Mikrokontrollerid ja robootika

Maailma esimene mikrokontroller Intel 8048

Mikrokontroller on arvuti mahutatuna ühe kiibi peale (inglise keeles computer-on-a-chip). Tegu on integraalskeemiga, mis sisaldab nii mälu, protsessorit kui ka sisend-väljundliideseid. Mikrokontroller programmeeritakse täitma mingit kindlat ülesannet, nii et kui funktsionaalsust tahetakse muuta või täiendada, siis tuleb kiibile uus programm peale laadida. Mikrokontrollerid erinevad tavaarvutist (lauaarvuti, sülearvuti, server) mitme erineva aspekti poolest:

• Kõik funktsioonid on paigutatud ühe kiibi peale väiksemas ja kompaktsemas mahus.
• Programmeeritakse kindla ülesande täitmiseks. Funktsionaalsuse muutmiseks tuleb uus tarkvara peale laadida.
• Väiksem voolutarve, kuna kõik füüsilised parameetrid on väiksemad ja vähem ressursinõudlikumad kui tavaarvutis. Väga tihti mikrokontrolleri arendajad rõhuvadki madalale voolutarbele, et mobiilsed lahendused suudaksid kauem aku pealt töötada.
• Sihtotstarbelised sisendid ja väljundid. Mikrokontrolleritel on välja töötatud perifeeriad, et hõlbustada suhtlemist teiste mikrokontrollerite ja arvutitega (näiteid suhtluskanalitest USB, CAN, UART), aru saada füüsilistest reaalse maailma protsessidest (näiteks lüliti lülitus, temperatuuri mõõtmine) ja ise mõjutada ümbritsevat keskkonda (näiteks mootori käitamine, alarmsignaali käivitamine).

Mikrokontrollereid leidub väga palju seadmetes, mida inimesed igapäevaselt kasutavad, näiteks kodutehnika (mikrolaineahi, telekas), mänguasjad (Lego NXT, rääkivad nukud), sõiduvahendid (auto, tõstuk) jms. Nende laialdane kasutus on olnud võimalik tänu sellele, et oma programmeeritavuse ja laialdase funktsionaalsuse tõttu on seadmetele lihtne juurde lisada uusi omadusi ning muuta need intelligentsemateks.

Robootika on ala, mis ühendab endas teadmisi ja tehnoloogiat robotite ehitamiseks. Tehnoloogia kiire arengu tõttu on aga üha hägustumas mõiste robot kui inimest asendav automaat. Robotina ei saa võtta ainult humanoidrobotit, autotööstuse koosteliini robotkätt, lennuki autopilooti, närvivõrkudel põhinevat tehisintelligenti või lihtsat koristusrobotit, vaid juba ka arvutis jooksvat tarkvara, mis teeb inimese eest mingi töö ära (näiteks raporti koostamine). Roboteid luuakse teadupärast ju inimese asendadamiseks teatud ülesannete täitmisel. Selleks on mitmeid põhjuseid: töökeskkond on inimesele liiga ohtlik, tootmishinda tuleb alandada, et inimtööjõu eest ei peaks enam maksma, nüri ja üksluine töö põhjustab palju eksimusi inimese töös või uued juhtimissüsteemid on nii keerulised ja ajakriitilised, et inimene tuleb asendada automaatse otsustajaga.

Kuna robootika valdkond on väga lai, siis järgnevalt piiritleme seda kui hobirobootikat, kus süsteemid ei ole väga keerulised ning on võimetekohased ehitada ka üksiktegijal. Hobirobootikas on levinumad mikrokontrollerid järgmised:

• Atmel AVR perekonna mikrokontrollerid (ATmega, ATtiny ja muud)
• Microchip Technology PIC perekonna mikrokontrollerid (PIC16, PIC24 ja muud)
• ARM tehnoloogial põhinevad mikrokontrollerid

Väga tihti on kolmandad osapooled loonud arendusplaadid ja -keskkonnad eelnevalt mainitud mikrokontrollerite baasil. Kuna neid on palju, siis tasub välja tuua vaid tuntumad: Arduino (AVR-i baasil), BASIC Stamp (PIC-i baasil) ja Lego NXT (ARM-i baasil). Raamatus lähemalt käsitletavad Kodulabori arendusvahendid on loodud AVR ATmega128 mikrokontrolleri baasil.

Kuna mikrokontrollereid ja nende baasil loodud arendusplaate on väga palju, siis tekib kindlasti küsimus, et kuidas see kõige sobivam leida. Laias laastus võib vaadeldavad omadused jagada nelja kategooriasse - hind, füüsilised parameetrid, arenduskeskkond ja klienditugi. Füüsilistest parameetritest tasub jälgida järgmisi:

• protsessori töösagedus – määrab kiibi töökiiruse
• programmimälu maht – kui suure mahuga programmi on võimalik kiibile peale laadida
• andmemälu maht – kui suures mahus andmeid on võimalik käsitletada programmis
• sisend-väljundviikude arv ja nende funktsioon – erinevatel väljaviikudel on erinevad võimalused
• taimerite arv – oluline ajakriteeriumite täitmisel
• voolutarve – oluline mobiilsetes lahendustes

Arenduskeskkonna all mõeldakse PC arvuti tarkvara, mille abil saab teha järgmist: kirjutada ja kompileerida programmi, laadida programm mikrokontrollerisse ning siluda programmi töö käigus, et avastada võimalikke vigu. Siinkohal saabki määravaks see, kui mugav ja lihtne on kõiki neid toiminguid teha, kuna programmi väljatöötamise käigus on see põhiline töökeskkond. Siit jõuab ka neljanda kategooria - klienditoe - juurde ehk kui lihtne on saada abi ja toetust võimalike ettetulevate probleemide lahendamiseks. Kõiki neid nelja eespool mainitud kategooriat vaagides peakski sobiva arendusplaadi leidma.