1.2 Arduino的生态圈_pcDuino开发实战-QQ阅读男生玄幻网

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第1章开源硬件先驱Arduino

1.1 Arduino介绍

Arduino（见图1-1）是致力于电子产品原型设计的一种开源工具，有别于家用计算机，Arduino的目标是开发可以更加方便感知和控制现实世界的计算机系统。Arduino包括一块包含微控制器的简单电路板，以及用于为电路板进行软件编程的一套集成开发环境（即Arduino IDE）。Arduino可以用于与现实世界进行交互，通过传感器和开关感知环境变化和用户的操作，并通过控制电灯、扬声器、电机来改变光线、声音和运动。Arduino可以作为一台微型计算机独立工作，也可以与通用计算机通信并受其控制。

图1-1 Arduino标识

很多初识Arduino的朋友都会困惑于它的发音。这个单词来自意大利语，可以译为“强大的朋友”，常见的英语发音为阿德伊诺。它源于意大利伊夫雷亚交互设计学院（Interaction Design Institute Ivrea）在2005年开展的一项学生计划，当时的学生使用一款售价100美元的昂贵设备BASIC Stamp进行编程开发。后来这所学校的教师Massimo Banzi（见图1-2）连同另外两人一起开始着手设计一款廉价并且使用简单的开发板，数天后，代码和电路板相继完工，这块板子就被命名为Arduino。

图1-2 Arduino创始人之一Massimo Banzi

此后设计人员不断地对Arduino进行改进，虽然最终学校倒闭了，但是Arduino这一产品却延续了下来。因为Arduino是开源的（遵循一种CC开源协议），你可以在其基础上进行修改，并出售自己设计的产品，但如果要使用Arduino这一标识，就需要支付一定的版权费用。

目前Arduino的硬件已经演进出多种版本，包括简易的Arduino Uno（见图1-3）、基于ARM芯片的Arduino Due、集成以太网和WiFi的Arduino Yun（见图1-4）以及使用TI AM533x系列Cortex-A8芯片、功能强大的Arduino Tre（见图1-5）等。

图1-3 Arduino Uno

图1-4 Arduino Yun

图1-5 Arduino Tre

Arduino的编程语言和开发环境基于Wiring和Processing架构。Processing包含了发展自Java的编程语言和开发环境，而Wiring是用于微控制器的一种开源编程框架，可以让用户编写跨平台的程序，这些代码无需修改就可以在不同的微控制器和电路板上运行。Arduino的开发环境（见图1-6）中集成了很多代码库，通过使用库文件Maker（创客）可以绕开“如何学习使用不熟悉的外围模块”这一令人头疼的问题，比如当你需要为自己的工程添加一个点阵式的LCD显示器，用来显示一些数据和菜单，只要购买或自制一块LCD Shield，然后在IDE中添加LiquidCrystal库，就可以通过几行简单的代码在LCD上显示文字。

图1-6 Arduino IDE

Arduino可以让没有太多编程基础的人做出很酷的东西，这或许正是它的魅力所在。

1.2 Arduino的生态圈

除了核心的电路板以外，Arduino还有种类繁多的扩展功能模块。为什么需要模块呢？例如，某位Maker想要为卧室的窗户做一个每天早上自动拉开的电动窗帘，而他的手里正好有一块Arduino板，那么他只需要一个用来连接电机的电机驱动模块，外加一个可以知道当前时间的时钟模块即可。但是这位Maker的朋友也许对电动窗帘不感兴趣，他似乎更关心当他外出后谁来给他的宠物狗喂食，那么好吧，只要将电机驱动模块拿掉，换上一个控制投食口的继电器模块，即可定时定量地向宠物狗的餐盆中投放食物。

Arduino具有标准的接口，许多主板都互相兼容，因此一个兼容Arduino的模块可以供不同型号的Arduino板使用，而且多个模块也可以叠加在同一块Arduino板上。在某种意义上这种标准化接口和模块复用让Arduino成为电子积木，使用者像搭积木一样将实现不同功能的模块和电路板拼接在一起，这为Arduino建立了良好的生态圈。

上述开源的Arduino扩展功能模块囊括了各种应用领域，如光线、声音、温度、湿度等传感器模块，用于数据通信的GSM、GPRS、Bluetooth模块，用于测量距离与障碍物的红外、超声波模块，用于控制运动和姿态的电机、舵机控制模块等。除了官方推出的Shield（见图1-7）以外，很多第三方机构或个人也制作了个性鲜明的系列模块和扩展板（见图1-8）。有如此丰富的模块来实现各种功能的组合，就不用发愁如何将灵感变成实物了。本书充分汲取了Arduino的这种特性，读者将在后面内容中学到各种模块的使用方法。

图1-7 Arduino官方Shield

图1-8 拥有众多模块的第三方套件Tinker Kit

1.3 Arduino开发方法

1.3.1 Arduino开发环境搭建和使用

使用Arduino的最小化配置为：一台PC、一根A口公头转B口公头的USB线，以及一块Arduino板（比如Arduino Uno）。将Arduino板与PC通过USB线连接，安装一款Arduino IDE软件就可以开始Arduino之旅了（见图1-9）。

图1-9 通过USB线连接PC与Arduino

可以在官方网站http://arduino.cc/上下载Arduino IDE，并且针对Windows操作系统Arduino官方还提供了免安装版本。选择“Windows（ZIP file）”下载Arduino IDE压缩包，笔者使用的版本是Arduino 1.5.5Beta（见图1-10）。

解压下载好的zip文件，无需进行安装，直接双击arduino.exe运行Arduino IDE。

进入Arduino IDE（见图1-11）。软件共分为三部分，上方的菜单栏和工具栏，中间的代码编辑器，以及下方的调试信息栏和状态栏。菜单栏包含了Arduino IDE的全部功能选项。File菜单用于文件操作，如新建Sketch或打开实例；Edit菜单包含文本编辑和查找等功能；Sketch菜单包括编译和导入函数库选项；Tools菜单用于对目标板类型、编程器和串口进行选择和操作。

图1-10 下载Arduino IDE

图1-11 Arduino IDE

小贴士

通常Arduino程序不用Program表示，习惯上称为Sketch，中文意为画或草图。这是因为Arduino的编程语言是基于Processing的，而Processing的设计针对的就是视觉艺术家而不是传统意义上的程序员。

图1-12 工具栏

相比菜单栏来说，工具栏显得十分简洁，总共有6个按钮（见图1-12）。从左至右依次为“校验”、“上传”、“新建”、“打开”、“保存”和“串口监视器”按钮。“校验”（Verify）按钮通过使用编译器编译程序来检查代码的语法错误。“上传”（Upload）按钮即通常所说的下载或烧写功能，用于更新Arduino板中的程序。“串口监视器”（Serial Monitor）按钮会打开一个串口终端窗口，通过这个窗口可以使用ISP串口与Arduino通信。

Help菜单中的Getting Started选项俨然就是一个本地运行的袖珍版Arduino网站（见图1-13），用户可以在其中找到Arduino的入门教程和函数使用说明，虽然内容是全英文的但却通俗易懂，建议初学者通读一遍，对以后使用Arduino会有很大帮助。

图1-13 Arduino Getting Started页面

熟悉了Arduino IDE之后，我们来一同了解Arduino IDE的使用和开发流程。首先，通过菜单栏Tools→Board选项选择一款Arduino板。Arduino IDE支持目前市面上所有的官方Arduino板，笔者使用的是Arduino Uno R3，因此选择Arduino Uno（见图1-14）。

图1-14 选择Arduino板

选择好Arduino板之后，还要考虑如何将程序下载到Arduino板上，这就要用到编程器了。Arduino所用的MCU一般都支持ISP（In-system Programming，在线系统编程）方式下载，即通过MCU的串口或者USB接口对芯片进行编程，而无需另外购置仿真器或编程器。比如Arduino Uno就使用AVR单片机的ISP功能，在这里选择菜单栏的Tools→Programmer→AVR ISP（见图1-15）。

图1-15 选择编程器

同时，还要选择Arduino连接的串口。如果PC有多个串口，可以在Windows设备管理器中查看哪个是Arduino的串口（见图1-16）。

图1-16 选择串口

图1-17 导入函数库

使用Arduino一定要尝试它丰富的内置函数库，通过选择菜单栏中Sketch→Import Library中的选项就可以将对应的函数库导入工程中（见图1-17）。这些函数库涵盖了基本接口、网络通信、图形显示、数据存储以及电机控制等各个领域，如果这些库还不能满足你的需求，可以通过Add Library导入从网上下载的第三方库。

Arduino IDE还为初学者准备了一些Sketch实例，用户可以先学习这些教科书式的Sketch，然后再自己动手编写。这些实例在File→Examples菜单中，选择需要的实例就会打开一个该实例的新窗口（见图1-18）。

图1-18 打开Sketch实例

选择AnalogInput选项，Sketch实例的代码会显示在窗口中间的编辑器里，如图1-19所示。官方Sketch里包含了详细的注释说明，可以很好地帮助用户理解代码。

用户可以对代码进行修改，但由于实例本身是只读的，在保存修改后的Sketch时会提示出错。这时候只要将修改后的Sketch另存一份即可。

单击工具栏的按钮，即可对Sketch进行编译和烧写，下方的状态栏会显示编译和烧写的进度。代码烧写完成后，还会在调试信息栏中给出程序占用MCU的RAM和ROM大小，以及剩余空间大小（见图1-20）。

图1-19 Sketch实例

图1-20 调试信息栏和状态栏

1.3.2 实例：Hello Arduino--用Arduino控制LED

本节中我们将完成一个简单的Arduino Sketch--用Arduino来控制一个LED。无论是8051单片机还是ARM、DSP、CPLD、FPGA的学习，通常第一个程序的首选都是点亮一盏LED，这种学习过程被网友戏称为“一灯大师”。其实对于处理器或可编程数字逻辑来说，GPIO的控制是最简单的，往往只需要一两行代码，因此它是初学者的最佳入口，本书也不能免俗。本书将对这个Sketch的讲解作为pcDuino程序设计的铺垫，以帮助读者理解Arduino程序设计的一般方法。

首先了解一下LED的结构（见图1-21）。LED是发光二极管的简称。LED本质上是一个二极管，具有和二极管相同的性质，当正负极间的电压达到一定程度后（超过导通电压）会导通，同时放射出一定颜色的光线。

图1-21 LED结构和表示符号

想要点亮LED，只需要在其两端加一定的电压，去掉这个电压，LED就会熄灭。普通的LED可以直接用GPIO接口（General Purpose Input Output，通用输入/输出接口）驱动，并且常见的驱动方式有两种：阳极驱动和阴极驱动（灌电流驱动），如图1-22所示。不管采用哪种驱动方式，都要在电路中串接一个电阻，用来限制电流的大小，防止烧坏LED或其他电路。大功率LED不能直接由GPIO驱动，还需要增加MOS管或开关电源等电路，这里不做讨论。

图1-22 LED驱动方式

对于阳极驱动，当GPIO输出高电平时，LED与电源地之间出现电压差，点亮LED；当GPIO输出低电平（一般与电源地的电压相同）时，LED两端没有了电压差，因而熄灭。阴极驱动与之正好相反，低电平点亮，高电平熄灭。

Arduino Uno板上的引脚13连接了一个贴片封装的LED，这个LED已经焊接在电路板上，可以直接编程操作。

当新建一个Sketch时，编辑器里会自动添加两个函数：setup()和loop()。

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
}
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}

这两个函数是Arduino编程的基本函数，一个Arduino Sketch会从setup()函数开始运行，setup()中的内容只运行一次，以后除了Arduino电路板复位或者重新上电，该函数中的代码都不会再运行。这个函数通常用来做一些初始化设置。

相反，loop()函数中的内容则会重复执行。当setup()中的代码运行完成后，loop()中的代码开始一遍遍重复执行，直到电路板断电。可以说，如果Arduino正常运行，loop()中的程序是永远不会结束的，这点和一般的MCU程序设计相同。

下面我们参照Arduino的Blink例子编写代码，具体代码如代码清单1-1所示。

代码清单1-1：Arduino控制LED范例代码

/********************************************
程序名称：led_test
功能：Arduino 控制LED范例代码
版本：v1.0
作者：懒兔子 <haixiaoli2@163.com>
*********************************************/
int led_pin = 13;                       // 定义引脚13为LED引脚
void setup()
{
  pinMode(led_pin, OUTPUT);             // 设置LED引脚为输出模式
}
void loop()
{
  digitalWrite(led_pin, HIGH);          // 设置引脚为高电平，LED点亮
  delay(1000);  // 等待1s
  digitalWrite(led_pin, LOW);           // 设置引脚为低电平，LED熄灭
  delay(1000);  // 等待1s
}

这个例子定义了int型全局变量led_pin，并赋值为13，用于表示LED连接到引脚13。Arduino共有13个数字I/O，每一个都可以用来控制LED，如果没有使用板载的LED而是将LED连接在其他引脚上，就需要将这个数字设置为相应的引脚编号。

pinMode()函数用来设置led_pin变量对应引脚的模式。pinMode(led_pin，OUTPUT)表示将Arduino的13号I/O设置为OUTPUT，即输出模式。

digitalWrite()函数用于控制GPIO的电平状态，digitalWrite(led_pin，HIGH)表示led_pin变量对应的I/O输出高电平，digitalWrite(led_pin，LOW)表示输出低电平。

delay()函数用于延时一段时间，在这段时间内Arduino什么都不做，等时间过去了再执行后面的语句。delay()函数参数的单位为毫秒(ms)，delay(1000)表示等待1000ms，即1s。

这段程序实现的效果是将Arduino与LED连接的引脚13设为输出后，每隔1s关闭或打开LED，实现LED周期性闪烁。

图1-23展示了Arduino IED中如何编写Sketch。

图1-23 编写Sketch

完成代码编写后，保存Sketch为HelloArduino.ino。通过USB线连接Arduino板与PC。第一次连接可能需要安装Arduino驱动程序，这一驱动程序在Arduino IDE解压文件夹中的drivers目录下，安装驱动时选择手动浏览方式，选中drivers目录即可（见图1-24）。

按下按钮编译程序，并下载到Arduino板中，下载完成时状态栏显示Done uploading。这时Arduino板上的LED就开始闪烁了，就是这么简单。

图1-24 安装Arduino驱动程序

1.4 Arduino的局限性

前面的内容中提到过，简单是Arduino的一大优点，但力求简单也给Arduino带来了很大的局限性。Arduino无法胜任大量运算和高复杂度的工程应用，只能做一些对性能要求不高的简单工作，这是受到Arduino的硬件和软件两方面限制的。

目前绝大多数的Arduino都使用MCU作为处理器，比如Arduino Uno使用的ATmega328单片机，主频为16MHz，只有2KB的SRAM和32KB的Flash，直接限制了运行速度和代码规模。虽然后来的Arduino板所使用的MCU性能不断提升，但仍然不能满足性能较高的应用，更不用说图像处理、集群服务器这样的专业领域。Arduino官方应该也意识到了这一点，因此推出了集成高通AR9331ARM9处理器的Arduino Yun和集成TI AM335x Cortex-A8处理器的Arduino Tre，不过从Yun和Tre的硬件结构来看，都是CPU+MCU，也就是说将一块高性能的ARM板和低端的Arduino画在一块电路板上，两个处理器间通过通信接口相连，并未实现“一U两用”（pcDuino与Arduino Yun和Arduino Tre的结构不同，不需要额外的MCU，可以在Linux系统中运行Arduino程序，实现Mini PC和Arduino无缝结合）。

另一方面，虽然Arduino IDE使用方便，但缺乏有效的调试手段（没有仿真功能，无法实现单步执行等操作，不能随时查看内存数据），编辑器的智能化也不够理想（缺少联想、查找定义等功能），难以有效维护规模较大的代码。

虽然Arduino有一定的局限性，但仍然无法影响其成为DIY爱好者的宠儿，而且越来越多的板卡和设计开始通过各种方式兼容Arduino，更加说明了它在世界范围内的影响力，相信Arduino会在开源硬件的道路上发挥更大的作用。