Arduino在嵌入式開發中應用案例之arduino點亮LED

硬件設備

• Arduino Uno開發板

• 臺式機

• Arduino到臺式機連接線

軟件

• Atmel Studio

  • 安裝Atmel Studio，里面會有atmel的編譯器，還會安裝PC端的virtual comm port driver用來打印信息到TeraTerm

  • 當然也可以下載一個Arduino IDE，Arduino IDE可以快速地對Arduino進行編程，但我比較習慣用Atmel Studio。

• AvrDude

  • 這個軟件可以通過串口下載代碼到Arduino

• 串口通信軟件，putty?或者?TeraTerm

• 代碼編輯軟件，Atom?或者其他任何可以編輯文本的軟件

文檔

• Arduino的CPU Atmel328P的芯片手冊，下載鏈接。

開啟Arduino之旅

項目介紹

????這個小項目主要是帶大家入門嵌入式開發領域。

• 點亮自己的LED小燈

• 通過串口進行debug

• 寫一個簡單的command line interface用來和板子通信

初識Arduino硬件

????我們的核心是Arduino Uno開發板，下面這張圖是Arduino的電路圖。我把它的幾個大塊標記出來，下面我一一來說明下。

• Voltage Regulator: 它的任務是為系統提供穩定的3.3V和5V的電壓。在藍色區域有兩個voltage regulator，一個是LP2985，輸入5V，輸出3.3V；一個是NCP1117，輸入最高20V，輸出5V。Arduino的供電有兩種，一種是USB供電，這時候只從藍色區域左下角的USBVCC為板子提供5V電壓，然后通過一個regulator為板子提供3.3V電壓。另一種供電是通過供電插口（在板子上USB插口的下方有個圓形的黑色電源插口），這個供電插口是藍色區域中靠中間的長方形區域，它的電壓可以最高到20V，然后通過NCP1117變成5V電壓，然后再通過LP2985變成3.3V電壓。這里面有個值得注意的地方是藍色區域的USBVCC出來后連接了一個三極管，三極管上面有個比較器，比較器的正向輸入端連接了一個分壓電路，反向輸入端連接著3.3V。它的目的是如果從供電插口輸入的電壓不足5V，那就用USB的5V電壓，否則就用供電插口的5V電壓。

• USB Control chip: USB的控制芯片，買回來的Arduino中這個芯片的固件都是已經在里面的，它的作用是把USB接口的東西轉成串行通信數據(在電路圖紅色的Serial Comm部分)發送給CPU，還用把CPU從串行通信發出來的東西，傳換成USB信號發送給PC機。

• Main CPU: 主CPU是Atmel328P。8-bit CPU, 因為Arduino沒有外接的serial flash 或者外接的SDRAM，所以根據芯片手冊，一共有32KB 芯片上的programming flash，編譯的代碼可以放在這個flash里面。有2KB的SRAM，一些寄存器的信息，stack和heap，全局變量等都放在RAM里。

• Crystal: 16MHz的晶振

• LED: LED的輸入標記是SCK，對應連接的是atmel328P上的B5管腳。LED連接了一個放大器，目的是電流不通過放大器，只是通過電壓來控制LED，這樣的話B5管腳可以做其他用途。

• Serial Comm: 串口通信端口，在CPU上通過usart給PC端發送數據。

點亮Arduino LED小燈

創建項目

• 選擇File -> Project -> GCC executable project

  • 輸入項目名稱，之后的芯片請選擇atmel328p

• 然后需要配置avrdude, 選擇tool -> external tool開始配置avrdude

  • Title：avrdude programmer

  • Command:?C:avrdudeavrdude.exe?請填寫到avrdude的路徑。

  • Arguments:?-F -V -c arduino -p ATMEGA328P -P COM6 -b 115200 -U flash:w："$(ProjectDir)Debug$(ItemFileName).hex":i?里面的COM6請從device manager中找出當前的comm port.

點亮LED燈

• 點亮LED燈，需要配置PB5 GPIO寄存器。通過Atmel328p的data sheet和Arduino的電路圖，輸出高電平使LED亮，輸出低電平使LED滅。

DDRB |= (1 << PB5);   //配置PB5的data direction register
PORTB |= (1 << PB5);  //使PB5輸出高電平
PORTB &= ~(1 << PB5); //使PB5輸出低電平

串口通信

• 當能夠控制LED的開關，這時候可以說明編譯器和Avrdude的代碼下載也沒問題。這時候為了我們更好地debug程序，我們需要讓串口通信正常工作，這樣可以把信息打印到PC端。

• 根據Arduino電路圖，我們需要讓紅色區域的serial comm正常工作。USB controller chip可以把數據從USB端口輸出到PC端。

• 在atmel328P的data sheet, section 24。有詳細的USART的描述，對于USART來說，首先肯定是要配置波特率了，然后需要配置USART的一些傳輸模式，比如一次發8 bit 或者一次發7 bit，有沒有stop bit等等。

  • 要注意的是data sheet里面給出了如何把波特率計算成寄存器需要的值，計算公式和板子的晶振頻率有關。具體在數據手冊第227頁。

• 在傳輸過程，就是不斷的把想要發送的數據寫到寄存器里，然后Atmel328P會通過兩個pin發送到USB controller chip，然后USB controller chip再發送給PC端。

//配置USART
UBRR0H = (uint8_t)(BAUDRATE_9600_UBRR >> 8);    // 配置波特率
UBRR0L = (uint8_t)BAUDRATE_9600_UBRR;

UCSR0B = (1<1<1 << RXCIE0);   //enable接收和發送數據  

UCSR0C = (3<//配置發送模式，8 bit 數據 1 bit stop bit

//發送數據
void USART_Transmit(uint8_t * Data, uint16_t Length)
{
  uint16_t i;
  for (i = 0; i < Length; i++)
  {
    /* Wait for empty transmit buffer */
      while (!( UCSR0A & (1</* Put data into buffer, sends the data */
      UDR0 = Data[i];
  }
}

//接收數據， 使用中斷接收數據
ISR(USART_RX_vect)
{
  uint8_t ReceivedData;
  ReceivedData = UDR0;
}

Command Line Interface

• 當確定Arduino和PC端可以正常通信，我們就可以開始寫command line interface。顧名思義，是通過PC端輸入指令，Arduino做相應的動作。一般大部分的電子產品都有自己的cli用來和產品通信，很多情況如果要開發新的功能，就增加一條新的command，然后PC端的driver可以發送這個新的command給嵌入式設備，這樣它就可以執行新的功能了。

• command line interface源碼, 里面可以輸入指令使Arduino的LED開啟或者關閉。

• 在command line interface的實現過程中，有些蠻有趣的地方。

  • 我用了一個circular buffer來實現數據的接收和處理，有一個read index和一個write index，使用buffer的目的就在于用戶輸入命令的速度要和計算機處理的速度不同，所以我們需要一個buffer來平衡它們。比如計算機要處理某個命令需要很久，而用戶在這個命令后又連續輸入了好幾個其他的命令，所有其他的命令都會放到這個circular buffer然后依次處理。

  • 這個小project使用了這個volatile來定義一個變量,?USART_StartCmdProcess，用來記錄當前在receive buffer中有多少個命令。原因是我們是在中斷中把這個變量自加1，當編譯器編譯這段代碼的時候，如果沒有volatile的話，編譯器并不知道什么時候這個變量什么時候會加1，因為中斷在任何時候都可能發生。因此在主函數里面有if (變量 > 0)，這個判斷會被編譯器認為永遠不會發生（編譯器將這個判斷為永遠false）。所以加了volatile就強制編譯器在編譯去真正判斷地判斷變量的值，簡單地說是不會優化主函數里面地if (變量 > 0)。

• 輸入GetLedStatus, Arduino返回LED OFF

• 輸入SetLed ON，Arduino點亮LED

• 輸入GetLedStatus, Arduino返回LED ON

• 輸入SetLed OFF, Arduino關閉LED