认识Arduino，开始嵌入式之旅

hermantao

2019-06-27

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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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