认识Arduino,开始嵌入式之旅

发布于 2020-11-9 18:25
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需要的工具
硬件设备
 •  Arduino Uno开发板
 •  台式机
 •  Arduino到台式机连接线
软件
 •  Atmel Studio

      ◆  安装Atmel Studio,里面会有atmel的编译器,还会安装PC端的virtual comm port driver用来打印信息到TeraTerm
      ◆  当然也可以下载一个Arduino IDE,Arduino IDE可以快速地对Arduino进行编程,但我比较习惯用Atmel Studio。
 •  AvrDude

      ◆  这个软件可以通过串口下载代码到Arduino
 •  串口通信软件,putty 或者 TeraTerm
 •  代码编辑软件,Atom 或者其他任何可以编辑文本的软件
文档
Arduino的CPU Atmel328P的芯片手册,下载链接。

 

开启Arduino之旅
项目介绍
这个小项目主要是带大家入门嵌入式开发领域。

 •  点亮自己的LED小灯
 •  通过串口进行debug
 •  写一个简单的command line interface用来和板子通信

 

初识Arduino硬件
我们的核心是Arduino Uno开发板,下面这张图是Arduino的电路图。我把它的几个大块标记出来,下面我一一来说明下。

 •  Voltage Regulator: 它的任务是为系统提供稳定的3.3V和5V的电压。在蓝色区域有两个voltage regulator,一个是LP2985,输入5V,输出3.3V;一个是NCP1117,输入最高20V,输出5V。Arduino的供电有两种,一种是USB供电,这时候只从蓝色区域左下角的USBVCC为板子提供5V电压,然后通过一个regulator为板子提供3.3V电压。另一种供电是通过供电插口(在板子上USB插口的下方有个圆形的黑色电源插口),这个供电插口是蓝色区域中靠中间的长方形区域,它的电压可以最高到20V,然后通过NCP1117变成5V电压,然后再通过LP2985变成3.3V电压。这里面有个值得注意的地方是蓝色区域的USBVCC出来后连接了一个三极管,三极管上面有个比较器,比较器的正向输入端连接了一个分压电路,反向输入端连接着3.3V。它的目的是如果从供电插口输入的电压不足5V,那就用USB的5V电压,否则就用供电插口的5V电压。
 •  USB Control chip: USB的控制芯片,买回来的Arduino中这个芯片的固件都是已经在里面的,它的作用是把USB接口的东西转成串行通信数据(在电路图红色的Serial Comm部分)发送给CPU,还用把CPU从串行通信发出来的东西,传换成USB信号发送给PC机。
 •  Main CPU: 主CPU是Atmel328P。8-bit CPU, 因为Arduino没有外接的serial flash 或者外接的SDRAM,所以根据芯片手册,一共有32KB 芯片上的programming flash,编译的代码可以放在这个flash里面。有2KB的SRAM,一些寄存器的信息,stack和heap,全局变量等都放在RAM里。
 •  Crystal: 16MHz的晶振
 •  LED: LED的输入标记是SCK,对应连接的是atmel328P上的B5管脚。LED连接了一个放大器,目的是电流不通过放大器,只是通过电压来控制LED,这样的话B5管脚可以做其他用途。
 •  Serial Comm: 串口通信端口,在CPU上通过usart给PC端发送数据。
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点亮Arduino LED小灯
创建项目
 •  选择File -> Project -> GCC executable project

      ◆  输入项目名称,之后的芯片请选择atmel328p
 •  然后需要配置avrdude, 选择tool -> external tool开始配置avrdude

      ◆  Title:avrdude programmer
      ◆  Command: C:\avrdude\avrdude.exe 请填写到avrdude的路径。
      ◆  Arguments: -F -V -c arduino -p ATMEGA328P -P COM6 -b 115200 -U flash:w:"$(ProjectDir)Debug\$(ItemFileName).hex":i 里面的COM6请从device manager中找出当前的comm port.
点亮LED灯
 •  点亮LED灯,需要配置PB5 GPIO寄存器。通过Atmel328p的data sheet和Arduino的电路图,输出高电平使LED亮,输出低电平使LED灭。

DDRB |= (1 << PB5);   //配置PB5的data direction register
PORTB |= (1 << PB5);  //使PB5输出高电平
PORTB &= ~(1 << PB5); //使PB5输出低电平


串口通信
 •  当能够控制LED的开关,这时候可以说明编译器和Avrdude的代码下载也没问题。这时候为了我们更好地debug程序,我们需要让串口通信正常工作,这样可以把信息打印到PC端。
 •  根据Arduino电路图,我们需要让红色区域的serial comm正常工作。USB controller chip可以把数据从USB端口输出到PC端。
 •  在atmel328P的data sheet, section 24。有详细的USART的描述,对于USART来说,首先肯定是要配置波特率了,然后需要配置USART的一些传输模式,比如一次发8 bit 或者一次发7 bit,有没有stop bit等等。

      ◆  要注意的是data sheet里面给出了如何把波特率计算成寄存器需要的值,计算公式和板子的晶振频率有关。具体在数据手册第227页。
 •  在传输过程,就是不断的把想要发送的数据写到寄存器里,然后Atmel328P会通过两个pin发送到USB controller chip,然后USB controller chip再发送给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<<RXEN0) | (1<<TXEN0) | (1 << RXCIE0);   //enable接收和发送数据  

UCSR0C = (3<<UCSZ00);    //配置发送模式,8 bit 数据 1 bit stop bit
//发送数据
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<<UDRE0)));
      /* Put data into buffer, sends the data */
      UDR0 = Data[i];
  }
}
//接收数据, 使用中断接收数据
ISR(USART_RX_vect)
{
  uint8_t ReceivedData;
  ReceivedData = UDR0;
}

Command Line Interface
 •  当确定Arduino和PC端可以正常通信,我们就可以开始写command line interface。顾名思义,是通过PC端输入指令,Arduino做相应的动作。一般大部分的电子产品都有自己的cli用来和产品通信,很多情况如果要开发新的功能,就增加一条新的command,然后PC端的driver可以发送这个新的command给嵌入式设备,这样它就可以执行新的功能了。
 •  command line interface源码, 里面可以输入指令使Arduino的LED开启或者关闭。
 •  在command line interface的实现过程中,有些蛮有趣的地方。

  ◆  我用了一个circular buffer来实现数据的接收和处理,有一个read index和一个write index,使用buffer的目的就在于用户输入命令的速度要和计算机处理的速度不同,所以我们需要一个buffer来平衡它们。比如计算机要处理某个命令需要很久,而用户在这个命令后又连续输入了好几个其他的命令,所有其他的命令都会放到这个circular buffer然后依次处理。


  ◆  这个小project使用了这个volatile来定义一个变量, USART_StartCmdProcess,用来记录当前在receive buffer中有多少个命令。原因是我们是在中断中把这个变量自加1,当编译器编译这段代码的时候,如果没有volatile的话,编译器并不知道什么时候这个变量什么时候会加1,因为中断在任何时候都可能发生。因此在主函数里面有if (变量 > 0),这个判断会被编译器认为永远不会发生(编译器将这个判断为永远false)。所以加了volatile就强制编译器在编译去真正判断地判断变量的值,简单地说是不会优化主函数里面地if (变量 > 0)。
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 •  输入GetLedStatus, Arduino返回LED OFF
 •  输入SetLed ON,Arduino点亮LED
 •  输入GetLedStatus, Arduino返回LED ON
 •  输入SetLed OFF, Arduino关闭LED

 

原文作者: RectCream

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已于2021-3-23 11:53:06修改
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