Atelier de Forma

1
Atelier de FormaçãoIniciação à robótica móvel
DEAR Robot

• Bases de Programação

Associação Nacional de Professores de
Electrotecnia e Electrónica
2
Microcontrolador

• Circuito integrado em alta escala (VLSI) que
  incorpora a maior parte dos elementos que
  constituem um controlador e se destina a uma
  determinada tarefa.
• Costuma estar incorporado no dispositivo que
  controla (controlador embebido - embedded
  controller).

3
Aplicações

• indústria informática (periféricos rato,
  teclado,...)
• electrodomésticos (fornos, máq. lavar, vídeos,
  etc)
• sistemas AVACs
• telecomunicações
• indústria automóvel

4
Constituição

• Um microcontrolador dispõe normalmente dos
  seguintes elementos
• processador ou CPU
• memória de dados (RAM)
• memória de programa (ROM/PROM/EPROM/EEPROM)
• linhas de entrada/saída (E/S) programáveis

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Constituição

• módulos de controlo de periféricos (portos série,
  paralelo,USB,I2C,etc.)
• gerador de impulsos de relógio
• temporizadores
• cão-de-guarda (watchdog)
• conversores A/D e D/A
• comparadores analógicos

6
microprocessador vs. microcontrolador

• o microprocessador é um sistema aberto
• constrói-se um computador com as características
  desejadas juntando os módulos necessários
• o microcontrolador é um sistema fechado
• contem um computador completo e as suas
  prestações limitadas não se podem modificar

7
Estrutura de um microprocessador
8
Estrutura de um microcontrolador
9
Arquitectura interna de um microprocessador
UCP
bus comum de endereços
Memória
Instruções dados
8
bus de dados e instruções
Arquitectura von Neumann ou Princeton
10
Arquitectura interna de um microcontrolador
bus de endereços de instruções
bus de endereços de dados
UCP
Memória de dados
Memória de Instruções
9
10
8
14
bus de instruções
bus de dados
Arquitectura Harvard
11
Arquitectura interna de um microcontrolador

• RISC - Reduced Instruction Set Computer (35 no
  16F84)
• versus
• CISC - Complex Instruction Set Computer (150 no
  8086)

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Arquitectura interna de um microcontrolador

• Memória de Programa
• Tipologia
• PROM (Programmable Read Only Memory)
• EPROM (Electrically PROM)
• OTP (One Time Programmable)
• EEPROM (Electrically Erasable PROM)
• FLASH

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Arquitectura interna de um microcontrolador

• Memória de Dados
• SRAM (Static RAM)
• EEPROM

14
Arquitectura interna de um microcontrolador

• Programação
• linguagem assembly
• linguagens HLL (High Level Language)
• Pascal, Basic, JAL, C
• Compiladores vs. Interpretadores

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Picaxe 28X

• Características
• 600 linhas código
• 21 pinos E/S
• 9-17 saídas
• 0-12 entradas
• 0-4 entradas A/D
• 2 saídas PWM

16
Picaxe 28X
Entradas Analógicas ou Digitais
Pinos de Saída
Pinos de Entrada/Saída configuráveis
Pinos de Entrada/Saída configuráveis
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Picaxe 28X
Entradas Analógicas A/D
Pinos de Saída PWM
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Linguagens de programação

• PBasic (compatível com Basic Stamp).
• Ambiente integrado de desenvolvimento com suporte
  para programação gráfica por fluxogramas.
• Editor, compilador, programador,debugger e
  simulador incorporados.

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Lógica de Programação

• O paradigma tradicional
• Pressupõe um modelo do mundo

Interpretação dos sensores
Modelo do Mundo
Sensores
Execução
Planeamento
Actuadores
20
Lógica de Programação

• O paradigma das interacções prioritárias de
  Rodney Brooks
• Utiliza uma estratégia em que só os sensores são
  os iniciadores dos comportamentos.
• Os comportamentos são sistemas em camadas de
  controlo que funcionam em paralelo, cada vez que
  os sensores apropriados são activados.
• Um sistema de arbitragem de prioridades é
  utilizado para activar o comportamento dominante.
• Todos os comportamentos funcionam em paralelo,
  com os de mais alto nível a suprimirem o
  funcionamento dos de nível inferior.

21
Lógica de Programação

• O paradigma das interacções prioritárias de
  Rodney Brooks
• Exemplo

Escapar
Bumpers
Detectar_Cor
Sensor Cor
S
SeguirPista
Sensor Pista
Motores
S
Sensor Procedimento Actuador
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BASIC
Programa dados instruções

• Elementos da Linguagem de Programação BASIC
• Símbolos
• Variáveis
• Constantes
• Instruções

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BASIC

• LABELS
• As labels (etiquetas) são usadas como marcadores
  em todo o programa. As labels são usadas para
  marcar uma posição para onde saltar no programa
  através de uma instrução goto, gosub ou outra
  instrução.
• Uma label pode ser qualquer palavra (não
  reservada) e pode conter dígitos e o carácter
  underscore ( _ ). As labels devem ter como
  carácter inicial uma letra (não um dígito), e são
  definidas com o sinal dois-pontos () a seguir ao
  nome. O sinal não é necessário quando a label faz
  parte integrante de instruções.

24
BASIC

• O compilador não é case-sensitive (sensível a
  maiúsculas), pelo que podem ser usadas
  indiscriminadamente maiúsculas e minúsculas.
• Exemplo
• ciclo
• high 1 liga a saída 1
• pause 500 espera de 5 segundos
• low 1 desliga a saída 1
• PAUSE 500 espera de 5 segundos
• goto Ciclo salto para o início

25
BASIC

• Espaços em branco e Sintaxe
• Whitespace (espaço em branco) é o termo utilizado
  pelos programadores para definirem a área branca
  na impressão de um programa. Nela se incluem os
  espaços, as tabulações e as linhas vazias.
  Qualquer uma delas pode ser utilizada no programa
  para o tornar mais compreensível e facilitar a
  leitura.
• Convencionou-se colocar as labels encostadas à
  esquerda. Todas as outras instruções devem ser
  espaçadas através da tecla de tabulação. Esta
  convenção torna o programa mais fácil de ler e de
  seguir.

26
BASIC

• COMENTÁRIOS
• Os comentários começam por um apóstrofe () ou
  ponto e vírgula () e continuam até ao fim da
  linha. A instrução REM pode também ser utilizada
  para inserir comentários.
• Exemplos
• high 0 coloca pin0 alto
• high 2 coloca pin2 alto
• REM coloca pin3 alto

27
BASIC

• CONSTANTES
• As constantes podem ser declaradas de quatro
  modos diferentes
• decimais, hexadecimais, binárias e ASCII.
• Os números decimais são escritos directamente sem
  qualquer prefixo.
• Os números hexadecimais (hex) são precedidos pelo
  sinal dólar ().
• Os números binários são precedidos pelo sinal de
  percentagem ().
• Os valores ASCII são colocados entre plicas ().

28
BASIC

• Exemplos
• 100 100 em decimal
• 64 64 hex
• 01100100 01100100 binário
• A A ascii (65)
• Hello Hello equivalente a H, e,
  l, l, o.
• B1 B0 AA ou exclusivo da variável
  B0 com AA hex

29
BASIC

• SÍMBOLOS
• Os símbolos podem ser associados a valores
  constantes, nomes alias (alternativos) para
  variáveis e endereços de programa. Os valores
  constantes e os nomes alias de variáveis são
  atribuídos fazendo seguir ao nome do símbolo o
  sinal de igual (), seguido da variável ou
  constante.
• Os símbolos podem utilizar qualquer palavra que
  não seja reservada (instruções).
• Os símbolos podem conter letras e números, mas o
  primeiro carácter é obrigatoriamente uma letra. O
  uso dos símbolos não aumenta a dimensão do
  programa e torna-o mais legível.

30
BASIC

• Os endereços de programa são atribuídos fazendo
  seguir o símbolo pelo sinal dois pontos ().
• Exemplo
• symbol LED_E 7 define um pino de saída
• symbol CONTA B0 define o símbolo de uma
  variável
• let CONTA 200 carrega a variável com o valor
  200
• CICLO define endereço de programa
• high LED_E liga a saída 7
• pause CONTA espera 0,2 segundos (200
  milisegundos)
• low LED_E desliga a saída 7
• pause CONTA espera 0,2 segundos
• goto CICLO salta para o início CICLO

31
BASIC

• Compreendendo a memória do PICAXE
• A memória do PICAXE é constituída por três áreas
  diferentes. A quantidade de memória varia
  conforme o tipo de PICAXE.
• Memória de Programa
• A memória de programa é onde o programa é
  guardado após uma transferência (download).
  Trata-se de uma memória rápida tipo FLASH, que se
  pode reprogramar até cerca de 100 000 vezes. O
  programa não se perde quando se desliga a
  alimentação, pelo que é executado assim que esta
  é ligada de novo. Não é normalmente necessário
  apagar um programa, pois cada novo download
  reprograma toda a memória.

32
BASIC

• Num PICAXE28X pode carregar cerca de 600 linhas
  de programa. Este valor é aproximado, pois cada
  instrução ocupa espaços diferentes em memória.
• Para verificar a memória livre basta seleccionar
  o menu PICAXEgtCheck Syntax.
• Memória de Dados
• A memória de dados é um espaço adicional de
  memória do microcontrolador. Os dados também não
  são perdidos quando se desliga a alimentação. Em
  cada transferência de dados (download) esta
  memória é posta a 0.

33
BASIC

• RAM (Variáveis)
• A memória RAM é usada para guardar dados
  temporários em variáveis durante a execução do
  programa. Esta memória perde toda a informação
  quando se desliga a alimentação. Existem três
  tipos de variáveis usos gerais, armazenamento e
  funções especiais.

34
BASIC

• Variáveis de Usos Gerais (GPR General Purpose
  Registers)
• Existem 14 variáveis de usos gerais tipo byte.
  Estas variáveis byte são designadas b0 a b13. As
  variáveis tipo byte (8 bits) podem guardar
  números inteiros entre 0 e 255.
• Para números maiores podem combinar-se duas
  variáveis byte de modo a criar uma variável word,
  que é capaz de guardar números inteiros entre 0 e
  65535.

35
BASIC

• Estas variáveis word são designadas w0 a w6, e
  são construídas do seguinte modo
• w0 b1 b0
• w1 b3 b2
• w2 b5 b4
• w3 b7 b6
• w4 b9 b8
• w5 b11 b10
• w6 b13 b12

36
BASIC

• Para além disso os bytes b0 e b1 (w0) podem ser
  divididos em variáveis bit.
• As variáveis bit podem ser utilizadas onde for
  necessário guardar um único bit (0 ou 1) numa
  variável
• b0 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1
  bit0
• b1 bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10
  bit9 bit8
• Pode utilizar qualquer variável word, byte ou bit
  numa expressão matemática ou instrução que
  utilize variáveis.

37
BASIC

• Variáveis para Funções Especiais (SFR)
• As variáveis disponíveis para funções especiais
  dependem do tipo de PICAXE.
• pins representa o dado lido no porto de entrada
• pins representa o porto de saída na escrita
• Note que pins é uma pseudo variável que se pode
  aplicar tanto a portos de entrada como de saída.
• Quando usado à esquerda de uma expressão de
  atribuição de pinos aplica-se ao porto de saída.

38
BASIC

• Por exemplo,
• let pins 11000011
• vai colocar as saídas 7,6,1,0 altas e as
• restantes baixas.
• O sinal indica ao compilador que se está a
  trabalhar em binário, em vez de decimal.
• Quando usado à direita de uma expressão de
  atribuição de pinos aplica-se ao porto de entrada
  (porto C no PICAXE28X).
• Por exemplo,
• let b1 pins
• vai guardar em b1 o estado actual do porto de
  entrada.

39
BASIC

• A variável pins está separada em variáveis bit
  individuais para leitura de entradas bit
  individuais através da instrução if...then.
• pins pin7 pin6 pin5 pin4 pin3 pin2
  pin1 pin0

40
Programming Editor

• Instalação e password (picaxebegin)
• Configuração (Menu View/Options)

Mode PICAXE-28X Options 4MHz Serial
Port Language
41
Programming Editor

• Programação em BASIC
• Programação por Fluxograma

42
Programming Editor

• Programação por Fluxograma

• Simbologia
• Início/Fim
• Processo acção a ser realizada
• E/S define entradas e saídas
• Decisão a tomar
• Conector
• Subrotina

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Programming Editor-exemplo
main label_6 low 4 label_D if pin01 then
label_19 goto label_D label_19 high
4 label_20 if pin00 then label_6 if pin61
then label_4D if pin71 then label_44 goto
label_20 label_44 gosub blue goto
label_6 label_4D gosub red goto label_6
44
Programming Editor-exemplo
As coisas complicam-se
45
BASIC

• Instruções BASIC essenciais
• Controlo de pinos de Saída
• high 1
• low 2
• pins00000110
• high portc 1
• Leitura de pinos de entrada
• b0pins
• if pin01

46
BASIC

• Saídas PWM
• Instrução pwmout
• Sintaxe
• PWMOUT pino, período, dutycycle
• Pino é uma variável/constante que especifica o
  pino E/S
• a usar (1 ou 2).
• Período é uma variável/constante (0-255) que
  estabelece
• o período do sinal de PWM.
• Duty cycle é uma variável/constante (valor de 10
  bits,
• logo, de 0-1024) que define o ciclo de trabalho
  (tempo
• em que o sinal está alto em cada período).

47
BASIC

• Esta instrução difere de todas as outras pelo
  facto de ser executada continuamente
  (independente do resto do programa) até que outra
  instrução pwmout seja enviada.
• Para parar o sinal pwmout, basta enviar uma
  instrução pwmout com o período 0.
• Período PWM (período 1) x 4 x (1/4000000)
  (período 1) us
• Ciclo Trabalho (dutycyle) x (1/4000000)
  (dutycycle)/4 us

48
BASIC

• Exemplo Controlo de um motor
• Programa
• Inicio
• high 7
• low 6
• pwmout 1,100,300
• end

49
BASIC

• Salto incondicional
• goto label
• Controlo de fluxo
• If condição then label

50
BASIC

• inicio
• if pin6 0 then direita
• goto esquerda
• esquerda
• low 7
• low 6
• high 5
• low 4
• pwmout 1,10,25
• pwmout 2,10,25
• goto inicio

direita high
7 low 6 low 5 low 4 pwmout 1,10,25 pwmout
2,10,25 goto inicio

51
BASIC

• if then
• if and then
• if or then
• Sintaxe
• IF variável ?? valor (AND/OR variável ?? valor
  ...) THEN endereço
• Variável (s) é comparada com o valor(s).
• Valor é uma variável/constante.
• Endereço é uma label (etiqueta) que especifica
• o endereço para onde saltar se a condição
• se verificar (for verdadeira).

52
BASIC

• ?? pode ser qualquer uma das seguintes condições
• igual a
• ltgt não igual a (diferente)
• ! não igual a (diferente)
• gt maior que
• gt maior que ou igual a
• lt menor que
• lt menor que ou igual a

53
BASIC

• Seguimento de pista
• Com 1 sensor
• Com 2 sensores
• Com 3 sensores
• Com 3 sensores e flags

54
Esquema de ligações
55
BASIC

• Subrotinas
• Os procedimentos ou subrotinas, são largamente
  utilizados na programação para reduzir o tamanho
  dos programas, usando secções de código que se
  repetem num único procedimento. A passagem de
  valores para o procedimento, por variáveis,
  permite repetir a mesma secção de código a partir
  de várias localizações do programa.

56
BASIC

• GOSUB endereço Return
• Endereço é uma label (etiqueta) que especifica o
  endereço.
• Função
• Salta para a subrotina (procedimento) localizado
  no endereço, regressando quando encontra a
  instrução return. São permitidas até 16 GOSUBs
  (ou 256 no Picaxe 28X), podendo ser aninhadas até
  4 níveis.

57
BASIC

• GOSUB endereço Return
• Informação
• A instrução gosub (ir para um procedimento), é um
  salto temporário para uma secção separada do
  código, de onde regressará, através da instrução
  return.
• Cada instrução gosub, deve ter uma instrução
  return correspondente.
• Não deve confundir esta instrução com a instrução
  goto, que é um salto incondicional para uma nova
  localização no programa.

58
BASIC

• Vantagens face ao spagheti dos gotos.
• Programa
• If pin01 then

59
BASIC

• Ciclos repetidos
• for next
• Sintaxe
• FOR variável inicio TO fim STEP -
  incremento
• NEXT variável
• Variável vai ser usada como um contador
• Início é o valor inicial da variável
• Fim é o valor final da variável
• Incremento é um valor opcional que se sobrepõe ao
  valor de incremento normal do contador (1). Se o
  incremento for precedido de um -, será
  considerado que Fim é menor que Inicio e,
  portanto, o valor de incremento é subtraído cada
  vez que o ciclo se realiza.

60
BASIC

• Informação
• Os ciclos for next são utilizados para repetir
  secções de código um certo número de vezes.
  Quando se usa uma variável byte, o ciclo
  repete-se até 255 vezes. Cada vez que a linha
  next é encontrada, o valor da variável
  eincrementado (ou decrementado) do valor
  definido por step (1 por omissão). Quando o
  valor final é ultrapassado o ciclo pára e o fluxo
  do programa continua a partir da linha seguinte à
  instrução next.
• Os ciclos fornext podem ser encadeados até 8
  níveis de profundidade.

61
BASIC

• Exemplo
• ciclo
• for b0 1 to 20 define um ciclo de 20 vezes
• high 1 liga a saída 1
• pause 500 espera 0,5 segundos
• low 1 desliga a saída 1
• pause 500 espera 0,5 segundos
• next b0 salta para o início, incrementando b0
  de 1,
• até que b0 20
• pause 2000 espera 2 segundos
• goto ciclo salto para o início

62
BASIC

• Leituras de tensões analógicas
• Instrução readadc10
• Sintaxe
• READADC10 canal, variávelword
• Canal é uma variável/constante especificando um
  endereço (0-3) pinos 2,3,4 e 5.
• Variávelword é uma variável word que recebe os
  dados lidos (0-1024).
• Função
• Lê um canal ADC (conversão analógico-digital) de
  10 bits de resolução para uma variável de
  dimensão word (0-1024).

63
BASIC

• Exemplo sensor de cor
• symbol leitura w0
• inicio
• readadc10 0,leitura
• if leitura lt 200 then alarme
• goto inicio
• alarme
• sound 0,(50,50)
• sound 0,(100,50)
• sound 0,(120,50)
• pause 300
• goto inicio

64
BASIC

• Outras instruções
• PAUSE milisegundos
• Milisegundos é uma variável/constante (0-65535)
• que especifica quantos milisegundos dura a pausa.
• SOUND pino, (nota, duração, nota, duração, )
• Pino é uma variável/constante (0-7) que
  especifica o pino
• E/S a usar.
• Nota(s) são variáveis/constantes (0-255) que
  especificam
• o tipo e a frequência.
• Nota 0 é silêncio. Notas 1-127 são tons
  crescentes. Notas
• 128-255 são ruídos brancos crescentes.
• Duração(s) são variáveis/constantes (0-255) que
  especificam
• a duração múltiplos aproximados de 10ms).