Overzicht van microprocessors

Jan Mahn, Marco den Teuling en Rob Coenraads

Apparaten zoals Raspberry Pi en de Arduino zijn computers in een handig klein formaat en bieden (mede) daardoor heel veel mogelijkheden. Zo kun je met deze zogeheten microcontroller-boards bijvoorbeeld je eigen programma’s maken, retrogames spelen, films en series kijken of een interactieve deurbel creëren.

Een stuk elektronica dat je zelfgeschreven programma omzet in knipperende leds of piepjes is fascinerend en kan iedereen enthousiast maken voor programmeren. Helaas is het programmeren van hardware een onderwerp dat op het eerste gezicht veel te ingewikkeld lijkt voor beginners. Ook gevorderden hebben vaak al een hele kluif aan het werken met beperkte systeembronnen. Ook bij het compileren en overzetten van programma's tussen computer en microcontroller stuit je op problemen waar soms zelfs ervaren programmeurs moeite mee hebben. Om het instappen in de wereld van programmeren te vergemakkelijken, zijn er speciale experimenteerboards op de markt met bijbehorende editors.

Wil je beginnen met programmeren, dan moet je een keuze maken uit een veelheid aan bestaande opties. In dit artikel bespreken we de educatieve boards BBC Micro:Bit en Calliope, het IoT-board Octopus, het knutselboard Arduino en de Raspberry Pi en gaan we in op de technische aspecten hiervan. Bij het kiezen van een geschikt platform gaat het niet alleen om de prestaties van de hardware, maar ook om de grootte van de community (gemeenschap). Zo zijn de tips en projecten van anderen vaak erg handig en hoe meer materiaal je snel op internet kunt vinden, hoe meer dit de aankoop van een board op de lange termijn de moeite waard maakt. Op dit punt winnen duidelijk de Arduino, Raspberry, Micro:Bit en de grotendeels compatibele Calliope.

IoT Octopus: board voor Internet of Things
De makers van de Octopus willen dat je met dit board gaat leren wat de mogelijkheden zijn van het Internet of Things, met de populaire ESP8266 als processor. Daarnaast zit er een aparte sensor op: een BME280 van Bosch. Die kan gebruikt worden voor het meten van de temperatuur, luchtvochtigheid en luchtdruk. Op die manier kun je zonder verdere accessoires toch allerlei data vergaren. Verder zitten er op dit bordje nog twee RGB-leds, een spanningsregelaar voor het batterijgebruik en een aparte draai-druk-encoder.

Programma's voor de Octopus schrijf je met de Arduino-IDE met ESP-extensies rechtstreeks in C++. Je kunt met de uitbreiding Ardublock ook met gekleurde programmeerbouwstenen aan de slag. De blokken worden omgezet naar C-code, gecompileerd en via de usb-aansluiting op het board gezet. Dankzij de Arduino-ESP-wereld is er een groot aanbod aan kant-en-klare bibliotheken voor externe toebehoren die via I2C of SPI worden aangesloten. Voorbeelden daarvan zijn GPS en e-inkt-schermen.

De Octopus kost circa € 35,- en is niet echt geschikt voor volslagen leken. Het is handig als je al kennis hebt van variabelen, van for, while en if en redelijk vertrouwd bent met computers.

Arduino: populair knutselboard
De naam Arduino staat voor een opensource-platform dat eenvoudig te gebruiken elektronica en de bijbehorende software toegankelijk moet maken voor een zo breed mogelijk publiek.

De huidige Arduino-boards hebben doorgaans een 8bit-microcontroller van het type Typ ATmega 168 of ATmega 328, met daarbij 16 tot 32 KB aan flashopslagruimte, 2 KB RAM, 14 digitale I/O-pinnen, waarvan er dan 6 als PWM-uitgang aan te sturen zijn, plus 6 analoge ingangen en een usb-interface. Daarnaast zijn er modellen verkrijgbaar die qua specificaties veel meer of juist minder te bieden hebben. Het standaardmodel met de naam Arduino One is momenteel voor circa € 20,- verkrijgbaar. Dankzij de opensource hardwarespecificaties zijn niet-officiële kopieën online al voor minder dan € 5,- te koop.

De volgorde van de rijen met de I/O-pinnen is gestandaardiseerd, waardoor op bijna elk Arduino-board dezelfde uitbreidingsboards (shields) passen. Die standaardisering is een van de redenen voor de populariteit van de Arduino. Het aanbod varieert van allerlei sensoren en uiteenlopende digitale interfaces tot motoraansturingen en relais-shields waarmee je netvoeding kunt schakelen.

De software voor het programmeren van Arduino-toepassingen, die ook wel sketches worden genoemd, is afgeleid van de Processing-IDE en geschreven in Java. Als alternatief kun je een online editor gebruiken die in de browser draait en sketches in de cloud bewaart. Beide editors gebruiken dezelfde, op C/C++ gebaseerde programmeertaal.

Voor de Arduino is er een zeer grote en zeer actieve community. De focus daarvan ligt voornamelijk op het in elkaar knutselen van allerlei interactieve kunstprojecten tot aan complexe robotbesturingen. Dat vereist wel een zeker kennisniveau; ga je voor het eerst aan de slag met de Arduino, kijk dan (ook) in de volgende PC-Active waarin een basisartikel verschijnt over de Arduino.

BBC Micro:Bit: goedkoop experimenteerboard
Achter de BBC Micro:Bit zit een Britse non-profit organisatie die deze kleine computer gratis verstrekt aan scholen, maar ook beschikbaar stelt voor andere educatieve doelen.

Commercieel is de Micro:Bit al voor minder dan € 20,- te koop, vaak beschikbaar in sets met extra's als een batterijvoeding en papieren instructies om meteen aan de slag te kunnen.

Hardwarematig beschikt de Micro:Bit over een 32bit micro-controller van het type ARM Cortex M0 met 16MHz klokfrequentie, 256 KB flashgeheugen en 16 KB SRAM. Voor contact met de buitenwereld is er een usb-interface en een radiochip met Bluetooth 4.1 (inclusief Low-Energy-profiel) en een eenvoudig eigen protocol waarmee de Micro:Bits onderling kunnen communiceren. Om zelf zonder al te veel extra benodigdheden te experimenteren, heeft hij een 5×5-matrix van rode leds, twee drukknoppen, een versnellingsmeter en een magneetkompas. Voor het aansluiten van extra sensoren en accessoires beschikt de Micro:Bit over een 25-polige contactstrip aan de onderkant. Vijf contacten zijn zo uitgevoerd dat ze bijvoorbeeld ook met een paar smalle krokodilklemmen of 4mm-bananenstekkers verbonden kunnen worden. Om de andere contacten te gebruiken, heb je een edge connector nodig die ze doorvoert naar pinheaders.

De Micro:Bit is (ook) bedoeld voor beginnende programmeurs dankzij verschillende instapvriendelijke, grafische ontwikkelomgevingen. En met de op het board aanwezige componenten kun je al allerlei leuke projecten realiseren zonder elektronische schakelingen te hoeven aansluiten.

Calliope mini: Duitse Micro:Bit Plus
Het Calliope-board, dat officieel 'Calliope mini' heet, is een in Duitsland ontstane doorontwikkeling van de BBC Micro:Bit en Micro:Bit-projecten werken dan ook op de Calliope. Alle hardwarecomponenten die op de Micro:Bit zitten, komen ook op de Calliope voor. Daaraan toegevoegd zijn een RGB-led, een microfoon, een piëzo-elektrische luidspreker en een motoraansturingschip. Met die chip kun je een motor dan vooruit of achteruit laten lopen of twee motoren in een enkele richting.

De opvallende stervorm van het board komt voort uit de ervaringen die de makers hebben opgedaan met de Micro:Bit. Op de hoekpunten zijn de krokodilklemmen of bananenstekkers voor het aansluiten van externe componenten zo ver mogelijk van andere componenten verwijderd, waardoor er minder kans is op kortsluiting. De andere contacten zijn niet meteen bruikbaar en een connector ontbreekt. Wil je meer dan de zes contacten op de hoeken gebruiken, dan moet je headers of iets anders op de andere contacten op het board solderen.

In Nederland is de Calliope onder andere verkrijgbaar via conrad.nl, maar ook eenvoudig te bestellen bij amazon.de. Het (Duitstalige) les- en leermateriaal valt onder een Creative-Commons-licentie en is ook gratis als pdf beschikbaar. op https://calliope.cc/. Hier vind je bovendien de nodige projecten voor verschillende leeftijden en van diverse  moeilijkheidsgraden.

Raspberry Pi
De Raspberry Pi ontstond als educatieve computer, maar heeft intussen de hobbykamer van knutselaars en de industrie veroverd. Het is een volwaardige computer met GPIO-aansluitingen.

Over de Raspberry Pi is sinds het verschijnen in 2012 al veel geschreven en in PC-Active zijn de afgelopen jaren regelmatig leuke projecten beschreven. Verderop in dit nummer vind je nog meer van die interessante projecten. De Pi wordt inmiddels bijvoorbeeld gebruikt als smart-homecentrale, als mediacenter en voor robotbesturing. In het relatief nieuwe model 4B zit een quadcore ARM Cortex met 1500 MHz en zelfs tot 4 GB aan werkgeheugen en hiermee kan het oorspronkelijk als educatieve computer ontwikkelde apparaat ook als eenvoudige desktop-pc fungeren. Om ermee te werken, hoef je hem 'alleen' maar te voorzien van een muis, toetsenbord, beeldscherm, netwerk en geheugenkaart.

De Raspberry Pi is bedoeld voor zowel beginners als gevorderden en je vindt al heel veel informatie op de website van de Raspberry Pi Foundation: www.raspberrypi.org.