Arduino的互動產(chǎn)品平臺創(chuàng)新設(shè)計

楊繼志，郭敬

（北京航天試驗技術(shù)研究所 機電技術(shù)事業(yè)部，北京 100074）

引 言

Arduino是一系列基于單片機的人機互動產(chǎn)品開發(fā)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(wǎng)站上下載最新的PCB設(shè)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(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)在各類機電創(chuàng)新設(shè)計比賽中得到廣泛應(yīng)用。在軟件方面，Arduino有一個屬于自己的基于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的電子互動產(chǎn)品設(shè)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(fā)互動產(chǎn)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(qū)動芯片，而是把Atmega8U2編程為一個USB設(shè)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(shè)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(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，如蜂鳴器和揚聲器模塊；還有物理系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shè)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不僅僅作為一個控制終端使用，還可以進行數(shù)據(jù)的存儲和簡單處理，以及與外界系統(tǒng)通信等，可見其輸入模塊資源豐富。從輸入的信號來看，可以分為數(shù)字量的信號輸入（如以上的開關(guān)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(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（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AVR單片機了解不多的用戶也可以容易地開發(fā)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(qū)別的，特別是在項目程序中必須包括setup和loop兩個函數(shù)。setup函數(shù)在系統(tǒng)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(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函數(shù)中運行，如下文中的寫SD卡文件的例子程序。Loop函數(shù)是Arduino軟件項目的主體，系統(tǒng)上電并且運行完成setup函數(shù)后，就進入loop函數(shù)，并且該函數(shù)是一個無限循環(huán)的過程，這一點需要開發(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)相當于下面這樣一個無限循環(huán)過程：

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

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(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串口監(jiān)視器窗口。因為Arduino開發(fā)板沒有專門的顯示平臺，在許多程序的調(diào)試過程中需要Arduino傳輸給上位機一些信息以便于開發(fā)者判斷程序的運行狀況，或者得到程序的運行結(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，極大地方便了項目的開發(fā)。

圖1 Arduino的IDE

3 Arduino平臺開發(fā)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(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書中的驗證性電路），在實際的應(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)建立一個新的文件，并寫入"something you want"字符，當然也可以根據(jù)需要寫入想要記錄的信息。

程序的開頭包含了兩個頭文件：SdFat.h和SdFatU－til.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(guān)操作SD卡的對象。然后自定義了一個向SD卡內(nèi)寫一個字符串的函數(shù)，這個函數(shù)需要一個文件的引用和一個字符串作為參數(shù)。setup函數(shù)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(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)，再一次驗證了采用Arduino開發(fā)電子互動產(chǎn)品的方便性。

結(jié) 語

Arduino是一個開放的單片機開發(fā)人機互動產(chǎn)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(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.