Arduino的原理及應(yīng)用

蔡睿妍

（大連大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng)建，是一塊基于開放原始代碼的Simple I/O平臺[1-2]，該平臺由兩部分組成：硬件（包括微處理器、電路板等）和軟件（編程接口和語言）。平臺的兩部分都是開源的，如果需要，可以下載Arduino的圖表、購買需要的所有獨立部件、切割電路板并制作一個電路板。Arduino具有類似java、C語言的開發(fā)環(huán)境。可以快速使用Arduino語言與Flash或Processing等軟件完成互動作品。Arduino能夠使用開發(fā)完成的電子元件，如Switch、Sensors或其它控制器、LED、步進電機或其它輸入/輸出裝置，同時，Arduino也可以成為獨立與軟件溝通的平臺，如flash、Processing、Max/MSP或其它互動軟件。

1 功能特點

Arduino在開發(fā)之初，就明確了其應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計了開源開放的平臺，便于對其進行二次開發(fā)。Arduino的主要功能特點如下：

1）開放源代碼的電路圖設(shè)計[3]。程序開發(fā)接口免費下載，也可依需求自己修改。

2）使用低價格的微處理控制器（ATmega8或 ATmega 128）。可以采用USB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC輸入。

3）支持ISP線上燒入器，將Bootloader固件燒入芯片。Arduino控制器內(nèi)帶Bootloader程序，是系統(tǒng)上電后運行的第一段代碼，就好比PC機BIOS中的程序，啟動就進行自檢，配置端口等等，當然，單片機是靠燒寫熔絲位來設(shè)定上電從boot區(qū)啟動的，使用這個程序就可以直接把從串口發(fā)來的程序存放到flash區(qū)中。所以，使用Arduino編譯環(huán)境下載程序時，就先讓單片機復(fù)位，啟動Bootloader程序引導(dǎo)串口發(fā)過來的程序順利寫入flash區(qū)中，flash可以重復(fù)燒寫，因此想更新軟件非常方便。有了Bootloader之后，可以通過串口或者USB to RS232線更新固件。

4）可依據(jù)官方提供的PCB和SCH電路圖，簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制。

5）可簡單地與傳感器[4]，各式各樣的電子元件連接，如紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服馬達等。

6）支持多樣的互動程序，如 Flash，Max/MSP，VVVV，Pure Data，C，Processin等。使用低價格的微處理控制器。

7）應(yīng)用方面，利用 Arduino，突破以往只能使用鼠標、鍵盤、CCD等輸入的裝置的互動內(nèi)容，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。

Arduino的功能特點，使其得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 基本結(jié)構(gòu)

Arduino系統(tǒng)針對不同的應(yīng)用環(huán)境還開發(fā)了不同的版本，文中以“Arduino Duemilanove”版本為例介紹，該版本于2009年開發(fā)，基于ATmega328微控制器板，能自動選擇何種供電，直接將它用USB線連上計算機或者用一個電源適配器給它供電，就可以開始使用。Arduino Duemilanove的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Arduino外部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 External structure of Arduino

Arduino Duemilanove的結(jié)構(gòu)包括以下幾個部分：

1）1個9V DC輸入，為Arduino板提供外部電源輸出，使Arduino控制板具有能夠驅(qū)動舵機等大功率外部設(shè)備的能力；

2）1個USB口，通過該口連接到計算機，由Arduino的IDE將用戶編寫好的控制程序上傳到控制板中，同時還可以通過該口為電路板供電，驅(qū)動小功率的外部設(shè)備；

3）14 個數(shù)字輸入/輸出端，其中端口 0（RX）和 1（TX）分別連接主控芯片的串行引腳，用來接收和發(fā)送TTL串行數(shù)據(jù)。其中端口2、3可以接收外部信號，實現(xiàn)外部中斷功能；端口 3、5、6、9、10、11 作為 PWM 端口， 可用于電機 PWM 調(diào)速[5]或 音 樂 播 放 ； 端 口 10（SS）、11（MOSI）、12（MISO） 和 13（SCK）在SPI模塊庫的支持下，可以提供SPI通信模式；端口13內(nèi)部連接了一個LED指示燈，隨著13腳上電平的高低變化，實現(xiàn)開啟和關(guān)閉；

4）6 個模擬輸入/輸出端[6]，其中端口 4（SDA）和端口 5（SCL）端口可以實現(xiàn)I2C通信；

5）1個5 V DC輸出和1個3.3 V DC輸出[7-8]，可為其它電路提高3.3 V和5 V直流電源；

6）1個復(fù)位接口。

Arduino系統(tǒng)是基于單片機開發(fā)的[9-10]，并且大量應(yīng)用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設(shè)計，代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計等越來越多地使用Arduino作為開發(fā)平臺。

3 應(yīng) 用

Arduino系統(tǒng)在電子設(shè)計等方面應(yīng)用較多，本文以簡單的LEO控制為例，說明Arduino系統(tǒng)的使用。

LEO控制系統(tǒng)中，采用開關(guān)S控制LED的亮滅，設(shè)開關(guān)S閉合時，LED發(fā)光，S斷開時，LED熄滅。因此，系統(tǒng)設(shè)計時采用數(shù)字輸入/輸出口的兩個引腳分別進行LED和S開關(guān)的連接，電路如圖2所示。

圖2 LED控制電路原理圖Fig.2 Diagram of LED control circuit

Arduino語言是建立在C/C++基礎(chǔ)上的，其實也就是基礎(chǔ)的C語言[11]，Arduno語言將AVR單片機（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置模塊化，包括EEPROM、以太網(wǎng)、LED矩陣、舵機、步進和TWI/I2C控制程序庫，不需要用戶直接處理底層系統(tǒng)，可以提高應(yīng)用程序的開發(fā)效率。流程如圖3所示。

圖3 LED控制流程圖Fig.3 Flow diagram of LED control

Arduino語言是以 setup（）開頭，loop（）作為主體的一個程序構(gòu)架。setup（）用來初始化變量、管腳模式、調(diào)用庫函數(shù)等等，該函數(shù)只運行一次，功能類似C語言中的“main（）”。loop（）函數(shù)是一個循環(huán)函數(shù)，函數(shù)內(nèi)的語句周而復(fù)始的循環(huán)執(zhí)行。設(shè)通過D10引腳控制LED，D2引腳連接控制開關(guān)S，主要代碼如下：

void setup（）

{

pinMode（2，INPUT）：

pinMode（10，OUTPUT）：

}

void loop（）

{

val=digitalRead（2）：

if（val==HIGH）

digitalWrite（10， LOW）：

else

digitalWrite（10， HIGH）：

}

Setup函數(shù)中，pinMode函數(shù)是數(shù)字I/O口輸入輸出定義函數(shù)，可以定Arduino上0～13口的輸入輸出狀態(tài)，INPUT和OUTPUT分別表示輸出和輸出模式。loop函數(shù)中，digitalRead為數(shù)字I/O口讀取電平值函數(shù)，digitalWrite為數(shù)字I/O口輸出電平定義函數(shù)。本例中在setup函數(shù)中，將端口2定義為數(shù)字信號輸入端口，將端口10定義為數(shù)字信號輸出端口；在函數(shù)loop中，首先讀入端口2的電平信號，然后依據(jù)該端口電平值的高低，設(shè)置輸出端口10的電平值。

將編寫好的控制代碼通過Arduino的IDE上傳到控制板之后，關(guān)閉或者打開開關(guān)S，便會觀察到LED的亮滅情況。

4 結(jié) 論

Arduino系統(tǒng)是建立在C/C++基礎(chǔ)上的，也就是基礎(chǔ)的C語言，Arduino系統(tǒng)只是將AVR單片機（微控制器）相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等都函數(shù)化了，即使不太了解AVR單片機的朋友也能輕松上手，設(shè)計出各種實用的電路開發(fā)系統(tǒng)。

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