楊繼志，郭敬

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 機(jī)電技術(shù)事業(yè)部，北京 100074）

引 言

Arduino是一系列基于單片機(jī)的人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，由于其具有高度的模塊化特點(diǎn)，有時(shí)也叫它“電子積木”。它的硬件平臺(tái)是開放的，任何人都可以在Arduino官方網(wǎng)站上下載最新的PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)制。Arduino的硬件平臺(tái)包括基于AVR單片機(jī)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(guān)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(jī)控制模塊等，甚至還有以太網(wǎng)接入模塊。由于Arduino具有豐富易用的模塊，已經(jīng)在各類機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽中得到廣泛應(yīng)用。在軟件方面，Arduino有一個(gè)屬于自己的基于Eclipse的IDE軟件開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語言采用類C＋＋語言的高級(jí)語言，容易被使用者掌握。有大量的庫文件可以通過互聯(lián)網(wǎng)下載免費(fèi)獲得，大大簡化了程序開發(fā)工作。由于Arduino豐富的外圍模塊、容易掌握的開發(fā)語言和環(huán)境，大量的庫支持，使得基于Arduino的電子互動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(fā)互動(dòng)產(chǎn)品的實(shí)例，使初學(xué)者對(duì)它有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。

1 Arduino硬件

1.1 Arduino主控板

Arduino的主控板采用AVR單片機(jī)，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(qū)動(dòng)芯片，而是把Atmega8U2編程為一個(gè)USB設(shè)備。相對(duì)于它的前幾代，這帶來了許多好處。首先是價(jià)格降低了，更重要的是這使得Arduino在PC端可以顯示為一個(gè)USB設(shè)備，就像是一個(gè)鼠標(biāo)或游戲操作手柄，這開辟了Arduino的新用途［1］?？傊?，Arduino的主控板就是一個(gè)單片機(jī)控制板，在這一點(diǎn)上與其他單片機(jī)控制板并無本質(zhì)的區(qū)別，但是由于其擁有豐富的系列產(chǎn)品、大量的開源軟件，讓Arduino得到了更為廣泛的應(yīng)用和支持。

1.2 Arduino輸出模塊

市場上已經(jīng)出現(xiàn)了圍繞Arduino Duemilanove開發(fā)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(yáng)聲器模塊；還有物理系統(tǒng)的控制模塊，如各類直流小馬達(dá)、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)器人舵機(jī)等。另外，還可以利用AVR單片機(jī)的PWM輸出口進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換。這些模塊大大拓展了Arduino作為一個(gè)單片機(jī)平臺(tái)的用途。其中基于LN298設(shè)計(jì)的直流馬達(dá)控制模塊在各類機(jī)器人項(xiàng)目中采用得很多，這種模塊能夠同時(shí)控制兩路直流馬達(dá)，與Arduino－Duemilanove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(tǒng)的應(yīng)用項(xiàng)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(guān)等都有相應(yīng)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(yīng)的模塊可以直接應(yīng)用。還有記錄數(shù)據(jù)和通信用的模塊、如SD卡模塊，以太網(wǎng)接入模塊等，這讓Arduino不僅僅作為一個(gè)控制終端使用，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和簡單處理，以及與外界系統(tǒng)通信等，可見其輸入模塊資源豐富。從輸入的信號(hào)來看，可以分為數(shù)字量的信號(hào)輸入（如以上的開關(guān)模塊等），模擬量的信號(hào)輸入（如溫度、壓力傳感器模塊），通過總線網(wǎng)絡(luò)方式的數(shù)據(jù)輸入（如采用各類通信協(xié)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(chǔ)上的。Arduino語言把AVR單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都參數(shù)化了，不用開發(fā)者去了解其底層，對(duì)AVR單片機(jī)了解不多的用戶也可以容易地開發(fā)基于AVR的項(xiàng)目。需要注意的是，Arduino的語言與C語言運(yùn)行機(jī)制還是有一些區(qū)別的，特別是在項(xiàng)目程序中必須包括setup和loop兩個(gè)函數(shù)。setup函數(shù)在系統(tǒng)上電或復(fù)位后運(yùn)行一次，因此一般用戶在其中做一些初始化工作，如設(shè)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(gè)函數(shù)中運(yùn)行，如下文中的寫SD卡文件的例子程序。Loop函數(shù)是Arduino軟件項(xiàng)目的主體，系統(tǒng)上電并且運(yùn)行完成setup函數(shù)后，就進(jìn)入loop函數(shù)，并且該函數(shù)是一個(gè)無限循環(huán)的過程，這一點(diǎn)需要開發(fā)者特別注意，這與C語言的void main（）｛｝是有很大區(qū)別的。loop函數(shù)相當(dāng)于下面這樣一個(gè)無限循環(huán)過程：

在系統(tǒng)setup執(zhí)行之后，總是進(jìn)入這個(gè)函數(shù)，開發(fā)者需要把自己的程序放在這個(gè)函數(shù)內(nèi)運(yùn)行。

2.2 Arduino開發(fā)環(huán)境

Arduino的開發(fā)環(huán)境很簡潔，用戶可以在其官方網(wǎng)站上免費(fèi)下載使用，IDE如圖1所示?？梢钥吹?，在一個(gè)簡單的菜單和工具條下，就是IDE的編程窗口和一個(gè)串行通信監(jiān)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(gè)串口監(jiān)視器窗口。因?yàn)锳rduino開發(fā)板沒有專門的顯示平臺(tái)，在許多程序的調(diào)試過程中需要Arduino傳輸給上位機(jī)一些信息以便于開發(fā)者判斷程序的運(yùn)行狀況，或者得到程序的運(yùn)行結(jié)果。這些結(jié)果可以通過串口監(jiān)視器顯示，開發(fā)者也可以通過該窗口向Arduino板發(fā)送一些信息，極大地方便了項(xiàng)目的開發(fā)。

圖1 Arduino的IDE

3 Arduino平臺(tái)開發(fā)實(shí)例

3.1 用Arduino讀寫SD卡

SD卡體積小，價(jià)格便宜，因此在許多工業(yè)數(shù)據(jù)記錄和家用電子產(chǎn)品中有越來越多的應(yīng)用。Arduino可以通過SPI接口與之通信，進(jìn)行諸如建立文件、刪除文件、向文件中添加內(nèi)容、修改文件等操作，這樣采用Arduino配合SD卡可以開發(fā)數(shù)據(jù)記錄設(shè)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(shí)現(xiàn)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3.3V，而Arduino的邏輯電壓為5V，因此需要用起分壓作用的電阻（本文采用了Josh Adams書中的驗(yàn)證性電路），在實(shí)際的應(yīng)用中最好采用分壓模塊以保證卡和Arduino板的安全。之后在網(wǎng)址http：／／code.google.com／p／sdfatlib／下載 Bill Greiman開發(fā)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：

將該程序下載到Arduino主控板內(nèi)即可向SD卡內(nèi)建立一個(gè)新的文件，并寫入"something you want"字符，當(dāng)然也可以根據(jù)需要寫入想要記錄的信息。

程序的開頭包含了兩個(gè)頭文件：SdFat.h和SdFatU－til.h。這兩個(gè)頭文件定義了一些操作SD卡必需的類。之后建立4個(gè)有關(guān)操作SD卡的對(duì)象。然后自定義了一個(gè)向SD卡內(nèi)寫一個(gè)字符串的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)需要一個(gè)文件的引用和一個(gè)字符串作為參數(shù)。setup函數(shù)是Arduino軟件項(xiàng)目中必須有的，做一些運(yùn)行的初始化工作。這個(gè)實(shí)例程序由于只是完成簡單的寫文件操作，因此對(duì)文件的寫操作在這個(gè)函數(shù)中完成。函數(shù)依次完成了設(shè)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(shí)間信息、向文件內(nèi)寫入文件內(nèi)容、關(guān)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(xiàn)，再一次驗(yàn)證了采用Arduino開發(fā)電子互動(dòng)產(chǎn)品的方便性。

結(jié) 語

Arduino是一個(gè)開放的單片機(jī)開發(fā)人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品的軟硬件平臺(tái)，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(yīng)用，特別是在電子競賽、電子藝術(shù)品開發(fā)等方面。因此，有必要研究它的應(yīng)用，拓展其應(yīng)用范圍。

［1］Josh Adams.Beginning Arduino［M］.［S.l.］：Apress，2010.

［2］Massimo Banzi.Getting Started with Arduino［M］.［S.l.］：Make，2008.