Malette Arduino éducative I : Différence entre versions

Version actuelle datée du 12 juin 2015 à 08:24

Cahier des charges

Présentation générale du projet

Contexte

Ce projet est réalisé dans le cadre de notre quatrième année en IMA, alors que la question de comment intéresser les plus jeunes à la programmation se pose, et encore plus difficile : comment faire pour que les prochaines promotions d'IMA réussissent à comprendre quelque chose en système.

Objectif du projet

L'objectif de notre projet est de concevoir des shields Arduino pour les TP système en IMA4 et pour une mallette à vocation pédagogique (fin de primaire / collège) pour l'initiation à la programmation sur Arduino

Description du projet

Ce projet s'intéresse au développement de logiciels et des bibliothèque associées.

La première partie de ce projet consiste à concevoir l'ordonnanceur pour le Shield "TP système" conçu et réalisé dans un autre projet.

La seconde partie est à destination d'enfants. Polytech est engagée dans la sensibilisation aux sciences des enfants de primaire et du collège. Cela s'est traduit par exemple à la mise en place d'une compétition de robotique pour les élèves de primaire

Afin d'aller plus vers l'apprentissage de la programmation, nous envisageons d'initier des élèves à la plateforme Arduino.

Il est demandé de concevoir et réaliser :

une mallette avec un Arduino,
des exemples de projets réalisables par des enfants, soit en autonomie (collège) soit accompagnés (primaire),
une documentation claire et didactique pour les enfants,
une documentation plus approfondie pour les enseignants.

Choix techniques : matériel et logiciel

Logiciel:

Pour la programmation, nous allons utiliser le langage C.

Matériel de développement :

Un arduino Uno [disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)]
Une matrice RGB 8*8 [disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)]
Matrice 8*8 monocolore utilisant le bus i2c [disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)]
Un afficheur 4*7 segments [disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)]
Une LED rouge [disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)]
Une LED jaune [disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)]

Etapes du projet

La première étape du projet sera de l'ordonnanceur de démonstration du Shield pour les TP système d'ordonnancement. Ce shield comporte une matrice 8*8 RGB SPI, une LED rouge, une LED jaune, un afficheur 4*7 segments SPI et une matrice 8*8 monocouleur utilisant le bus I2C.

Planning prévisionnel de l'avancement du projet

Semaine 1 : réalisation du programme correspondant au premier shield : ordonnanceur, conception de la carte

semaine 2 : fabrication du shield et prise de rendez-vous avec tuteur pour la suite du projet.

Avancement du Projet

Semaine 1

Discussion autour du projet, détailler le cahier des charges et préciser le but du projet.

Semaine 2

réaliser les Tâches sur le bus SPI

tâche 1: envoyer en double différents colonnes de couleurs sur une matrice de LED communiquent via le bus SPI.
tâche 2: envoyer en boucle des chiffres sur un afficheur de 7 segments communiquent via le bus SPI.

Le figure ci-dessous montre la principe de la fonctionnement pour le bus SPI.

Semaine 3

Tâche sur le bus I2C

tâche 1: envoyer en bouble des dessins sur une matrice monocolore via le bus I2C.

Le paquet de la communication I2C se compose de plusieurs parties.

- le signal START
- l’adresse de paquet
- data de paquet
- le signal STOP

Pour utiliser le bus i2c, il faut les fonctions suivantes:

Tâches sur le bus sérial

tâche1: envoyer en boucle le caractère ‘!’
tâche 2: envoyer en boucle le message "Bienvenue chez Polytech'Lille"

Semaine4

Réaliser des sémaphores

Comme les deux tâches sont sur le port série et le bus SPI, il est nécessaire de gérer l'accès concurrent au port entre deux tâches. Il faut donc mettre en place un mécanisme de sémaphores permettant d'assurer l'accès exculsif au port série et le bus SPI.

La fonction P() permet de vérifier si le port série ou le bus SPI est disponible, si oui le prend, si non la tâche l'exécutant est suspendue. La fonction V() sert à rendre le port série ou le bus SPI et, si besoin, rend active la tâche suspendue.

Ecrire la bibliothèque pour le timer, celle pour le bus SPI ,celle pour bus I2C, celle pour le port série et celle pour les sémaphores. Commencer à réaliser l'ordonnanceur à partir de sources fournies.

Semaine 5

Concevoir l’ordonnanceur

J’ai réalisé un ordonnanceur à partir des ressources fournies par le professeur. Cette ordonnanceur utilisait l’algorithme de Round Robin avec une intervalle de 20ms. Il fallait que l’Arduino ordonnance six tâches. Ici, il a été nécessaire d’utiliser un système d'exploitation temps réel “avr(RTOS)” afin d’ exécuter les tâches simultanément.

Semaine6

Commencer la seconde partie du projet. Mehmet Ilter a demandé à réaliser 4 jeux :

Le premier jeu est le tape-taupe : une des six LED s’allumera pendant un certain temps pendant lequel il faudra appuyer sur le bouton correspondant. Un signal sonore indiquera si « le point a été marqué ».

Le jeu est décomposé en parties :

Partie LED : afin d'allumer les LEDs au hasard, j’ai utilisé une fonction random() qui retourne des chiffres aléatoires entre 0 à 4 correspondant aux E/S des différentes LEDs. Pour augmenter les niveaux de difficultés, le temps d'attente diminue chaque fois.

Partie bouton : si le bouton est appuyé avant que la LED s’allume, le nombre de points est incrémenté.

Partie évaluation : selon le nombre de points, le jeu va afficher un message de résultat au joueur.

Semaine7

Le second jeu est le casse-tête : l’appui sur un bouton changera l’état d’une ou plusieurs LEDs, l’objectif sera d’allumer toutes les LEDs. L'algorithme consiste à changer l'état des LEDs quand un bouton est appuyé. Le jeu s'arrête quans toutes les LEDs sont allumées.

Le troisième jeu est le piano : il consiste à associer à chaque bouton un son (fréquence, amplitude) qui sera joué par le haut-parleur. La bibliothèque de l’IDE Arduino inclut la fonction tone(pin, frequency, duration) qui peut être utilisée directement.

Semaine8

Le quatrième jeu est le "répète après-moi" : il s’agit de programmer une séquence d’allumage des LEDs de plus en plus difficile à suivre. Le joueur essaiera de refaire la séquence. Deux bips sonores différents permettront de savoir si c’est un échec ou une réussite.

Ce jeu est décomposé en plusieurs parties :

Partie LED : la séquence d’allumage des LEDs est programmée par la fonction random(), il est de plus en plus difficile car la séquence est de plus en plus difficile. Une variable est définie pour stocker la séquence.
Partie bouton : après que la séquence soit jouée, le joueur appuye sur les boutons correspondants, sa séquence est stockée dans une autre variable.
Partie évaluation : si les deux variables sont mêmes, le niveau monte.

Semaine9

il y a des problèmes comme le rebond des touches. J'ai passé beaucoup de temps à déboguer les programmes. Ils fonctionnent tous mais nécessitent des améliorations et des simplifications.

Semaine 10

réaliser la troisième carte avec le mBlock avec language Scratch. Il faudra coder chaque composant individuellement puis faire interagir les composants :

led qui s’allume quand on appuie
led allumé ou éteinte en fonction de la luminosité
affichage de la température, luminosité

Voici un des programme pour faire led allumée ou éteinte en fonction de la luminosité. Dans un premier temps, j’ai programmé sur scratch( le détail des opérations est dans la documentation). Après, j’ai écrit le programme correspondant à scratch sur arduino pour faire apprendre la programmation de Arduino aux enfants.

Sources de documentation

TP système

http://vantroys.polytech-lille.net/enseignement/IMA4_OS/tp_scheduler/

I2c

http://www.embedds.com/programming-avr-i2c-interface/

Scratch

http://fr.wikipedia.org/wiki/Scratch_%28langage%29

Ordonnancementdans les systèmes d'exploitation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ordonnancement_dans_les_syst%C3%A8mes_d%27exploitation

Guide de référence pour scratch

http://scratchfr.free.fr/k1n8g7/ScratchRefGuidefrv14A4.pdf

Fichiers Rendus

Le rapport de projet est disponible ici : Fichier:PROJET IMA4.pdf
Code Source Partie1:Fichier:Partie1.zip
Code Source Partie2:Fichier:Partie2.zip

@@ Ligne 1 : / Ligne 1 : @@
-Travail a réaliser
+<include nopre noesc src="/home/pedago/pimasc/include/video-MaletteEducativeI-iframe.html" />
-- Réaliser un shield pour les TP système d'ordonnancement.
 __TOC__
 <br style="clear: both;"/>
 ==Cahier des charges==
 ===Présentation générale du projet===
 ====Contexte====
@@ Ligne 20 : / Ligne 15 : @@
 ====Description du projet====
-Ce projet s'intéresse à la fabrication de shields spécifiques pour Arduino et au développement de logiciels / bibliothèque associés.
+Ce projet s'intéresse au développement de logiciels et des bibliothèque associées.
+La première partie de ce projet consiste à concevoir l'ordonnanceur pour le Shield "TP système" conçu et réalisé dans un autre projet.
-La première partie consiste à développer un shield pour les TP système en IMA4. Il devra comporter tous les éléments nécessaires au TP (matrice de LED, LED, boutons, ...) et sera compact. Le code associé permettant de simplifier la prise en main du TP sera mis au point.
 La seconde partie est à destination d'enfants. Polytech est engagée dans la sensibilisation aux sciences des enfants de primaire et du collège. Cela s'est traduit par exemple à la mise en place d'une compétition de robotique pour les élèves de primaire
 Afin d'aller plus vers l'apprentissage de la programmation, nous envisageons d'initier des élèves à la plateforme Arduino.
 Il est demandé de concevoir et réaliser :
-->une mallette avec un arduino,
+* une mallette avec un Arduino,
-->des cartes d'extensions spécialement pensées pour des expérimentations simple et sécurisées,
+* des exemples de projets réalisables par des enfants, soit en autonomie (collège) soit accompagnés (primaire),
-->des exemples de projets réalisables par des enfants, soit en autonomie (collège) soit accompagnés (primaire),
+* une documentation claire et didactique pour les enfants,
-->une documentation claire et didactique pour les enfants,
+* une documentation plus approfondie pour les enseignants.
-->une documentation plus approfondie pour les enseignats.
 ====Choix techniques : matériel et logiciel====
-Pour la conception des shields nous allons utiliser Altium designer
+Logiciel:
-Pour la programmation, nous allons utiliser le langage C et Arduino.
+* Pour la programmation, nous allons utiliser le langage C.
+Matériel de développement :
+* Un arduino Uno [<span style="color: green;">disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)</span>]
+* Une matrice RGB 8*8 [<span style="color: green;">disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)</span>]
+* Matrice 8*8 monocolore utilisant le bus i2c [<span style="color: green;">disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)</span>]
+* Un afficheur 4*7 segments [<span style="color: green;">disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)</span>]
+* Une LED rouge [<span style="color: green;">disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)</span>]
+* Une LED jaune [<span style="color: green;">disponible au 29/1/2015 en E306 (dans votre casier)</span>]
 ===Etapes du projet===
+La première étape du projet sera de l'ordonnanceur de démonstration du Shield pour les TP système d'ordonnancement. Ce shield comporte une matrice 8*8 RGB SPI, une LED rouge, une LED jaune, un afficheur 4*7 segments SPI et une matrice 8*8 monocouleur utilisant le bus I2C.
+== Planning prévisionnel de l'avancement du projet ==
+Semaine 1 : réalisation du programme correspondant au premier shield : ordonnanceur, conception de la carte
+semaine 2 : fabrication du shield et prise de rendez-vous avec tuteur pour la suite du projet.
 ==Avancement du Projet==
 ===Semaine 1===
-...
+Discussion autour du projet, détailler le cahier des charges et préciser le but du projet.
+===Semaine 2===
+réaliser les Tâches sur le bus SPI
+*tâche 1: envoyer en double différents colonnes de couleurs sur une matrice de LED communiquent via le bus SPI.
+*tâche 2: envoyer en boucle des chiffres sur un afficheur de 7 segments communiquent via le bus SPI.
+Le figure ci-dessous montre la principe de la fonctionnement pour le bus SPI.
+[[Fichier:SPI.png]]
+===Semaine 3===
+Tâche sur le bus I2C
+*tâche 1: envoyer en bouble des dessins sur une matrice monocolore via le bus I2C.
+Le paquet de la communication I2C se compose de plusieurs parties.
+ - le signal START
+ - l’adresse de paquet
+ - data de paquet
+ - le signal STOP
+Pour utiliser le bus i2c, il faut les fonctions suivantes:
+[[Fichier:i2c.jpg]]
+Tâches sur le bus sérial
+* tâche1: envoyer en boucle le caractère ‘!’
+* tâche 2: envoyer en boucle le message "Bienvenue chez Polytech'Lille"
+===Semaine4===
+Réaliser des sémaphores
+*Comme les deux tâches sont sur le port série et le bus SPI, il est nécessaire de gérer l'accès concurrent au port entre deux tâches. Il faut donc mettre en place un mécanisme de sémaphores permettant d'assurer l'accès exculsif au port série et le bus SPI.
+[[Fichier:sema.jpg]]
+La fonction P() permet de vérifier si le port série ou le bus SPI est disponible, si oui le prend, si non la tâche l'exécutant est suspendue. La fonction V() sert à rendre le port série ou le bus SPI et, si besoin, rend active la tâche suspendue.
+Ecrire la bibliothèque pour le timer, celle pour le bus SPI ,celle pour bus I2C, celle pour le port série et celle pour les sémaphores. Commencer à réaliser l'ordonnanceur à partir de sources fournies.
+===Semaine 5===
+Concevoir l’ordonnanceur
+J’ai réalisé un ordonnanceur à partir des ressources fournies par le professeur. Cette ordonnanceur utilisait l’algorithme de Round Robin avec une intervalle de 20ms. Il fallait que l’Arduino ordonnance six tâches.
+Ici, il a été nécessaire d’utiliser un système d'exploitation temps réel “avr(RTOS)” afin d’ exécuter les tâches simultanément.
+===Semaine6===
+Commencer la seconde partie du projet. Mehmet Ilter a demandé à réaliser 4 jeux :
+Le premier jeu est le tape-taupe : une des six LED s’allumera pendant un certain temps pendant lequel il faudra appuyer sur le bouton correspondant. Un signal sonore indiquera si « le point a été marqué ».
+Le jeu est décomposé en parties :
+* Partie LED : afin d'allumer les LEDs au hasard, j’ai utilisé une fonction <tt>random()</tt> qui retourne des chiffres aléatoires entre 0 à 4 correspondant aux E/S des différentes LEDs. Pour augmenter les niveaux de difficultés, le temps d'attente diminue chaque fois.
+* Partie bouton : si le bouton est appuyé avant que la LED s’allume, le nombre de points est incrémenté.
+* Partie évaluation : selon le nombre de points, le jeu va afficher un message de résultat au joueur.
+===Semaine7===
+Le second jeu est le casse-tête : l’appui sur un bouton changera l’état d’une ou plusieurs LEDs, l’objectif sera d’allumer toutes les LEDs. L'algorithme consiste à changer l'état des LEDs quand un bouton est appuyé. Le jeu s'arrête quans toutes les LEDs sont allumées.
+Le troisième jeu est le piano : il consiste à associer à chaque bouton un son (fréquence, amplitude) qui sera joué par le haut-parleur. La bibliothèque de l’IDE Arduino inclut la fonction <tt>tone(pin, frequency, duration)</tt> qui peut être utilisée directement.
+===Semaine8===
+Le quatrième jeu est le "répète après-moi" : il s’agit de programmer une séquence d’allumage des LEDs de plus en plus difficile à suivre. Le joueur essaiera de refaire la séquence. Deux bips sonores différents permettront de savoir si c’est un échec ou une réussite.
+Ce jeu est décomposé en plusieurs parties :
+* Partie LED : la séquence d’allumage des LEDs est programmée par la fonction <tt>random()</tt>, il est de plus en plus difficile car la séquence est de plus en plus difficile. Une variable est définie pour stocker la séquence.
+* Partie bouton : après que la séquence soit jouée, le joueur appuye sur les boutons correspondants, sa séquence est stockée dans une autre variable.
+* Partie évaluation : si les deux variables sont mêmes, le niveau monte.
+===Semaine9===
+il y a des problèmes comme le rebond des touches. J'ai passé beaucoup de temps à déboguer les programmes. Ils fonctionnent tous mais nécessitent des améliorations et des simplifications.
+===Semaine 10===
+réaliser la  troisième carte avec le mBlock avec language Scratch.
+Il faudra coder chaque composant individuellement puis faire interagir les composants :
+*led qui s’allume quand on appuie
+*led allumé ou éteinte en fonction de la luminosité
+*affichage de la température, luminosité
+Voici un des programme pour faire led allumée ou éteinte en fonction de la luminosité. Dans un premier temps, j’ai programmé sur scratch( le détail des opérations est dans la documentation). Après, j’ai écrit le programme correspondant à scratch sur arduino pour faire apprendre la programmation de Arduino aux enfants.
+ [[Fichier:scratch.jpg]]
+=== Sources de documentation ===
+*TP système
+http://vantroys.polytech-lille.net/enseignement/IMA4_OS/tp_scheduler/
+*I2c
+http://www.embedds.com/programming-avr-i2c-interface/
+*Scratch
+http://fr.wikipedia.org/wiki/Scratch_%28langage%29
+*Ordonnancementdans les systèmes d'exploitation
+http://fr.wikipedia.org/wiki/Ordonnancement_dans_les_syst%C3%A8mes_d%27exploitation
+*Guide de référence pour scratch
+http://scratchfr.free.fr/k1n8g7/ScratchRefGuidefrv14A4.pdf
 == Fichiers Rendus ==
+*Le rapport de projet est disponible ici : [[Fichier:PROJET_IMA4.pdf]]
+*Code Source Partie1:[[Fichier:partie1.zip]]
+*Code Source Partie2:[[Fichier:partie2.zip]]
+== Bibliothèque ==