利用Arduino互動平臺進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計

　　引言

　　Arduino是一系列基于單片機(jī)的人機(jī)互動產(chǎn)品開發(fā)平臺，由于其具有高度的模塊化特點(diǎn)，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(jìn)行復(fù)制。Arduino的硬件平臺包括基于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(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(shí)例，使初學(xué)者對它有一個基本的認(rèn)識。

　　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(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作為一個單片機(jī)平臺的用途。其中基于LN298設(shè)計的直流馬達(dá)控制模塊在各類機(jī)器人項(xiàng)目中采用得很多，這種模塊能夠同時控制兩路直流馬達(dá)，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(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不僅僅作為一個控制終端使用，還可以進(jìn)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(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)于下面這樣一個無限循環(huán)過程：

　　while（1）{

　　用戶程序

　　}

　　在系統(tǒng)setup執(zhí)行之后，總是進(jìn)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(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?yàn)锳rduino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(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