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作者：楊繼志 郭敬 摘要：Arduino是一款電子互動產品開發的軟硬件平臺，有時也叫做“電子積木”。介紹了其主要的特點，指出Arduino將在我國的電子互動產品設計中發揮越來越重要的作用。之后詳細介紹了Arduino的硬件和軟件組成，并通過實例說明了基于Arduino的互動產品創新設計的基本過程，使讀者可以初步掌握采用Arduino進行設計的基本技能。 引言 Arduino是一系列基于單片機的人機互動產品開發平臺，由于其具有高度的模塊化特點，有時也叫它“電子積木”。它的硬件平臺是開放的，任何人都可以在Arduino官方網站上下載最新的PCB設計進行復制。Arduino的硬件平臺包括基于AVR單片機的主控制電路板，以及大量的各式輸入/輸出電子模塊。輸入/輸出模塊包括開關輸入模塊、溫度壓力傳感器輸入模塊、超聲測距傳感器輸入模塊、各類顯示輸出模塊、電機控制模塊等，甚至還有以太網接入模塊。由于Arduino具有豐富易用的模塊，已經在各類機電創新設計比賽中得到廣泛應用。在軟件方面，Arduino有一個屬于自己的基于Eclipse的IDE軟件開發環境，開發語言采用類C++語言的高級語言，容易被使用者掌握。有大量的庫文件可以通過互聯網下載免費獲得，大大簡化了程序開發工作。由于Arduino豐富的外圍模塊、容易掌握的開發語言和環境，大量的庫支持，使得基于Arduino的電子互動產品設計越來越多。從Arduino誕生的2005年到2011年，已有超過15萬塊的Arduino模板售出[1]。本文介紹了Arduino的硬件、軟件，并給出了采用Arduino開發互動產品的實例，使初學者對它有一個基本的認識。 1 Arduino硬件 1.1 Arduino主控板 Arduino的主控板采用AVR單片機，最新的版本是UNO，與之前的版本不同，它不再使用FTDI USB串行驅動芯片，而是把Atmega8U2編程為一個USB設備。相對于它的前幾代，這帶來了許多好處。首先是價格降低了，更重要的是這使得Arduino在PC端可以顯示為一個USB設備，就像是一個鼠標或游戲操作手柄，這開辟了Arduino的新用途[1]。總之，Arduino的主控板就是一個單片機控制板，在這一點上與其他單片機控制板并無本質的區別，但是由于其擁有豐富的系列產品、大量的開源軟件，讓Arduino得到了更為廣泛的應用和支持。 1.2 Arduino輸出模塊 市場上已經出現了圍繞Arduino Duemilanove開發的很多輸出模塊：有視覺輸出的，如LED燈控制、LCD控制、觸摸屏控制等；有聲音輸出的，如蜂鳴器和揚聲器模塊；還有物理系統的控制模塊，如各類直流小馬達、步進電機、機器人舵機等。另外，還可以利用AVR單片機的PWM輸出口進行D/A轉換。這些模塊大大拓展了Arduino作為一個單片機平臺的用途。其中基于LN298設計的直流馬達控制模塊在各類機器人項目中采用得很多，這種模塊能夠同時控制兩路直流馬達，與ArduinoDuemilanove之間的連接也十分簡便。輸出單元的模塊化使搭建基于Arduino系統的應用項目很方便。 1.3 Arduino輸入模塊 最一般的輸入如各類按鈕、位置行程開關等都有相應的模塊可以購買。其他諸如超聲測距、壓力傳感器、溫度傳感器、傾角傳感器等也有相應的模塊可以直接應用。還有記錄數據和通信用的模塊、如SD卡模塊，以太網接入模塊等，這讓Arduino不僅僅作為一個控制終端使用，還可以進行數據的存儲和簡單處理，以及與外界系統通信等，可見其輸入模塊資源豐富。從輸入的信號來看，可以分為數字量的信號輸入（如以上的開關模塊等），模擬量的信號輸入（如溫度、壓力傳感器模塊），通過總線網絡方式的數據輸入（如采用各類通信協議的傳感器模塊等）。 2 Arduino軟件 2.1 Arduino編程語言 Arduino編程語言是建立在C/C++語言基礎上的。Arduino語言把AVR單片機（微控制器）相關的一些參數設置都參數化了，不用開發者去了解其底層，對AVR單片機了解不多的用戶也可以容易地開發基于AVR的項目。需要注意的是，Arduino的語言與C語言運行機制還是有一些區別的，特別是在項目程序中必須包括setup和loop兩個函數。setup函數在系統上電或復位后運行一次，因此一般用戶在其中做一些初始化工作，如設定串口通信的波特率等，一些一次性的工作也可以放在這個函數中運行，如下文中的寫SD卡文件的例子程序。Loop函數是Arduino軟件項目的主體，系統上電并且運行完成setup函數后，就進入loop函數，并且該函數是一個無限循環的過程，這一點需要開發者特別注意，這與C語言的void main（）{}是有很大區別的。loop函數相當于下面這樣一個無限循環過程： while（1）{ 用戶程序 } 在系統setup執行之后，總是進入這個函數，開發者需要把自己的程序放在這個函數內運行。 2.2 Arduino開發環境 Arduino的開發環境很簡潔，用戶可以在其官方網站上免費下載使用，IDE如圖1所示。可以看到，在一個簡單的菜單和工具條下，就是IDE的編程窗口和一個串行通信監視窗口。其中工具條包含了保存打開文件、向Arduino板下載程序等主要功能，與一般的Windows軟件并無不同。在編程窗口下是一個串口監視器窗口。因為Arduino開發板沒有專門的顯示平臺，在許多程序的調試過程中需要Arduino傳輸給上位機一些信息以便于開發者判斷程序的運行狀況，或者得到程序的運行結果。這些結果可以通過串口監視器顯示，開發者也可以通過該窗口向Arduino板發送一些信息，極大地方便了項目的開發。 
圖1 Arduino的IDE 3 Arduino平臺開發實例 3.1 用Arduino讀寫SD卡 SD卡體積小，價格便宜，因此在許多工業數據記錄和家用電子產品中有越來越多的應用。Arduino可以通過SPI接口與之通信，進行諸如建立文件、刪除文件、向文件中添加內容、修改文件等操作，這樣采用Arduino配合SD卡可以開發數據記錄設備。 Arduino與SD卡的簡單連接，只需要6只電阻和1張SD卡，通過軟件模擬的方式實現SPI接口，Arduino與SD卡連接電路如圖2所示。
圖2 Arduino與SD卡連接電路 由于SD卡的操作電壓為3.3 V，而Arduino的邏輯電壓為5 V，因此需要用起分壓作用的電阻（本文采用了Josh Adams書中的驗證性電路），在實際的應用中最好采用分壓模塊以保證卡和Arduino板的安全。之后在網址http://code.google.com/p/sdfatlib/下載Bill Greiman開發的SdFat.h和SdFatUtil.h頭文件和庫文件，并安裝到Arduino安裝目錄中的庫文件夾中就可以使用了。簡化程序如下： #include #include Sd2Card card; SdVolume volume; SdFile root,file; void writeString(SdFile& f,char * str){ Uint8_t n; for(n=0;,str[n];n++) F.write((uint8_t*) str,n) } void setup(){ card.init(SPI_HALF_SPEED); root.openRoot(&volume); File.open(&root,"testfile.txt",0_CREAT|0_EXCL|0_WRITE); File.timestamp(2,2011,11,11,25.12.34.56); writeString(file,"something you want "); File.cose(); } void loop(){ } 將該程序下載到Arduino主控板內即可向SD卡內建立一個新的文件，并寫入"something you want "字符，當然也可以根據需要寫入想要記錄的信息。 程序的開頭包含了兩個頭文件：SdFat.h和SdFatUtil.h。這兩個頭文件定義了一些操作SD卡必需的類。之后建立4個有關操作SD卡的對象。然后自定義了一個向SD卡內寫一個字符串的函數，這個函數需要一個文件的引用和一個字符串作為參數。setup函數是Arduino軟件項目中必須有的，做一些運行的初始化工作。這個實例程序由于只是完成簡單的寫文件操作，因此對文件的寫操作在這個函數中完成。函數依次完成了設定SD卡的通信模式為SPI模式、打開卡的根目錄、建立文件名為testfile.txt的文本文件、給文件添加時間信息、向文件內寫入文件內容、關閉文件。從以上的過程中看，采用Arduino操作SD卡上的文件與采用C語言操作PC上的文件十分相似，這也是Arduino易用性的體現，再一次驗證了采用Arduino開發電子互動產品的方便性。 結語 Arduino是一個開放的單片機開發人機互動產品的軟硬件平臺，由于它有豐富的軟硬件資源而且易于使用，得到了廣泛的應用，特別是在電子競賽、電子藝術品開發等方面。因此，有必要研究它的應用，拓展其應用范圍。 參考文獻 [1] Josh Adams.Beginning Arduino[M].[S.l.]:Apress,2010. [2] Massimo Banzi.Getting Started with Arduino[M]. [S.l.]:Make, 2008. 楊繼志（高級工程師），主要研究領域為工業自動化控制。 作者：楊繼志 郭敬 來源：《單片機與嵌入式系統應用》 |
