第2章 pcDuino快速开发入门_pcDuino开发实战-QQ阅读男生玄幻网

上QQ阅读APP看书，第一时间看更新

第2章 pcDuino快速开发入门

2.1 pcDuino硬件平台介绍

2.1.1 pcDuino系列板卡介绍

许多初见本书的读者可能首先会问：什么是pcDuino？用一句话概括，pcDuino就是Mini PC+Arduino。pcDuino实物如图2-1所示。

图2-1 pcDuino V2板卡

首先，pcDuino是LinkSprite推出的一台Mini PC，它拥有高性能的ARM处理器、USB接口、HDMI显示输出、网络接口等，并可以像PC一样运行Ubuntu Linux操作系统（见图2-2）或像平板电脑一样运行Android操作系统（见图2-3）。

图2-2 pcDuino运行Ubuntu操作系统

图2-3 pcDuino运行Android操作系统

表2-1为pcDuinoV1的硬件配置信息。

表2-1 pcDuinoV1配置

pcDuino搭载的是一颗由全志科技设计生产的A10处理器，内部集成了Cortex-A8（ARMv7）内核，采用55nm工艺生产，主频可达1GHz。这款国产CPU具有高性价比，广泛用于低端平板电脑市场，并且在近年来成为国内外开源硬件平台的宠儿，有不少平台都采用了这款CPU（见图2-4）。

图2-4 pcDuino上的全志A10CPU

首先，这款全志A10处理器具有ARM Mali-400GPU，支持硬件高清解码、HDMI或LCD输出，能够以1080p（30fps）或双通道720p（30fps）的速率播放H.264编码视频，最大支持2GB DDR2/DDR3内存，支持NAND Flash、SD卡，并可以选择从上述设备或者USB启动。A10还集成了SATA硬盘接口和摄像头接口（pcDuino上没有引出），并拥有GPIO、UART、I2C、SPI、AD等常见的嵌入式接口，非常适合DIY应用。

其次，pcDuino具有兼容Arduino的特性。现在很多市面上的板卡都声称与Arduino兼容，但大多数都是接口兼容，即具有与Arduino类似的引脚定义，但软件上还是使用各自的开发环境，不能共用代码。pcDuino不但在硬件接口上完全兼容Arduino，可以使用Arduino的扩展模块--这一点的好处我们将在第3章中证实--同时它还可以使用Arduino的软件环境进行开发。pcDuino通过提供良好的API，支持在Ubuntu下运行Arduino IDE，使用Arduino现有的软件库并在pcDuino板卡上直接编译执行程序。

除了Arduino的软件开发方式之外，用户还可以使用Python、Java、C/C++等常见的编程语言设计软件。无论你是想要实现复杂应用的嵌入式工程师、对硬件一窍不通的程序员，或是几乎没有编程基础的学生和创客（Maker），都可以轻松地使用pcDuino实现自己的创意。

目前pcDuino已有多个衍生型号（见图2-5）。最初的版本为pcDuino V1，配置1GB内存、2GB NAND Flash、两个USB Host接口。作为pcDuino的原型版，该版本的插针在PCB板的一侧，需要转接板才能连接Arduino Shield。

图2-5 pcDuino大家族（左上为V1，右上为V2，左下为Lite，右下为Lite WiFi）

此后LinkSprite又在V1版本的基础上推出了pcDuino Lite。Lite与V1板卡共用了PCB，只是通过选焊一些芯片来降低成本，比如内存降为512MB，取消了内置NAND Flash，而且需要外接TF卡才能使用。pcDuino Lite的价格也降至与B版Raspberry Pi相近，但性能仍然比Raspberry Pi高出许多，适合学生等关心价格的初学者使用。

pcDuino V2作为V1的改进版本，重新修改了PCB，除了拥有V1中的配置以外，在板上继承了无线网卡（当然相对地也少了一个USB Host接口），并将扩展接口重新排布，使之能够兼容Arduino的接口尺寸，可以直接使用部分Arduino的扩展模块，同时这也改善了主板与扩展模块之间的机械连接结构。

如果你需要一块尺寸更小、更加便宜的板子，就可以选择pcDuino Lite WiFi。该型号缩小了PCB尺寸，砍掉了以太网的RJ45接口并只保留了256MB的内存，完全依靠WiFi连接网络。这一型号适合成本敏感的应用，并且更加小巧。

2.1.2 pcDuino接口及外设

pcDuino上包含1个用于连接显示器并输出图形和声音的HDMI接口，1～2个USB Host接口，1个USB OTG接口，1个RJ45网络接口，以及一组用于扩展功能的排针。后面介绍pcDuino时大致需要涉及以下配件。

·迷你USB接口5V电源适配器，至少能够提供2A电流，同时USB线也要求能够承载2A以上电流，请勿使用过细的数据线。

·支持HDMI接口的高清显示器。

·HDMI连接线：如果没有带HDMI接口的显示器。可以使用HDMI到VGA转换线或者HDMI到DVI转换线。

·USB接口键盘、鼠标。

·USB HUB。由于USB接口较少，推荐使用一个USB HUB进行扩展。这里需要注意，当HUB上连接的设备较多时，pcDuino的USB接口可能无法满足各个设备的供电需要，此时最好更换电流更大的电源适配器，或使用独立供电的USB HUB。

·microSD卡和读卡器：推荐使用两块2GB以上的microSD卡。一块用来升级内核，另外一块用来升级Ubuntu文件系统。

不同型号的pcDuino扩展接口也略有差别，如扩展pcDuino V1和pcDuino Lite的扩展接口全在板子的一侧，而pcDuino V2以后的接口为了更好兼容Arduino模块而分布在PCB的两侧。即使如此，二者的I/O引脚排序依然是相同的。图2-6为pcDuino V1与V2之间的接口排布示意图。

pcDuino的扩展接口包含了用户可以编程控制的GPIO和多种总线接口，其中上面一排为数字接口，下面一排为模拟接口和电源引脚，其中大部分数字引脚都可以通过配置选择作为专用接口或普通GPIO。具体配置如下：

·14×GPIO（最大输出电4mA），部分可输出PWM（可调占空比）波形

·1×UART接口

·2×I 2C总线接口

·4×SPI总线接口

·6×ADC接口，ADC 0、ADC 1为6位AD，其余为10位AD

图2-6 pcDuino V1/Lite扩展接口示意

除了兼容Arduino的接口以外，pcDuino还额外提供了几个接口，如图2-6右下角的Debug串口，在没有网络和显示器的情况下，可以使用此串口通过TTL-to-RS232或者USB-to-Serial模块连接PC，再使用SecureCRT等软件来访问pcDuino。另外，此串口会在设备启动后打印信息，内核信息也会在该串口上显示，这为想要调试Bootloader和内核的用户提供了一个方便的途径，如图2-7所示。

由于pcDuino的接口定义兼容Arduino，部分Arduino模块可以直接在pcDuino上使用。为什么说是部分呢？由于Arduino一部分主板使用的AVR单片机是5V I/O电平的，而pcDuino使用3.3V I/O电平（部分Arduino的主板也使用3.3V电平），因此采用5V电平的模块需要进行电平转换才能在pcDuino上使用。可以在pcDuino和扩展模块之间增加一个LinkSprite的T Board来实现电平转换，注意pcDuino V1和V2使用的T Board略有不同。

除了Arduino丰富的模块以外，pcDuino官方还推出了一款Linker Base Shield，它将pcDuino的I/O引出的同时，为每组I/O都搭配了电源引脚，这样可以十分方便地为pcDuino扩展I/O模块。

图2-7 利用Debug串口进行调试

同时，由于pcDuino运行多任务的Linux操作系统，可以通过运行多个应用程序进程分别控制不同的I/O，各个程序可以独立运行互不影响，只要程序之间使用的I/O不发生冲突。这样，一台pcDuino就可以作为多个Arduino来使用。

pcDuino作为一台Mini PC，可以使用多种语言和工具进行软件开发，在接下来的几章中，笔者会依次讲解各种语言和环境的开发方法。

在本章的后两节中，读者可以了解到如何使用C/C++通过命令行和Arduino IDE编写并执行程序，这也将是本书的主要编程方法。第5章和第6章将介绍除C语言以外的编程语言：Python和JavaScript，以及使用Cloud9IDE等开发环境编写软件。第7章会向读者讲解如何使用QT for Android为pcDuino开发Android系统下运行的应用软件。

在介绍每一种开发语言或开发方法时都会配合一个实例，以帮助读者更好地理解这些高级语言是如何在pcDuino上执行并控制硬件的。

2.2 使用Arduino IDE编写pcDuino程序

本节将演示如何使用Arduino IDE为pcDuino编写Sketch，并通过一个按键来控制LED。LED连接至pcDuino的GPIO1，按键连接至pcDuino的GPIO2。

pcDuino的Ubuntu系统中已经集成了Arduino IDE，可以直接使用。单击屏幕左下角的系统菜单，选择Programming→Arduino IDE，就会弹出Arduino IDE窗口，如图2-8所示。

图2-8 运行Arduino IDE

pcDuino的Arduino IDE在外观和使用上与Arduino官方版本完全相同，并且已经包含了在pcDuino上运行所需的环境和针对pcDuino的函数库（见图2-9）。

图2-9 Arduino IDE for pcDuino

单击菜单栏的Tools→Board→pcDuino（ARM Cortex-A8），选择pcDuino为程序运行的目标板（见图2-10）。

图2-10 选择目标板

在Sketch→Import Library菜单中可以添加库文件，如图2-11所示，这些库与我们在命令行的c_environment中看到的相同，只需选择相应的项目就可以将函数库加入工程，并且自动在代码中添加头文件引用。如果这些库无法满足需求，还可以通过Add Library添加第三方函数库。这里我们只需要使用基本的GPIO，因此不需要添加额外的库。

图2-11 添加函数库

第一次打开Arduino IDE窗口会显示一个新的空白Sketch模板，我们可以在这个模板的基础上编写代码，同时也可以参考为pcDuino编写的例子。在菜单栏选择File→Examples→00.pcDuino→0.2.Linker_kits→linker_led_test打开一个LED测试例程，如图2-12所示。

图2-12 打开测试例程

这里我们要在原作的基础上添加一个按键，按键的控制方法可以参考linker_button_test例程，Sketch代码见代码清单2-1。

代码清单2-1：GPIO控制LED、按钮范例代码

/********************************************
程序名称：led_button_test
功能：GPIO控制LED、按键范例代码
版本：v1.0
作者：懒兔子 <haixiaoli2@163.com>
*********************************************/
//包含头文件
#include <core.h>
//宏定义及全局变量
int led_pin = 1;                        //GPIO1 连接LED
int key_pin = 2;                        //GPIO2 连接Button
int keystats;                           //用于保存按键状态
//初始化设置部分
void setup() {
  pinMode(led_pin, OUTPUT);
  pinMode(key_pin, INPUT);
}
//循环执行部分
void loop() {
  keystats = digitalRead(key_pin);      // 读取按键状态
  digitalWrite(led_pin, keystats);      // 若按键按下则点亮LED
  delay(50);
}

这段代码与单独控制LED相比多了一个按键，因此定义了key_pin变量，其值为2，即表示按键接在GPIO2上。由于要检测按键的输入状态（是否按下），因此key_pin配置为INPUT模式。同时，我们还需要一个keystats变量来存放按键的状态。

在loop()循环程序中，通过digitalRead函数读取按键的状态，将读到的数值赋给keystats变量。当按键按下时，key_pin为高电平，keystats=1；按键松开时，key_pin为低电平，keystats=0。由于led_pin也是高电平点亮的，因此将keystats的值直接通过led_pin输出。这样当按键按下时将点亮LED。loop()函数每50ms循环执行一次，也就是每50ms检测一次按键状态。

图2-13所示为编写完成的Sketch。

图2-13 编写Sketch代码

图2-14 保存Sketch

由于我们打开的是一个Arduino IDE自带的例程，而这个例程是只读而不能修改的，因此需要通过菜单中的File→Save as选项将编写完成的代码另存一份。这里命名为my_led_button_test，保存后，会在选定的目录里生成一个my_led_button_test文件夹，其中的my_led_button_test.ino文件就是Arduino IDE保存的Sketch文件，如图2-14所示。

pcDuino作为Mini PC与Arduino的结合体，不需要外接计算机和下载器就可以编写和运行Sketch。通过点击工具栏中的按钮可以编译编写完成的Sketch，并且检查是否有语法错误；而使用按钮除了编译代码以外，还可以直接让代码在pcDuino上运行（相当于Arduino的程序下载过程），如图2-15所示。

图2-15 编译、下载代码

程序完成编译和下载过程后，会弹出一个命令行窗口，这时Sketch已经开始执行。按下按键后LED会点亮。关闭命令行窗口可以使Sketch停止运行，如图2-16所示。

图2-16 运行Sketch

2.3 命令行下的C/C++开发方式

2.3.1 建立C语言开发环境

在进行pcDuino开发之前，首先要获取pcDuino的C语言开发环境，也就是Arduino程序的底层支持包。pcDuino官方将C环境放在Github网站上，使用者可以通过Web页面或者Git工具自由下载。

Ubuntu默认不集成Git工具，因此需要手动下载安装Git，命令如下：

$ sudo apt-get install git

安装完成后，跳转到用户目录/home/Ubuntu，并使用Git工具获取pcDuino的C语言开发环境，命令如下：

$ cd ～
$ git clone https://github.com/pcduino/c_enviroment

图2-17展示了使用Git工具下载pcDuino的C语言开发环境。

如果在使用Git工具的过程中出现如下错误信息，可能是因为pcDuino的时间与服务器时间不同步，需要更新系统时间（pcDuino虽然有内部RTC，但由于没有电池，断电后时间就会丢失）。

Cloning into 'c_enviroment'...
error: server certificate verification failed.
CAfile: /etc/ssl/certs/ca-certificates.crt
CRLfile: none while accessing https://github.com/pcduino/c_enviroment/info/refs
fatal: HTTP request failed

图2-17 使用Git工具获取pcDuino的C语言开发环境

这时使用date命令修改系统时钟，然后再运行上面的git命令：

$ sudo date -s 2013/12/3
$ sudo date -s 21:11:00

下载完成后，可以通过命令查看c_enviroment目录的结构：

$ cd c_enviroment
$ ls
Makefile  hardware  libraries  sample

简单解释下目录结构。Makefile文件是用于编译程序的脚本，用户通过运行make命令执行该脚本中的内容，从而将代码编译成可执行文件。hardware目录下存放pcDuino的程序支持代码文件，包括pcDuino的接口定义，以及支撑Arduino代码运行的API和一些基本函数库等。libraries目录下是几个常用接口的函数库，如，SPI目录是SPI接口函数库，Wire目录是I 2C接口的函数库，LiquidCrystal目录是LCD显示库，而PN532_SPI目录则是NFC Shield的函数库。sample目录中存放了一些C语言例程，初学者可以通过学习这些例程来熟悉各个接口的使用方法，我们在一开始也会通过修改现有的例程来实现自己的第一个pcDuino程序。

小贴士

有Linux下C语言开发经验的读者可以查看各个目录下的代码，来了解pcDuino上如何实现Arduino风格的编程。这些代码并不复杂，只是调用简单的设备驱动并向上留出接口，但却很好地为Arduino程序开发提供了支撑。希望更进一步开发pcDuino的读者也可以在此基础上编写自己的API和底层函数。

要使用C语言开发环境，首先要通过GCC（GNU Compiler Collection，GNU编译器套装）对其进行编译，而pcDuino已经内置了GCC。如前面内容提到的，使用一条make命令就会自动进行这些工作：

$ make

经过一段调试后编译完成。下面我们进入存放例程的sample目录，通过文本编辑工具查看已有的例子。关于文本编辑器，笔者推荐初学者使用nano，这个工具提供了类似于DOS界面文本编辑器的功能和快捷键菜单，可以进行文本查找等基本操作，操作方法提示显示在终端的下方，比如^G Get Help表示按下Ctrl+G键调出帮助，^X Exit表示Ctrl+X退出程序，如图2-18所示。

图2-18 命令行下的nano工具

nano同时支持彩色的C语言关键字，这对于命令行下的开发有很大的帮助。当然，对于从事专业开发的读者来说，vi会是一个更好的选择。

彩色关键字需要终端程序支持，如果使用SecureCRT软件远程连接pcDuino，需要简单设置一下。选择菜单栏Options→Session Options，在Session Options窗口中选择左侧的Emulation项目，将Terminal类型设置为Linux，并选中ANSI Color选项。这样终端软件就会以Linux风格显示命令行，在nano等软件中也可以显示彩色关键字了，如图2-19所示。

图2-19 设置SecureCRT支持Linux风格命令行

2.3.2 命令行方式的Sketch设计

下面我们使用nano为pcDuino编写第一个Sketch，用于点亮一盏LED。这个Sketch的代码和第1章的Arduino点亮LED完全相同，只是多了一个头文件引用：#include<core.h>。这一点需要注意，在pcDuino上运行的Arduino代码都需要加入此头文件。事实上，pcDuino和Arduino的代码具有很好的兼容性，只要有相应的C语言库支持，很多Arduino的程序经过简单修改就可以在pcDuino上运行。

将LED连接至pcDuino的GPIO1，将按键连接至GPIO2。通过nano工具在sample目录下通过如下命令创建一个led_button_test.c文件（当使用nano打开一个文件时，如果该文件名对应的文件不存在，nano就会新建一个文件），然后输入代码清单2-1中的代码。

$ nano led_button_test.c

代码编写完成后，按Ctrl+X键退出nano，程序会提示是否保存刚才修改的文件，按Y键，程序还会询问保存的文件名，再按回车键将文件保存成led_button_test.c。

每次创建新的代码文件时，都需要修改Makefile以实现对新文件的编译。使用nano修改sample目录下的Makefile文件：

$ nano Makefile

在几行“OBJS+=…”的后面另起一行，添加刚才创建的代码文件（不用添加“.c”后缀名，编译器会自动识别对应的C文件）：

OBJS += led_button_test

保存后退出，在sample目录下运行make命令，编译器开始对该目录中的代码进行编译。完成编译后在c_enviroment/output/test/目录下会生成一个led_button_test可执行文件，运行这个文件就可以查看效果了。

在运行Sketch之前，先将LED与pcDuino连接好，或者也可以使用与pcDuino配套的Linker Base Shield和Linker_LED模块。连接pcDuino和Linker Base Shield，将Linker_LED模块通过排线插在D1连接器上。

在test目录下运行Sketch：

$ ./led_button_test

LED开始闪烁，按Ctrl+C键可以退出Sketch。以后编写新的Sketch，都可以在sample目录中进行，通过修改Makefile添加自己的代码文件，然后用make命令编译，编译好的可执行文件保存在output目录下，与C文件的名称相同。

2.3.3 pcDuino下的代码调试

对于比较复杂的Sketch来说，很难保证代码一次编写完成就能正确运行，因此调试对于程序设计来说显得尤为重要。由于Arduino设备没有仿真工具，缺少断点、单步等调试手段，常用的调试方法是LED+串口输出调试信息，在pcDuino上进行开发时也是如此。不过pcDuino运行的是Linux操作系统，可以方便地使用一些Arduino没有的调试方法，如通过标准的printf和scanf函数在终端中显示信息并输入参数等，或使用Linux自带的GDB工具进行调试。

让我们来看一下pcDuino自带的linker_led_test.c例程，如代码清单2-2所示。

代码清单2-2：pcDuino自带LED例程

/*
* LED test program
*/
#include <core.h>
int led_pin = 1;
void setup()
{
#ifndef PCDUINO_IDE
    if(argc != 2){
          goto _help;
    }
    led_pin = atoi(argv[1]);
#endif
  if((led_pin < 0) || (led_pin > 13)){
          goto _help;
    }
    pinMode(led_pin, OUTPUT);
  return;
_help:
    printf("Usage %s LED_PIN_NUM(0-13)\n", argv[0]);
    exit(-1);
}
void loop()
{
  digitalWrite(led_pin, HIGH);          // set the LED on
  delay(1000);                          // wait for a second
  digitalWrite(led_pin, LOW);           // set the LED off
  delay(1000);                          // wait for a second
}

执行这段代码时，通过在程序名称后面追加参数可以灵活选择使用哪个GPIO作为LED引脚，如加一个数字2即表示使用GPIO2作为LED引脚：

$ ./linker_led_test 2

代码中的argc表示程序拥有的参数个数，程序名本身也算作一个参数，如果只运行./linker_led_test，那么argc=1。argv[x]表示程序的第x个参数，其中程序名本身是argv[0]，因此程序名后面跟随的GPIO编号是argv[1]，这个参数是字符串，因此需要通过atoi()函数将其转换成数字。两条goto语句则表示如果参数的数量不等于2，并且LED使用的引脚编号不在pcDuino的I/O范围内，则显示一条本程序用法的提示信息，并退出程序，将不会执行loop()函数中的代码。

我们也可以在代码中增加printf调试信息，修改后的loop()函数如下：

void loop()
{
  digitalWrite(led_pin, HIGH);          // set the LED on
  printf("LED status: ON!\n");
  delay(1000);                          // wait for a second
  digitalWrite(led_pin, LOW);   // set the LED off
  printf("LED status: OFF!\n");
  delay(1000);                          // wait for a second
}

重新编译执行，就可以看到显示LED状态的调试信息，如图2-20所示。

图2-20 显示LED状态的调试信息

在代码中增加打印信息，或者相反，在特定的代码阶段控制LED的亮灭都可以帮助开发者掌握代码的运行情况。这种方法简单而有效，适用于结构不是特别复杂的软件。如果涉及的代码量很大，或者结构特别复杂，还可以使用Linux自带的GDB工具进行调试。GDB工具的使用方法不在本书的讨论范围内，感兴趣的读者可以通过网络资料或相关数据进一步了解其使用方法。