Основные робототехнические платформы

Arduino – прототип платформы-микроконтроллера с открытым исходным кодом, в основе которой стоит простота использования аппаратных средств и программного обеспечения. Платы Arduino способны принимать такие данные как: нажатие на кнопку, падение света на датчик, либо же сигналы с удалённых пультов управления по беспроводному каналу, и, с помощью установленного пользователем набора инструкций. Способны воспроизводить различного рода выходные данные: мигание светодиода, воспроизведение звука, включение мотора.

Инструкции для Arduino создаются с помощью собственной программной оболочки Arduino IDE с текстовым редактором, препроцессором, компилятором и ин- струментарием для загрузки, позволяющим отправлять написанные программы прямиком на Arduino.

Достоинства [1] :

• •    Относительно недорогая в использовании платформа (оригинальные базовые платы стоят от $12).

• •    Есть собственная IDE.

• •    Стандартные GPIO пины с поддержкой протоколов UART, SPI, I²C.

• •    Существует много китайских клонов большинства плат данной платформы, которые в несколько раз дешевле оригиналов с сохранением приемлемого качества (от 3$).

• •    Большой набор тестовых скетчей, показывающих принципы работы с тем или иным видом оборудования.

• •    Очень много совместимых с данной платформой датчиков и плат для нужд робототехники.

• •    Можно создавать свои собственные платы для расширения данной платформы.

Недостатки:

• •    Малая процессорная мощность. Варьируется от 8 MHz до 84 MHz в зависимости от модели.

• •    Малый объём оперативной памяти. Варьируется от 0.5 КБ до 96 КБ в зависимости от модели.

Платформа Simplecortex

Simplecortex – это плата-микроконтроллер, изначально разрабатываемая как шилд, совместимый с Arduino. Simplecortex оснащён микроконтроллером LPC1769 с процессором ARM Cortex M3 c 512КБ flash-памяти и 64КБ RAM, работающем с частотой 120MHz.

В роли IDE для Simplecortex выступает основанная на Eclipse CooCox CoIDE, работающая с процессорами ARM Cortex M0/M0+/M3/M4.

Достоинства:

• •    Поддержка MicroSD накопителей.

• •    Наличие Ethernet-порта.

• •    Наличие отладчика, полезного при работе с крупными проектами.

• •    IDE основанная на Eclipse.

• •    Поддержка плат расширения Arduino.

• •    Стандартные GPIO пины с поддержкой протоколов UART, SPI, I²C.

Недостатки:

• •    На момент написания статьи плата больше не производится.

• •    Малый объём оперативной памяти 64 КБ.

Платформа Banana Pi

Banana Pi – одноплатный микрокомпьютер, оснащённый двухъядерным процессором ARM Cortex-A7 и графическим процессором Mali400MP2. Платформа разработана китайской компанией “Lemarker” с целью содействия школам в областях инженерии, искусства, математики, науки и техники. Banana Pi использует ПО с открытым исходным кодом.

Одно из преимуществ микрокомпьютера – это наличие ОС с программным обеспечением. Banana Pi поддерживает ОC на основе ядра Linux, такие как:

• •    Bananian Linux.

• •    Fedora.

• •    Raspbian.

• •    Android 4.2.2 и 4.4.

• •    OpenSUSE.

Достоинства:

• •    Двухъядерный CPU ARM Cortex-A7 с частотой 1 GHz обеспечивает производительность на уровне полноценных домашних компьютеров.

• •    Наличие 1 ГБ оперативной памяти типа DDR3.

• •    Наличие 2 USB 2.0 и 1 MicroUSB.

• •    HDMI интерфейс с поддержкой видео в 1080р.

• •    26 GPIO с поддержкой протоколов UART, SPI, I²C.

• •    LAN-порт 10/100/1000 Mbs.

• •    Использование в качестве ПЗУ SD карту до 64 ГБ или SATA HHD объёмом до 4 ТБ.

• •    Встроенный ИК-порт, микрофон.

Недостатки:

• •    Отсутствие Wi-fi и Bluetooth.

• •    Цена 50$ у официальных поставщиков.

• •    Нет поддержки обработки аналоговых сигналов.

• •    Первый и последний прототип платформы разработан в 2014 году. К моменту написания статьи появились более производительные аналоги за ту же самую сумму, что ставит под сомнение целесообразность использование данной платформы.

Платформа Raspberry Pi

Raspberry Pi – одноплатный микрокомпьютер изначально разработанный для обучения информатике. На момент написания статьи существует семь вариаций платформы, отличающихся моделями ЦП, объёмом оперативной памяти, количеством пинов ввода-вывода и USB портов, а также наличием модулей связи.

В качестве ОС Raspberry Pi использует следующие системы:

• •    Raspbian – официально поддерживаемая RPi ОС;

• •    RISC OS – ОС для RISC-процессоров (ARM);

• •    Pidora – Fedora для RPi;

• •    OSMC – медиапроигрыватель с открытым исходным кодом.

• •    Raspbian Server Edition – версия с некоторыми дополнительными пакетами;

• •    Windows 10 – поддерживается только RPi 2B.

Отдельно можно выделить модель Raspberry Pi Zero, поскольку в отличии от других моделей она обладает меньшим размером 65 мм х 30 мм х 5 мм и ценой в 5$.

Достоинства последней модели (Raspberry Pi 3):

• •    Четырёхъядерный 64-битный процессор ARM Cortex-A53 1.2 GHz сравнимый по мощности с современными домашними ПК.

• •    Наличие 1 ГБ оперативной памяти типа DDR3.

• •    LAN-порт 10/100 Mbs.

• •    Наличие Bluetooth 4.1 и Wi-Fi 802.11n.

• •    40 GPIO с поддержкой протоколов UART, SPI, I²C.

• •    HDMI интерфейс с поддержкой видео в 1080р.

• •    Цена 35$ за практически полноценный компьютер.

Недостатки:

• •    Для обработки аналоговых сигналов требуются дополнительные аппаратные средства.

Сравнение приведённых платформ

Первое о чём стоит рассказать – это разница между микроконтроллерами (Arduino и Simplecortex) и микропроцессо- рами (Banana Pi и Raspberry Pi). Основное различие кроется в их строении. В микроконтроллере все основные устройства, такие как оперативная память, центральный процессор, ПЗУ и др., встроены в один чип, что позволяет уменьшить время доступа памяти к устройствам ввода/вывода. Микропроцессор, в свою очередь, представляет собой отдельный чип для выполнения арифметических и логический операций, обработки данных и др., связь с элементами ввода/вывода и памятью осуществляется с помощью различных системных шин.

Из приведённого можно сделать вывод, что микропроцессоры лучше использовать в компьютерных системах, поскольку они обладают большими вычислительными способностями, в то время как микроконтроллеры лучше применять во встраиваемых системах, где необходимо в реальном времени управлять различными электрическими элементами.

Ниже приведена таблица сравнения аппаратных характеристик последних моделей рассмотренных платформ.

Таблица: Сравнение основных характеристик платформ

	Arduino Due	Simplecortex	Banana Pi	Raspberry Pi 3
Тип платформы	Микроконтроллер	Микроконтроллер	Микропроцессор	Микропроцессор
Частота CPU	84MHz	120 MHz	1 GHz	1.2 GHz
RAM	96 КБ	64 КБ	1 ГБ	1 ГБ
ПЗУ	512 КБ	512 КБ	SD до 64 ГБ, SATA до 4 ТБ	MicroSD до 64 ГБ
GPIO	70	52	26	40
Сеть	–	Ethernet	Ethernet 10/100/1000	Ethernet 10/100 Mbs, Wi-Fi 802.11n
Наличие ОС	–	–	+	+
USB	2 micro	2 micro	2х USB 2.0	4 х USB 2.0
Доп. интерфейсы	–	–	HDMI, ИК-порт	HDMI, Bluetooth 4.1
Цена	10-20$	–	50$	35$

Заключение. В статье были рассмотрены такие платформы как Arduino, Simplecortex, Banana Pi, Raspberry Pi. Данные платформы, в силу своего аппаратного устройства, подразделяются на микроконтроллеры и микропроцессоры, предназначенные для встраиваемых и компьютерных систем соответственно. Также данные платформы можно использовать совместно, используя протоколы SPI или I2C, тем самым оставив работу с датчиками на микроконтроллерах, а обработку полученных данных на микропроцессорах. Это позволяет за относительно небольшую стоимость автоматизировать практически все области человеческой жизни.