🏠 Главная · Программирование микроконтроллеров · 4 курс · Практические задания · ПР 9

---

Практическая работа № 9

Настройка инструментальной среды, создание, сборка и загрузка тестовой программы для Arduino UNO R3, Arduino Nano, ESP32 и ESP8266

Дисциплина: Программирование микроконтроллеров
Специальность: 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»
Курс: 4
Рекомендуемая продолжительность: 4 академических часа
Форма работы: индивидуальная, по варианту преподавателя

---

1. Цель работы

Освоить полный цикл подготовки и запуска программы в Arduino IDE для одной из четырёх плат: Arduino UNO R3, Arduino Nano, ESP32 или ESP8266 — от установки пакета платы и создания скетча до сборки, загрузки и экспериментальной проверки.

2. Планируемые результаты

После выполнения работы студент должен уметь:

• различать процессорное ядро, микроконтроллер, систему на кристалле и отладочную плату;
• устанавливать пакеты Arduino AVR Boards, esp32 и esp8266 и выбирать правильную плату;
• создавать проект и настраивать целевую плату, частоту и интерфейсы;
• читать журнал сборки и различать предупреждения, ошибки компиляции и ошибки компоновки;
• получать файл прошивки и оценивать использование Flash и RAM;
• загружать программу через USB-загрузчик или USB–UART;
• проверять GPIO, системное время, UART и аппаратное прерывание;
• использовать Serial Monitor и журнал загрузки для поиска неисправностей;
• документировать воспроизводимую последовательность настройки среды.

3. Оборудование и программное обеспечение

3.1. Оборудование

• компьютер с доступом к установочным пакетам и драйверам;
• микроконтроллерная плата, выданная преподавателем;
• исправный USB-кабель с линиями данных;
• при необходимости программатор AVR ISP или USB–UART-адаптер;
• светодиод с резистором 220–1000 Ом, кнопка и монтажные провода, если они отсутствуют на плате;
• мультиметр или логический анализатор — по возможности.

3.2. Используемая среда

Плата	Пакет плат Arduino IDE	Микроконтроллер/SoC	Типичная загрузка
Arduino UNO R3	Arduino AVR Boards	ATmega328P, AVR, логика 5 В	USB и встроенный загрузчик
Arduino Nano (classic)	Arduino AVR Boards	ATmega328P, AVR, логика 5 В	USB; иногда нужен пункт ATmega328P (Old Bootloader)
ESP32 Dev Module	esp32 by Espressif Systems	ESP32, логика 3,3 В	USB–UART; иногда кнопка BOOT
ESP8266 NodeMCU/Wemos	esp8266 by ESP8266 Community	ESP8266, логика 3,3 В	USB–UART и загрузчик

Основная среда — Arduino IDE 2.x. В отчёте укажите фактическую версию IDE, версию пакета плат, выбранный профиль платы, порт и скорость загрузки.

3.3. Источники для подготовки

• лекция «AVR, ARM Cortex‑M, STM32 и ESP32» — для различения ядра, микроконтроллера, SoC и платы;
• лекция «Программная модель ARM Cortex‑M» — для понимания Flash, SRAM, стека, периферии и обработчиков прерываний; положения применяются сравнительно, поскольку платы этой работы не используют Cortex‑M;
• официальные страницы Arduino UNO R3 и классической Nano;
• инструкции установки Arduino core для ESP32 и ESP8266.

Актуальные ссылки приведены в разделе 12.

4. Краткие теоретические сведения

4.1. Что именно программируется

Необходимо различать четыре уровня:

Уровень	Назначение	Пример
Ядро	Исполняет команды	AVR CPU, Xtensa
Микроконтроллер	Ядро, память и периферия в одном корпусе	ATmega328P
Система на кристалле	Вычислительные и коммуникационные узлы	ESP32, ESP8266
Плата	Кристалл, питание, USB и разъёмы	UNO R3, Nano, ESP32 DevKit, NodeMCU

Поэтому в Arduino IDE выбирают точный профиль платы. Например, Arduino Nano и Arduino Nano ESP32 — разные устройства; в данной работе под Nano понимается классическая плата на ATmega328P.

4.2. Цепочка получения работающей программы

1. Исходный код содержит функции и обращения к библиотекам.
2. Препроцессор обрабатывает #include, макросы и условную компиляцию.
3. Компилятор преобразует каждый исходный файл в объектный код.
4. Компоновщик объединяет объектные файлы, библиотеки и таблицу векторов согласно linker script.
5. Получается .elf; для AVR обычно формируется .hex, для ESP — один или несколько .bin.
6. Программатор или загрузчик записывает образ во Flash микроконтроллера.
7. После сброса процессор получает начальный указатель стека и адрес обработчика Reset из таблицы векторов, выполняет инициализацию и переходит в main().

4.3. Что настраивает инструментальная среда

Инструментальная среда объединяет редактор, компилятор, компоновщик, библиотеки, систему сборки, загрузчик и отладчик. При создании проекта необходимо согласовать:

• модель платы или микроконтроллера;
• источник и частоту тактирования;
• назначение выводов GPIO;
• профиль платы, вариант процессора/загрузчика и интерфейс прошивки;
• номер последовательного порта;
• скорость UART;
• тип framework или библиотек;
• конфигурацию Debug/Release.

Неверно выбранная цель может успешно компилироваться, но не запускаться из-за другой памяти, таблицы векторов, частоты или распиновки.

4.4. Flash, SRAM и периферия

Во Flash размещаются код, константы и таблица векторов. В SRAM находятся изменяемые данные, стек, куча и буферы. Регистры GPIO, UART и таймеров доступны как memory-mapped I/O. Переменные, изменяемые в ISR, объявляют volatile; для многобайтных данных на 8-битном AVR также учитывают атомарность.

После сборки зафиксируйте объём программы и статических данных. Проект не должен использовать память «впритык»: оставляется резерв на дальнейшее развитие и стек.

4.5. Системное время, таймеры и прерывания

Arduino core уже формирует время для millis() и micros(). Периодические действия реализуйте сравнением временных меток, а не длительной delay(). Корректный шаблон устойчив к переполнению счётчика:

if (millis() - previous >= interval) {
    previous += interval;
    // периодическое действие
}

Аппаратное прерывание проходит путь:

событие периферии → флаг → контроллер прерываний → сохранение контекста → ISR → возврат.

ISR должен быть коротким: очистить источник, сохранить данные или установить флаг, а длительную работу передать основному циклу.

4.6. Загрузка и диагностика

• UNO R3 и Nano принимают прошивку через последовательный загрузчик. Для Nano при ошибке синхронизации проверьте пункт Processor и, при необходимости, Old Bootloader.
• ESP32 и ESP8266 обычно переходят в режим записи автоматически. На отдельных платах при начале загрузки требуется удерживать BOOT/FLASH.
• Serial Monitor подходит для диагностики, если его скорость совпадает с Serial.begin(...).

4.7. Безопасное подключение

Перед включением питания:

1. UNO R3 и Nano используют логику 5 В; ESP32 и ESP8266 — 3,3 В, их GPIO нельзя подключать к сигналу 5 В;
2. проверьте полярность LED и наличие токоограничивающего резистора;
3. объедините общий провод платы и внешнего модуля;
4. не используйте загрузочные выводы ESP без проверки документации конкретной платы;
5. убедитесь, что вывод не соединён с двумя активными источниками сигнала;
6. не меняйте соединения на включённой схеме без разрешения преподавателя.

---

5. Постановка задачи

Для платы, назначенной преподавателем, и индивидуального варианта необходимо:

1. подготовить инструментальную среду;
2. создать новый проект для правильной цели;
3. реализовать тестовую программу варианта;
4. собрать проект без ошибок;
5. загрузить программу в микроконтроллер;
6. подтвердить работу LED/GPIO, UART и входного события;
7. зафиксировать параметры сборки и способ прошивки;
8. провести одну намеренно вызванную диагностическую проверку;
9. оформить отчёт, позволяющий повторить весь процесс на другом компьютере.

6. Порядок выполнения

Этап 1. Идентификация платы

Заполните паспорт рабочего места.

Параметр	Фактическое значение
Плата и ревизия
Микроконтроллер / SoC
Процессорное ядро
Напряжение логики
Встроенный LED и его вывод
Кнопка и её вывод
Интерфейс прошивки
Пакет плат и его версия
Последовательный порт

Сведения берите с маркировки платы, принципиальной схемы и официальной документации. Не определяйте распиновку только по внешнему виду.

Этап 2. Установка и настройка среды

1. Установите Arduino IDE 2.x.
2. Для UNO R3 и Nano установите через Boards Manager пакет Arduino AVR Boards.
3. Для ESP32 добавьте стабильный индекс пакета Espressif и установите пакет esp32 by Espressif Systems.
4. Для ESP8266 добавьте стабильный индекс пакета и установите esp8266 by ESP8266 Community.
5. При необходимости установите официальный драйвер USB–UART, соответствующий микросхеме на плате.
6. Подключите плату и определите появившийся последовательный порт.
7. Выберите профиль платы из таблицы ниже и зафиксируйте версии.

Плата	Выбор в меню Board	Дополнительная проверка
UNO R3	Arduino Uno	Порт появился после подключения
Nano classic	Arduino Nano	Processor: ATmega328P; при ошибке синхронизации проверить Old Bootloader
ESP32 DevKit	Профиль точной платы или ESP32 Dev Module	Flash size, частота загрузки, режим BOOT
ESP8266 NodeMCU	NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module) либо точный профиль	Flash size и безопасные boot-пины

Не копируйте случайные адреса менеджеров плат и драйверы с неофициальных сайтов. Используйте ресурсы производителя и репозиторий, указанный преподавателем.

Этап 3. Создание проекта

1. Создайте скетч PR9_Vxx, где xx — номер варианта.
2. Выберите плату и порт.
3. Объявите выводы именованными константами LED_PIN, BUTTON_PIN, ANALOG_PIN.
4. Для внешней кнопки используйте INPUT_PULLUP: кнопка соединяет вход с GND, нажатие читается как LOW.
5. Настройте Serial.begin(115200).
6. Не подключайте внешнюю нагрузку к GPIO напрямую; используйте светодиод через резистор.

Рекомендуемые лабораторные выводы приведены ниже. Перед подключением проверьте маркировку своей платы.

Плата	LED	Кнопка	Аналоговый вход	Примечание
UNO R3	встроенный LED_BUILTIN (D13)	D2	A0	D2 поддерживает внешнее прерывание
Nano classic	встроенный LED_BUILTIN (D13)	D2	A0	Не занимать D0/D1 при работе Serial
ESP32 Dev Module	внешний LED GPIO18	кнопка GPIO4	GPIO34	GPIO34 — только вход, без внутренней подтяжки
ESP8266 NodeMCU	внешний LED GPIO5 (D1)	GPIO4 (D2)	A0	Диапазон A0 зависит от платы; GPIO0/2/15 влияют на загрузку

Этап 4. Реализация общей части программы

Программа каждого варианта должна:

• после старта выдать по UART название платы и номер варианта;
• выполнить последовательность LED «старт» — три короткие вспышки;
• работать без блокирующей задержки в основном цикле;
• поддерживать счётчик миллисекунд или событий;
• реагировать на кнопку/цифровой вход;
• не выполнять форматирование длинных сообщений внутри ISR;
• каждые 5 секунд выводить строку состояния;
• при ошибочном состоянии перейти к различимой аварийной индикации.

Рекомендуемый каркас Arduino-скетча:

const uint8_t LED_PIN = LED_BUILTIN;
const uint8_t BUTTON_PIN = 2;
volatile bool input_event = false;
volatile uint32_t event_count = 0;
uint32_t previous_ms = 0;
const uint32_t interval_ms = 500;

void input_isr(void) {
    event_count++;
    input_event = true;
}

void setup() {
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
    pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
    Serial.begin(115200);
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON_PIN), input_isr, FALLING);
    // Выполнить стартовый тест и вывести номер варианта.
}

void loop() {
    uint32_t now = millis();
    if (now - previous_ms >= interval_ms) {
        previous_ms += interval_ms;
        digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));
    }
    if (input_event) {
        noInterrupts();
        input_event = false;
        uint32_t count_copy = event_count;
        interrupts();
        Serial.println(count_copy);
    }
}

Для ESP32 функция ISR должна иметь атрибут, рекомендованный установленной версией Arduino-ESP32. Антидребезг и вся печать выполняются вне ISR.

Этап 5. Сборка

1. Запустите полную сборку проекта.
2. Убедитесь, что ошибок нет.
3. Проанализируйте предупреждения; не игнорируйте предупреждения о типах, неинициализированных переменных и переполнении.
4. Зафиксируйте путь или название выходного .elf, .hex либо .bin.
5. Запишите объём кода во Flash и статических данных в RAM.
6. Рассчитайте долю использования памяти:

$$ K = \frac{V_{\mathrm{used}}}{V_{\mathrm{available}}} \cdot 100% $$

Этап 6. Загрузка программы

1. Подключите плату выбранным способом.
2. Проверьте профиль платы, порт и питание.
3. Выполните загрузку.
4. Сохраните фрагмент журнала с подтверждением успешной записи и проверки.
5. Нажмите Reset и убедитесь, что программа автоматически запускается.

Этап 7. Проверка варианта

Проведите не менее пяти испытаний:

№	Проверяемая функция	Действие	Ожидаемый результат	Фактический результат
1	Запуск после Reset	Нажать Reset	Три вспышки и стартовая строка
2	Периодическая задача	Наблюдать не менее 10 с	Период соответствует варианту
3	Входное событие	Нажать кнопку/подать сигнал	Событие зарегистрировано один раз
4	UART	Открыть монитор порта	Сообщения читаемы, скорость верна
5	Повторная прошивка	Изменить идентификатор сборки	После загрузки видна новая версия

Измерьте период секундомером, логическим анализатором или по временным меткам UART. Рассчитайте относительное отклонение:

$$ \delta_T = \frac{|T_{meas}-T_{set}|}{T_{set}}\cdot100%. $$

Этап 8. Обязательная диагностика

По указанию преподавателя выполните один безопасный эксперимент:

• выберите неправильный последовательный порт;
• внесите синтаксическую ошибку и найдите номер строки;
• обратитесь к несуществующей функции и определите ошибку компоновки;
• выберите неверный вывод LED, затем исправьте;
• установите неверную скорость Serial Monitor, затем исправьте.

Не вызывайте короткое замыкание, переполюсовку или подачу повышенного напряжения. В отчёте укажите симптом, причину, способ обнаружения и исправление.

Этап 9. Сравнение результата на двух архитектурах

После выполнения основного варианта ответьте письменно:

1. относится ли используемая плата к AVR-микроконтроллерам или ESP-SoC;
2. какое напряжение логики используется;
3. какой пакет плат выполнил сборку;
4. какой файл прошивки формируется;
5. чем процедура загрузки отличалась бы на плате другой группы;
6. какие ресурсы Flash и RAM ограничивают усложнение программы.

---

7. Индивидуальные варианты

Период формируется неблокирующим способом. Кнопка должна обрабатываться прерыванием, если плата и выбранный вывод это поддерживают; иначе используйте неблокирующий опрос и отразите ограничение в отчёте. Дребезг устраните программно без задержки внутри ISR.

№	Плата	Тестовая программа	Период/параметр	Реакция на вход и контроль UART
1	Arduino UNO R3	Переключение встроенного LED	500 мс	Кнопка D2 меняет период 500/100 мс; вывести период
2	Arduino UNO R3	Двойная вспышка	Цикл 2 с	D2 запускает цикл немедленно; вывести номер цикла
3	Arduino UNO R3	Световой маяк	100 мс ON, 900 мс OFF	D2 включает/выключает режим; вывести состояние
4	Arduino UNO R3	Два программных таймера	250 мс и 1 с	D2 сбрасывает счётчики; вывести оба значения
5	Arduino UNO R3	Двоичный счётчик на трёх LED	Шаг 1 с	D2 обнуляет счёт; вывести число 0–7
6	Arduino UNO R3	Измерение A0	10 измерений/с	D2 фиксирует отсчёт; вывести код 0–1023 и проценты
7	Arduino Nano	Регулируемое мигание	100–1000 мс, шаг 100 мс	D2 увеличивает период; вывести новое значение
8	Arduino Nano	Автомат IDLE/RUN/ALARM	Обновление 50 мс	Короткое/длинное нажатие D2 меняет состояние
9	Arduino Nano	Подавление дребезга	Окно 30 мс	Вывести число фронтов ISR и подтверждённых нажатий
10	Arduino Nano	Таймер активности	Тайм-аут 5 с	D2 продлевает режим; вывести остаток времени
11	Arduino Nano	UART-команды LED	ON, OFF, TOGGLE	D2 выполняет TOGGLE; неверная команда даёт ERROR
12	Arduino Nano	Плавная яркость PWM	D3, шаг 20 мс	D2 меняет направление; вывести уровень 0–255
13	ESP32	Неблокирующий LED-маяк	200 мс/800 мс	GPIO4 переключает режим; вывести millis()
14	ESP32	UART-команда периода	T=100…2000 мс	GPIO4 возвращает 500 мс; проверить границы команды
15	ESP32	PWM-регулировка LED	10, 30, 60, 100 %	GPIO4 переключает уровень; вывести скважность
16	ESP32	Измерение аналогового входа	GPIO34, 20 измерений/с	GPIO4 фиксирует значение; вывести код и проценты
17	ESP32	Фильтр АЦП	Среднее по 32 отсчётам	GPIO4 очищает накопитель; вывести raw/average
18	ESP32	Счётчик внешних событий	До 50 событий/с	IRQ GPIO4 увеличивает счёт; выводить частоту раз в секунду
19	ESP32	Две независимые задачи времени	100 мс и 1 с	GPIO4 сбрасывает статистику; вывести два счётчика
20	ESP8266	Неблокирующее мигание	750 мс	GPIO4 меняет период 750/150 мс; вывести режим
21	ESP8266	Командный интерфейс	STATUS, RESET, HELP	GPIO4 вызывает STATUS; вывести ответ
22	ESP8266	Измерение A0	5 измерений/с	GPIO4 фиксирует значение; сначала указать диапазон A0 платы
23	ESP8266	Пороговый индикатор A0	Порог 60 %, гистерезис 5 %	GPIO4 включает гистерезис; вывести состояние
24	ESP8266	Счётчик прерываний	До 20 событий/с	GPIO4 — вход IRQ; вывести число событий без печати из ISR
25	ESP8266	Самотестирование после Reset	Не более 3 с	Проверить LED, кнопку и Serial; GPIO4 повторяет тест

Если для варианта требуется периферия, отсутствующая на плате, преподаватель назначает функционально близкий вариант либо разрешает программную имитацию входного сигнала. Факт замены фиксируется в отчёте.

---

8. Содержание отчёта

1. Номер и название работы, вариант.
2. Цель работы.
3. Паспорт платы и схема подключения.
4. Названия и версии среды, toolchain, framework и драйверов.
5. Последовательность создания и настройки проекта со скриншотами ключевых окон.
6. Алгоритм и листинг собственной части тестовой программы.
7. Результат сборки: предупреждения, Flash, RAM, выходной файл.
8. Способ загрузки и подтверждение успешной прошивки.
9. Таблица испытаний и измеренное отклонение периода.
10. Описание диагностического эксперимента и исправления.
11. Результат UART-трассировки и фрагмент журнала загрузки.
12. Вывод о достигнутом результате и найденных ограничениях.

9. Критерии оценивания

Раздел	Баллы
Идентификация платы и безопасное подключение	10
Установка и документирование среды	15
Корректное создание и конфигурирование проекта	15
Реализация общей части и индивидуального варианта	20
Сборка и анализ использования памяти	10
Загрузка и подтверждение запуска	10
Испытания и измерение периода	10
Диагностика, отладка и качество отчёта	10
Итого	100

Рекомендуемый перевод: 90–100 — «5», 70–89 — «4», 50–69 — «3», менее 50 — «2».

Существенные ошибки

• выбрана неправильная плата или микроконтроллер;
• не зафиксированы версии среды и пакета поддержки;
• программа собирается только с необъяснёнными критическими предупреждениями;
• используется блокирующая задержка вместо требуемой неблокирующей логики;
• ISR содержит длительную обработку или не очищает источник прерывания;
• программа не запускается автоматически после Reset;
• успешная загрузка не подтверждена наблюдаемым результатом;
• внешний LED подключён без резистора;
• отчёт не позволяет воспроизвести настройку.

10. Контрольные вопросы

1. Чем процессорное ядро отличается от микроконтроллера и платы?
2. Какие компоненты входят в инструментальную среду?
3. Чем компиляция отличается от компоновки?
4. Для чего нужны файлы .elf, .hex и .bin?
5. Почему проект для неверной цели может собраться, но не работать?
6. Что размещается во Flash, а что — в SRAM?
7. Зачем аппаратным регистрам и данным ISR нужен volatile?
8. Почему не следует выполнять длительные операции в ISR?
9. Чем загрузчик отличается от программатора AVR ISP?
10. Как подтвердить, что после прошивки выполняется именно новая версия программы?
11. Что означает скорость UART 115200 8N1?
12. Чем ошибка компиляции отличается от ошибки загрузки?

11. Чек-лист перед сдачей

• Указаны точные модель платы и микроконтроллер.
• Зафиксированы версии среды, toolchain и framework.
• Приведена распиновка использованных сигналов.
• Проект собирается без ошибок.
• Критические предупреждения устранены.
• Записано использование Flash и RAM.
• Сохранён результат успешной загрузки.
• После Reset выполняется тест «три вспышки».
• Вариант реализован неблокирующим способом.
• Входное событие не теряется и не дублируется дребезгом.
• UART выводит номер варианта и состояние.
• Выполнены не менее пяти испытаний.
• Проведён безопасный диагностический эксперимент.
• Отчёт содержит вывод и позволяет повторить работу.

12. Использованные материалы

1. Лекция: AVR, ARM Cortex‑M, STM32 и ESP32.
2. Лекция: программная модель ARM Cortex‑M.
3. Официальная документация Arduino UNO R3.
4. Официальная документация Arduino Nano.
5. Установка Arduino core для ESP32.
6. Установка Arduino core для ESP8266.

---

Практическая работа №10. Разработка и отладка управляющих программ Arduino →

Оригинал материала на GitHub