认识Arduino，开始嵌入式之旅

须要的工具

硬件设备

• Arduino Uno开发板
• 台式机
• Arduino到台式机链接线

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
  • 固然也能够下载一个Arduino IDE，Arduino IDE能够快速地对Arduino进行编程，但我比较习惯用Atmel Studio。

• AvrDude

  • 这个软件能够经过串口下载代码到Arduino
• 串口通讯软件，putty 或者 TeraTerm
• 代码编辑软件，Atom 或者其余任何能够编辑文本的软件

文档

• Arduino的CPU Atmel328P的芯片手册，下载连接。

开启Arduino之旅

项目介绍

这个小项目主要是带你们入门嵌入式开发领域。

• 点亮本身的LED小灯
• 经过串口进行debug
• 写一个简单的command line interface用来和板子通讯

初识Arduino硬件

咱们的核心是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，下面我一一来讲明下。

• 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，而后经过一个regulator为板子提供3.3V电压。另外一种供电是经过供电插口（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，它的电压能够最高到20V，而后经过NCP1117变成5V电压，而后再经过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出来后链接了一个三极管，三极管上面有个比较器，比较器的正向输入端链接了一个分压电路，反向输入端链接着3.3V。它的目的是若是从供电插口输入的电压不足5V，那就用USB的5V电压，不然就用供电插口的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，它的做用是把USB接口的东西转成串行通讯数据(在电路图红色的Serial Comm部分)发送给CPU，还用把CPU从串行通讯发出来的东西，传换成USB信号发送给PC机。
• Main CPU: 主CPU是Atmel328P。8-bit CPU, 由于Arduino没有外接的serial flash 或者外接的SDRAM，因此根据芯片手册，一共有32KB 芯片上的programming flash，编译的代码能够放在这个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，对应链接的是atmel328P上的B5管脚。LED链接了一个放大器，目的是电流不经过放大器，只是经过电压来控制LED，这样的话B5管脚能够作其余用途。
• Serial Comm: 串口通讯端口，在CPU上经过usart给PC端发送数据。

点亮Arduino LED小灯

建立项目

• 选择File -> Project -> GCC executable project

  • 输入项目名称，以后的芯片请选择atmel328p

• 而后须要配置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，须要配置PB5 GPIO寄存器。经过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

串口通讯

• 当可以控制LED的开关，这时候能够说明编译器和Avrdude的代码下载也没问题。这时候为了咱们更好地debug程序，咱们须要让串口通讯正常工做，这样能够把信息打印到PC端。
• 根据Arduino电路图，咱们须要让红色区域的serial comm正常工做。USB controller chip能够把数据从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来讲，首先确定是要配置波特率了，而后须要配置USART的一些传输模式，好比一次发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须要的值，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，而后Atmel328P会经过两个pin发送到USB controller chip，而后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

• 当肯定Arduino和PC端能够正常通讯，咱们就能够开始写command line interface。顾名思义，是经过PC端输入指令，Arduino作相应的动做。通常大部分的电子产品都有本身的cli用来和产品通讯，不少状况若是要开发新的功能，就增长一条新的command，而后PC端的driver能够发送这个新的command给嵌入式设备，这样它就能够执行新的功能了。
• command line interface源码, 里面能够输入指令使Arduino的LED开启或者关闭。

• 在command line interface的实现过程当中，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一样，因此咱们须要一个buffer来平衡它们。好比计算机要处理某个命令须要好久，而用户在这个命令后又连续输入了好几个其余的命令，全部其余的命令都会放到这个circular buffer而后依次处理。
  • 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。缘由是咱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，若是没有volatile的话，编译器并不知道何时这个变量何时会加1，由于中断在任什么时候候均可能发生。所以在主函数里面有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）。因此加了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)。

• 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