Arduino的详细介绍（基于Mega2560）

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：

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