Arduino的详细介绍(基于Mega2560)

发布于 2020-11-3 18:46
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很早之前入手了一块Arduino Mega2560,当时只是认为其操作简单且更加人性化,开源方便,想了解了解。最新搞项目想用Arduino试试控制8路舵机,但网上找的Servo库大多说只支持9,10接口,很是恼火(资料怎么写就怎么搬,到底是不是只支持9,10接口有几个知道?又有几个知道为什么?)。

另外本人长期逛各种论坛,发现国内民间创客极客水平还是普遍低下的,Arduino虽说开源但国内确实找不到多少参考资料,这无形之中成了小小的阻碍,于是本人花了点时间为广大Arduino爱好者整理翻译此份资料,一是想丰富网上资源,二是以一种更加简便的方式带部分人入门。了解原理才能谈创意,不求甚解只能做个小玩家。

 


了解Arduino的最好平台当然是官网,我相信官网肯定不会遗漏自己产品最有特色的东西,因此以它为参考绝对没错。另外,必要部分辅助以百科,以及各位广大亲爱博友的资料(就不一一列举了,在此谢过)。本文以Arduino Mega 2560为基础解释,其他板子都差不多。

 


一:概述

 

Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的微控制板,有54路数字输入/输出端口(其中15个可以作为PWM输出),16路模拟输入端口,4路UART串口,16MHz的晶振,USB连接口,电池接口,ICSP头和复位按钮。简单地用USB连接电脑或者用交直流变压器就能使用。

Mega 2560 是Arduino Mega系列的升级版。Mega 2560与之前的板子(最大)不同在于:它没用FTDI USB-to-serial驱动芯片,而是用ATmega16U2编程作为USB-to-serial传输器(V1版本使用8U2)。

总结如下:

Arduino的详细介绍(基于Mega2560)-开源基础软件社区

 

二:电源

 

这部分就不说了,涉及3.3v和5v供电。

 

三:存储器 


ATmega2560有256k的闪存可存储程序(其中8kb用作bootloader),有8kb的SRAM和4kb的EEPROM(可使用EEPROM library(点击看详细介绍) 进行读写)。 
(1)RAM

随机存取存储器(英文:random access memory,RAM)又称作“随机存储器”,是与CPU直接交换数据的内部存储器,

 

四:输入输出 


54路接口都可作为输入输出,并使用 pinMode(), digitalWrite()和digitalRead()(点击看详细介绍) 功能。5v电压操作,每个接口的电流最大40mA并且接口有内置20-50千欧的上拉电阻。另外,有的接口有特殊功能。 
Serial(串口): 
Serial 0:0 (RX) and 1 (TX);  
Serial 1: 19 (RX) and 18 (TX); 
Serial 2: 17 (RX) and 16 (TX);  
Serial 3: 15 (RX) and 14 (TX). 
一共四组串口。其中Serial0也被连接到 Tmega16U2 USB-to-TTL Serial 芯片(上文有介绍,我们USB连接电脑用的就是这个串口)。RX接收数据,TX传输数据。 
External Interrupts(外部中断): 
2 (interrupt 0),  
3 (interrupt 1), 
18 (interrupt 5),  
19 (interrupt 4),  
20 (interrupt 3),  
21 (interrupt 2)。 
每个引脚都可配置成低电平触发,或者上升、下降沿触发。详见 attachInterrupt()(点击看详细介绍) 功能。 
PWM(脉冲调制): 
2~13口; 
44~ 46口。 
提供8位PWM输出。由  analogWrite()(点击看详细介绍) 功能实现。 
SPI(串行外设接口):

50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS)。使用SPI  library(点击看详细介绍)库实现。


SPI,是一种高速的, 全双工 , 同步 的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,如今越来越多的芯片集成了这种通信协议。 
SPI总线系统是一种同步串行外设接口,它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,该接口一般使用4条线: 串行时钟线(SCLK) 、 主机输入/从机输出数据线MISO 、 主机输出/从机输入数据线MOSI 和 低电平有效的从机选择线CS (有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。 
SPI的通信原理很简单,它以主从方式工作,这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,事实上3根也可以(用于单向传输时,也就是半双工方式)。也是所有基于SPI的设备共有的,它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。 
(1)MOSI– SPI总线主机输出/ 从机输入(SPI Bus Master Output/Slave Input);
(2)MISO– SPI总线主机输入/ 从机输出(SPI Bus Master Input/Slave Output);
(3)SCLK –时钟信号,由主设备产生;
(4)CS – 从设备使能信号,由主设备控制(Chip select),有的IC此pin脚叫SS。 
其中CS是控制芯片是否被选中的,也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位),对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。 
接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的,这里先要知道SPI是串行通讯协议,也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因,由SCK提供时钟脉冲,SDI,SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线,数据在时钟上升沿或下降沿时改变,在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输,输入也使用同样原理。这样,在至少8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次),就可以完成8位数据的传输。在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。在多个从设备的系统中,每个从设备需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。 
例 :现有1,2号设备支持SPI接口,则可以都挂到主控的SPI线上,之后如果要控制1号设备,则由主控发送CS=1号,选中1号设备,那么1号设备就可以通过MOSI,MISO两根线在SCLK时钟控制下和主机进行通信了。 
LED: 
13引脚。这是板上自带的LED灯,高电平亮,低电平灭。 
TWI:

20 (SDA) 和21 (SCL)。使用Wire library(点击查看详细介绍)实现功能。


TWI(Two—wire Serial Interface)接口是对I^2C总线接口的继承和发展,完全兼容I^2C总线,具有硬件实现简单、软件设计方便、运行可靠和成本低廉的优点。TWI由 一根时钟线和一根传输数据线 组成,以 字节为单位 进行传输。TWI_SCL\TWI_SDA是TWI总线的信号线。  SDA是双向数据线,SCL是时钟线SCL 。在TWI总线上传送数据,首先送最高位,由主机发出启动信号,SDA在SCL 高电平期间由高电平跳变为低电平,然后由主机发送一个字节的数据。数据传送完毕,由主机发出停止信号,SDA在SCL 高电平期间由低电平跳变为高电平。 
模拟输入:

Mega2560有16个模拟输入,每个提供10位的分辨率(即2^10=1024个不同的值)。默认情况下他们测量0到5v值。可以通过改变AREF引脚和analogReference() 功能改变他们变化范围的上界。

AREF:是AD转换的 参考电压 输入端(模拟口输入的电压是与此处的参考电压比较的)。使用 analogReference()(点击查看详细介绍) 完成功能。 
例: 
参考电压是5V,AD精度是10位的, 
在模拟输入端输入2.5V,AD转换结果就是512(1024×(5/2.5)) 
Reset: 低电平有效,不用多说了吧。 

 

五:通信 


Arduino Mega2560提供4路UARTs通信,即Serial通信。数据通过ATmega8U2/ATmega16U2时候指示灯会闪烁(除了0和1口)。 
使用 SoftwareSerial library(点击看详细介绍) 可以使用Mega2560的任意数字接口通信 。Mega2560同样支持TWI和SPI通信。 

 

六:编程 


Mega2560使用Arduino IDE环境编程(这个相信再新的新手也知道)。事先在闪存(Flash Memory)里烧入bootloader引导程序(上文介绍有8kb),这样我们就可以每次下载程序了。它使用的是原始的STK500通信协议。(bootloader一般使用C语言或者汇编编写,考虑部分人的兴趣,这里也提供些资料:bootloader)。

你也可以绕过bootloader利用Arduino ISP通过ICSP (In-Circuit Serial Programming)header来编程(这是采用额外编程器的方式,这种方式当然不赞成,很麻烦)。

The ATmega16U2(上面说的串口编程芯片,Mega2560的特色) 固件源码可以从 Arduino repository 获得。ATmega16U2/8U2使用DFU bootloader下载,可以用以下方式激活: 
1.V1版本的板子:连接板子后面的跳线(靠近意大利的地图),之后重置ATmega8U2(1版本为这个芯片)。 
2.V2及之后的版本:有个将8U2/16U2 HWB线连到地的电阻,它使板子很容易进入DFU模式,你之后可以使用 Atmel's FLIP software  (Windows) 或者  DFU programmer  (Mac OS X and Linux) 下载新的固件。或者你可以使用额外的编程器通过ISP下载(跟上面跳过bootloader下载程序时的方法一样,此方法高端啊)。具体参考:See this user-contributed tutorial  for more information. 

 

七:自动(软件)复位:

 

不说了。

 

八:USB过流保护:

不说了,好的硬件设计应该这么做。


九:物理特性和兼容:

 

也不说了,都是继承和发展。

 

 

原文作者:不懂音乐的欣赏者

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已于2020-11-3 18:46:13修改
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