. Це деяка віртуальне середовище, в якій ми просто моделюємо іншу систему. Емулятор - це повноцінний аналог, здатний замінити оригінал. Tinkercad симулює роботу електронних схем і контролера, але при цьому він є емулятором Ардуіно, реалізуючи практично всі базові функції Arduino IDE - від середовища редагування і компілятора до монітора порту і підключення бібліотек.

Що таке Tinkercad?

Tinkercad - це онлайн сервіс, який зараз належить мастодонтів світу CAD-систем - компанії Autodesk. Тінкеркад вже давно відомий багатьом як просте і безкоштовне середовище для навчання 3D-моделювання. З її допомогою можна досить легко створювати свої моделі і відправляти їх на 3D-друк. Зовсім недавно Тінкеркад отримав можливість створення електронних схем і підключення їх до симулятора віртуальної плати Ардуіно. Ці вкрай важливі і потужні інструменти здатні істотно полегшити процеси навчання, проектування та програмування нових схем початківцям розробникам Arduino.

Можливості симулятора Tinkercad для розробника Arduino

• Онлайн платформа, для роботи не потрібно нічого крім браузера і стійкого інтернету.

• Зручний графічний редактор для візуальної побудови електронних схем.

• Набір попередньо встановлених моделей більшості популярних електронних компонентів, відсортоване за типами компонентів.

• Симулятор електронних схем, за допомогою якого можна підключити створений віртуальний пристрій до віртуального джерела живлення і простежити, як воно буде працювати.

• Симулятор датчиків та інструментів зовнішнього впливу. Ви можете змінювати показання датчиків, стежачи за тим, як на них реагує система.

• Вбудований редактор Arduino з монітором порту і можливістю покрокового налагодження.

• Готові для розгортання проекти Arduino зі схемами і кодом.

• Візуальний редактор коду Arduino.

• Вбудовані підручники і величезне співтовариство з колекцією готових проектів.

Не потрібно завантажувати Arduino IDE, не потрібно шукати і викачувати популярні бібліотеки і скетчі, не потрібно збирати схему і підключати плату - все, що нам потрібно, знаходиться відразу на одній сторінці. І, найголовніше - це все дійсно працює!

 

 

Реєстрація онлайн

Для початку роботи необхідно отримати обліковий запис Autocad. Реєстрація в Tinkercad абсолютно безкоштовна. Зайдіть на сайт і виконайте прості кроки. Підтвердивши аккаунт поштою, увійдіть в систему, вказавши введені параметри. У верхньому правому куті ви побачите посилання в особистий кабінет. У режимі редагування профілю ви зможете поміняти свій псевдонім, email, опис, встановити фотографію.

Tinkercad Dashboard - Початкова сторінка

Подолавши етап реєстрації, ми потрапимо на головну сторінку, на якій зліва бачимо список сервісів і під ним - список проектів. Навігація дуже проста, хоча деякі посилання виглядають не дуже помітними, але розібратися, що до чого, можна легко. Вибравши елемент зліва ми бачимо праворуч список відповідних об'єктів. Для розділу Circuits, цими об'єктами будуть схеми і скетчі.

Створюємо і редагуємо проект

Для створення проекту просто натискаємо кнопку «Створити проект», розташовану під списком проектів. Буде створено проект з назвою типу Project N. Натиснувши на нього, ми перейдемо в режим перегляду списку схем, включених в цей проект. Там же ми зможемо змінити властивості проекту (із зазначенням їх назви), натиснувши на відповідний значок відразу під назвою.

Додаємо нову схему Circuits

Створити нову схему в Tinkercad можна двома способами:

В меню зліва вибрати Circuits і праворуч над списком схем вибрати команду Create new Circuit. Нова схема буде створена для будь-якого проекту.

Створити схему в певному проекті. Для цього треба спочатку перейти в вікно проекту, а потім натиснути на кнопку «Create» зверху над списком.

З'явиться перелік типів схем, ми вибираємо Circuit. Створена схема буде доступна в цьому списку і в списку всіх проектів в меню Circuits.

Після виконання команди ви відразу ж перейдете в режим редагування схеми, не вводячи назви. Ім'я для схеми формується автоматично.

• Щоб змінити назву схеми і відредагувати її властивості потрібно перейти в режим перегляду списку схем, навести на область з назвою схеми і натиснути на іконку «Налаштування». Відкриється вікно, в якому ви зможете відредагувати параметри.

• Для видалення схеми треба в тому ж режимі вибрати в налаштуваннях команду «Видалити».

• Для перегляду короткої інформації про схему потрібно просто клацнути на ній

• Для переходу в режим редагування потрібно навести курсор мишки і вибрати інформацію, що з'явилася команду «Змінити».

Всі зміни в процесі редагування схеми зберігаються автоматично. Опис інтерфейсу Тінкеркад в режимі редагування. Натиснувши на команду «Змінити» ми потрапляємо в режим редагування схеми. За допомогою зручного і простого графічного інтерфейсу можна намалювати бажану електричну схему. Ми можемо виділяти, переносити об'єкти, видаляти їх звичним всім способом за допомогою миші. У режимі редагування робоче вікно сервісу поділено на дві половини: знизу розташована панель із закладками - це бібліотека компонентів. Над нею знаходиться область візуального редагування схеми з панеллю інструментів і простором, на якому буде розміщена схема. На смузі інструментів у верхній частині зліва знаходяться основні команди:

• Повернути елемент
  • Вилучити
  • Змінити масштаб за розмірами екрану
  • Скасувати
  • Повтор

Кнопки в правій частині панелі:

• Показати панель програмування, і налагодження

• Показати панель бібліотеки компонентів

• Запустити симулятор схеми

• Експорт в Eagle .brd

• Поділитися

В цілому інтерфейс досить простий, не перевантажений зайвими елементами і інтуїтивно зрозумілий.

Створення схеми в Tinkercad

У більшості випадків для роботи з проектами Arduino виконується наступний алгоритм дій:

1. Створюємо нову схему або відкриваємо існуючу для редагування.

2. Використовуючи візуальний редактор, створюємо схему.

3. Готуємо скетч в редакторі коду і завантажуємо його в віртуальний контролер.

4. Запускаємо режим симуляції, при якій плата віртуально підключається до джерела живлення і схема починає працювати. Вносимо початкові дані для датчиків і спостерігаємо реакцію схеми, як візуально, так і на віртуальному моніторі порту всередині самого сервісу.

Створюємо схему Circuit

Будемо вважати, що проект ми вже створили описаним вище способом. Переходимо в нього і натискаємо на кнопку Create, вибираючи тип - Circuit.

Після цього кроку відкривається візуальне середовище редагування, в якій ми зможемо як намалювати схему, так і написати й налагодити скетч Ардуіно.

 

Підготовка електронної схеми

Створюючи схему, ми виконуємо такий порядок дій:

• Вибираємо потрібні компоненти з бібліотеки компонентів внизу екрану і розміщуємо їх в поле редактора.

• З'єднуємо компоненти за допомогою віртуальних провідників, малюючи їх мишкою.

• Редагуємо параметри компонентів (наприклад, величину опору у резисторів або колір проводів).

 Операція вибору з бібліотеки досить проста. Список елементів знаходиться внизу. Вибравши елемент, ми натискаємо на ньому, потім переміщаємо в потрібне місце на схемі і натискаємо повторно. Вікно із списком компонентів можна приховати або показати, натискаючи на перемикач «Components» в панелі інструментів.

Для роботи є безліч вже готових елементів, від резистора і батарейки до модулів Arduino. Для зручності навігації всі елементи розбиті на три вкладки:

• Basic Components. Основні компоненти

• Allcomponents. Всі доступні компоненти

• Starters. Готові встановлені схеми

Знайдіть у списку будь-яку схему з Arduino і клікніть на неї. Після повторного кліка елементи схеми будуть розміщені в області редагування. Натиснувши на компонент, ми можемо відредагувати його властивості.

Програмуємо скетч віртуального Arduino

Всі інструменти для редагування коду стають доступні після переходу в відповідний режим при натисканні на кнопку «Code Editor» у верхній панелі.

У режимі редагування коду нам доступні наступні варіанти дій:

• Завантажити скетч в «віртуальний контролер» і запустити симулятор.

• Перемикання в візуальний редактор коду типу Scratch.

• Перемикання в текстовий редактор коду.

• Підключення бібліотек.

• Завантажити код на свій комп'ютер у вигляді файлу з розширенням .ino (скетч Ардуіно).

• Запустити відладчик з можливістю створення точок зупинок і моніторингом станів змінних.

• Відобразити або приховати вікно монітора.

• По суті, перед нами повноцінна середовище розробки, що володіє нехай і досить скромним, але цілком достатнім для більшості випадків набором інструментів. А наявність в одному середовищі візуального режиму і механізмів налагодження робить даний сервіс по-справжньому унікальним і вкрай зручним для новачків.

Запускаємо симулятор Ардуіно

Є два способи запуску симулятора. Перший - натиснути на кнопку «Start Simulation» у верхній панелі. Другий - використовувати кнопку Upload & Run в режимі редагування коду. В обох випадках для зупинки роботи симулятора потрібно просто ще раз натиснути на верхню кнопку (в режимі симуляції напис зміниться на «Stop Simulation»). Що відбувається під час симуляції? А практично те ж, що і при підключенні живлення до реальної схемою. Лампочки горять, видаються звуки, двигуни крутяться. Ми можемо відстежувати поточні показники (напруга, струм) за допомогою інструментів моніторингу. А можемо самі створювати зовнішні сигнали, подаючи на датчики необхідні значення і відстежувати потім реакцію програми. Наприклад, можна задати мишкою розташування об'єкта до сенсора відстані та значення освітленості для фоторезистора, повернути ручку потенціометра. Також прекрасно працюють такі елементи як LCD дисплей - ми побачимо, що виводиться прямо на екрані візуального компонента. Немає сенсу описувати детально кожну з можливостей. Упевнений, що будь-який початківець ардуінщик надовго «залипне» за цими інструментами і спробує всі можливості самостійно. Очевидно, що віртуальне середовище ніколи не замінить реальних проектів і справжній інженер просто зобов'язаний реалізовувати свої ідеї «на залізі». Але ось можливість візуалізувати ідеї, накидати можливі варіанти схеми і налагодити роботу скетчу навіть без наявності приладів, в будь-якому місці, де є інтернет - це коштує багато чого.

Підбиваючи підсумки

На завершення цієї статті - короткого знайомства з новим цікавим сервісом Tinkercad Arduino Circuits, хотілося б ще раз підкреслити його ключові можливості: візуальний редактор схем, візуальний і текстові редактори коду, режим налагодження, режим симуляції схем, можливість експорту отриманих скетчів і електричних схем в реальні проекти. Можливо, окремо кожна з цих можливостей краще реалізована в інших потужних інструментах, але зібрані разом, та ще й у вигляді зручного, простого для освоєння web-сервісу, вони роблять Tinkercad вкрай корисним для будь-якого,  початківця, ардуінщика,  для успішного розвитку технічної творчості в STEM-освіті.

Конкуренція на ринку праці вимагає посилення підготовки учнівської молоді з предметів природничо-математичного циклу і в усіх ланках освіти, що передбачає збільшення кількості  STEM-лабораторій, центрів, які надають освіті наукового спрямування, що базується на дослідно-орієнтованому навчанні, спрямованому на поглиблене вивчення профільних предметів та набуття компетентностей, необхідних для подальшої дослідно-експериментальної, конструкторської, винахідницької діяльності закладів, у яких запроваджується STEM-навчання.