pcDuino开发实战

第3章　玩转Mini PC 37
3.1　pcDuino操作系统安装指南 37
3.1.1　Ubuntu和Lubuntu 37
3.1.2　安装Ubuntu操作系统 39
3.1.3　安装Android操作系统 41
3.2　在pcDuino上使用Ubuntu系统 42
3.3　通过USB接口扩展pcDuino功能 46
3.3.1　使用USB无线网卡连接WiFi 47
3.3.2　使用USB蓝牙适配器连接蓝牙设备 50
3.3.3　使用USB声卡输入、输出声音 52
编程语言篇
第4章　基于Python的开发方法 56
4.1　Python开发环境搭建及使用 56
4.2　实例：Web页面控制GPIO 59
第5章　基于JavaScript的开发方法 63
5.1　JavaScript开发环境搭建及使用 63
5.2　使用Cloud9 IDE 66
第6章　Android系统下的开发方法 68
6.1　使用命令行方式进行开发 68
6.2　使用QT for Android进行开发 70
模　块　篇
第7章　pcDuino外设编程攻略 78
7.1　UART 78
7.1.1　UART接口原理 78
7.1.2　UART程序设计：通过USB-to-UART模块与PC通信 79
7.2　I2C 82
7.2.1　I2C接口原理 82
7.2.2　I2C程序设计：操作RTC模块 83
7.3　SPI 88
7.3.1　SPI接口原理 88
7.3.2　SPI程序设计：操作SPI Flash 89
7.4　PWM 91
7.4.1　PWM原理 91
7.4.2　PWM程序设计：PWM呼吸灯 91
7.5　ADC 93
7.5.1　ADC接口原理 93
7.5.2　ADC程序设计：电位器的使用 95
7.6　外部中断 97
7.6.1　中断控制原理 97
7.6.2　外部中断程序设计：中断按键操作 98
第8章　基础I/O模块 100
8.1　输入模块 100
8.1.1　电容式触摸按键 100
8.1.2　倾斜开关 103
8.1.3　ADC按键 105
8.1.4　Joystick 106
8.2　输出模块 109
8.2.1　继电器 109
8.2.2　蜂鸣器 111
8.2.3　大电流驱动、电平转换 114
第9章　显示模块 117
9.1　七段数码管 117
9.2　点阵式LED 120
9.3　点阵式LCD 124
9.4　TFT LCD 126
第10章　电机控制 128
10.1　MOS管驱动直流电机 128
10.2　H桥驱动直流电机 130
10.3　舵机控制 136
10.4　步进电机控制 138
第11章　传感器 142
11.1　温湿度传感器 142
11.2　红外热释电传感器 145
11.3　超声波传感器 148
11.4　九轴运动传感器 150
11.4.1　三轴加速度传感器 152
11.4.2　三轴陀螺仪传感器 155
11.4.3　三轴磁阻传感器 159
11.4.4　气压传感器 162
11.5　光照传感器 167
11.6　气体传感器 168
11.7　利用Dust Sensor测量PM2.5 170
第12章　无线模块 175
12.1　GPS模块 175
12.2　NFC/RFID模块 178
12.3　GPRS/GSM模块 182
12.4　ZigBee模块 187
应　用　篇
第13章　pcDuino网络应用 196
13.1　WiFi AP及3G无线路由器 196
13.2　网络家庭气象站 200
第14章　pcDuino下使用OpenCV 207
14.1　OpenCV环境搭建及使用 207
14.2　实例：使用OpenCV进行人脸识别 209
第15章　pcDuino上实现Siri语音控制 212
15.1　Siri Proxy安装及使用 212
15.2　通过自定义插件控制硬件 214
第16章　pcDuino上实现Hadoop集群应用 217
第17章　从零开始构建pcDuino嵌入式系统 222
17.1　pcDuino启动流程 222
17.2　为pcDuino搭建交叉编译环境 224
17.3　编译并烧写U-Boot 225
17.4　Linux内核的配置与编译 227
17.5　制作根文件系统 229
第18章　pcDuino心电监测仪 232
18.1　心电采集模拟前端设计 232
18.2　心电监测软件设计 236
18.2.1　在Ubuntu系统上搭建Qt环境 236
18.2.2　数据采集部分设计 241
18.2.3　Qt GUI设计 245

.　　除了核心的电路板以外，Arduino还有种类繁多的扩展功能模块。为什么需要模块呢？例如，某位Maker想要为卧室的窗户做一个每天早上自动拉开的电动窗帘，而他的手里正好有一块Arduino板，那么他只需要一个用来连接电机的电机驱动模块，外加一个可以知道当前时间的时钟模块即可。但是这位Maker的朋友也许对电动窗帘不感兴趣，他似乎更关心当他外出后谁来给他的宠物狗喂食，那么好吧，只要将电机驱动模块拿掉，换上一个控制投食口的继电器模块，即可定时定量地向宠物狗的餐盆中投放食物。
　　Arduino具有标准的接口，许多主板都互相兼容，因此一个兼容Arduino的模块可以供不同型号的Arduino板使用，而且多个模块也可以叠加在同一块Arduino板上。在某种意义上这种标准化接口和模块复用让Arduino成为电子积木，使用者像搭积木一样将实现不同功能的模块和电路板拼接在一起，这为Arduino建立了良好的生态圈。
　　上述开源的Arduino扩展功能模块囊括了各种应用领域，如光线、声音、温度、湿度等传感器模块，用于数据通信的GSM、GPRS、Bluetooth模块，用于测量距离与障碍物的红外、超声波模块，用于控制运动和姿态的电机、舵机控制模块等。除了官方推出的Shield（见图1-7）以外，很多第三方机构或个人也制作了个性鲜明的系列模块和扩展板（见图1-8）。
　　图1-7Arduino官方Shield
　　图1-8拥有众多模块的第三方套件Tinker Kit
　　有如此丰富的模块来实现各种功能的组合，就不用发愁如何将灵感变成实物了。本书充分汲取了Arduino的这种特性，读者将在后面内容中学到各种模块的使用方法。
　　1.3Arduino开发方法
　　1.3.1Arduino开发环境搭建和使用
　　使用Arduino的最小化配置为：一台PC、一根A口公头转B口公头的USB线，以及一块Arduino板（比如Arduino Uno）。将Arduino板与PC通过USB线连接，安装一款Arduino IDE软件就可以开始Arduino之旅了（见图1-9）。
　　图1-9通过USB线连接PC与Arduino
　　可以在官方网站http://arduino.cc/上下载Arduino IDE，并且针对Windows操作系统Arduino官方还提供了免安装版本。选择“Windows（ZIP file）”下载Arduino IDE压缩包，笔者使用的版本是Arduino 1.5.5 Beta（见图1-10）。
　　解压下载好的zip文件，无需进行安装，直接双击arduino.exe运行Arduino IDE。
　　进入Arduino IDE（见图1-11）。软件共分为三部分，上方的菜单栏和工具栏，中间的代码编辑器，以及下方的调试信息栏和状态栏。菜单栏包含了Arduino IDE的全部功能选项。File菜单用于文件操作，如新建Sketch或打开实例；Edit菜单包含文本编辑和查找等功能；Sketch菜单包括编译和导入函数库选项；Tools菜单用于对目标板类型、编程器和串口进行选择和操作。
　　图1-10下载Arduino IDE
　　图1-11Arduino IDE
　　 小贴士
　　通常Arduino程序不用Program表示，习惯上称为Sketch，中文意为画或草图。这是因为Arduino的编程语言是基于Processing的，而Processing的设计针对的就是视觉艺术家而不是传统意义上的程序员。
　　相比菜单栏来说，工具栏显得十分简洁，总共有6个按钮（见图1-12）。从左至右依次为“校验”、“上传”、“新建”、“打开”、“保存”和“串口监视器”按钮。“校验”（Verify）按钮通过使用编译器编译程序来检查代码的语法错误。“上传”（Upload）按钮即通常所说的下载或烧写功能，用于更新Arduino板中的程序。“串口监视器”（Serial Monitor）按钮会打开一个串口终端窗口，通过这个窗口可以使用ISP串口与Arduino通信。
　　Help菜单中的Getting Started选项俨然就是一个本地运行的袖珍版Arduino网站（见图1-13），用户可以在其中找到Arduino的入门教程和函数使用说明，虽然内容是全英文的但却通俗易懂，建议初学者通读一遍，对以后使用Arduino会有很大帮助。
　　图1-13Arduino Getting Started页面
　　熟悉了Arduino IDE之后，我们来一同了解Arduino IDE的使用和开发流程。首先，通过菜单栏Tools→Board选项选择一款Arduino板。Arduino IDE支持目前市面上所有的官方Arduino板，笔者使用的是Arduino Uno R3，因此选择Arduino Uno（见图1-14）。
　　图1-14选择Arduino板
　　选择好Arduino板之后，还要考虑如何将程序下载到Arduino板上，这就要用到编程器了。Arduino所用的MCU一般都支持ISP（In-system Programming，在线系统编程）方式下载，即通过MCU的串口或者USB接口对芯片进行编程，而无需另外购置仿真器或编程器。比如Arduino Uno就使用AVR单片机的ISP功能，在这里选择菜单栏的Tools→Programmer→AVR ISP（见图1-15）。
　　图1-15选择编程器
　　同时，还要选择Arduino连接的串口。如果PC有多个串口，可以在Windows设备管理器中查看哪个是Arduino的串口（见图1-16）。
　　图1-16选择串口
　　使用Arduino一定要尝试它丰富的内置函数库，通过选择菜单栏中Sketch→Import Library中的选项就可以将对应的函数库导入工程中（见图1-17）。这些函数库涵盖了基本接
　　图1-17导入函数库
　　口、网络通信、图形显示、数据存储以及电机控制等各个领域，如果这些库还不能满足你的需求，可以通过Add Library导入从网上下载的第三方库。
　　Arduino IDE还为初学者准备了一些Sketch实例，用户可以先学习这些教科书式的Sketch，然后再自己动手编写。这些实例在File→Examples菜单中，选择需要的实例就会打开一个该实例的新窗口（见图1-18）。
　　图1-18打开Sketch实例
　　选择AnalogInput选项，Sketch实例的代码会显示在窗口中间的编辑器里，如图1-19所示。官方Sketch里包含了详细的注释说明，可以很好地帮助用户理解代码。
　　用户可以对代码进行修改，但由于实例本身是只读的，在保存修改后的Sketch时会提示出错。这时候只要将修改后的Sketch另存一份即可。
　　单击工具栏的按钮，即可对Sketch进行编译和烧写，下方的状态栏会显示编译和烧写的进度。代码烧写完成后，还会在调试信息栏中给出程序占用MCU的RAM和ROM大小，以及剩余空间大小（见图1-20）。
　　图1-19Sketch实例
　　图1-20调试信息栏和状态栏
　　1.3.2实例：Hello Arduino——用Arduino控制LED
　　本节中我们将完成一个简单的Arduino Sketch——用Arduino来控制一个LED。无论是8051单片机还是ARM、DSP、CPLD、FPGA的学习，通常第一个程序的首选都是点亮一盏LED，这种学习过程被网友戏称为“一灯大师”。其实对于处理器或可编程数字逻辑来说，GPIO的控制是最简单的，往往只需要一两行代码，因此它是初学者的最佳入口，本书也不能免俗。本书将对这个Sketch的讲解作为pcDuino程序设计的铺垫，以帮助读者理解Arduino程序设计的一般方法。
　　首先了解一下LED的结构（见图1-21）。LED是发光二极管的简称。LED本质上是一个二极管，具有和二极管相同的性质，当正负极间的电压达到一定程度后（超过导通电压）会导通，同时放射出一定颜色的光线。
　　图1-21LED结构和表示符号
　　想要点亮LED，只需要在其两端加一定的电压，去掉这个电压，LED就会熄灭。普通的LED可以直接用GPIO接口（General Purpose Input Output，通用输入/输出接口）驱动，并且常见的驱动方式有两种：阳极驱动和阴极驱动（灌电流驱动），如图1-22所示。不管采用哪种驱动方式，都要在电路中串接一个电阻，用来限制电流的大小，防止烧坏LED或其他电路。大功率LED不能直接由GPIO驱动，还需要增加MOS管或开关电源等电路，这里不做讨论。
　　图1-22LED驱动方式
　　对于阳极驱动，当GPIO输出高电平时，LED与电源地之间出现电压差，点亮LED；当GPIO输出低电平（一般与电源地的电压相同）时，LED两端没有了电压差，因而熄灭。阴极驱动与之正好相反，低电平点亮，高电平熄灭。
　　Arduino Uno板上的引脚13连接了一个贴片封装的LED，这个LED已经焊接在电路板上，可以直接编程操作。
　　当新建一个Sketch时，编辑器里会自动添加两个函数：setup()和loop()。
　　void setup() {
　　 // put your setup code here, to run once:
　　}
　　void loop() {
　　 // put your main code here, to run repeatedly:
　　}
　　这两个函数是Arduino编程的基本函数，一个Arduino Sketch会从setup()函数开始运行，setup()中的内容只运行一次，以后除了Arduino电路板复位或者重新上电，该函数中的代码都不会再运行。这个函数通常用来做一些初始化设置。
　　相反，loop()函数中的内容则会重复执行。当setup()中的代码运行完成后，loop()中的代码开始一遍遍重复执行，直到电路板断电。可以说，如果Arduino正常运行，loop()中的程序是永远不会结束的，这点和一般的MCU程序设计相同。
　　下面我们参照Arduino的Blink例子编写代码，具体代码如代码清单1-1所示。
　　代码清单1-1：Arduino控制LED范例代码
　　/********************************************
　　程序名称：led_test
　　功能：Arduino控制LED范例代码
　　版本：v1.0
　　作者：懒兔子 [haixiaoli2@163.com]
　　*********************************************/
　　int led_pin = 13; // 定义引脚13为LED引脚
　　void setup()
　　{
　　 pinMode(led_pin, OUTPUT); // 设置LED引脚为输出模式
　　}
　　void loop()
　　{
　　 digitalWrite(led_pin, HIGH); // 设置引脚为高电平，LED点亮
　　 delay(1000); // 等待1s
　　 digitalWrite(led_pin, LOW); // 设置引脚为低电平，LED熄灭
　　 delay(1000); // 等待1s
　　}
　　这个例子定义了int型全局变量led_pin，并赋值为13，用于表示LED连接到引脚13。Arduino共有13个数字I/O，每一个都可以用来控制LED，如果没有使用板载的LED而是将LED连接在其他引脚上，就需要将这个数字设置为相应的引脚编号。
　　pinMode()函数用来设置led_pin变量对应引脚的模式。pinMode(led_pin，OUTPUT)表示将Arduino的13号I/O设置为OUTPUT，即输出模式。
　　digitalWrite()函数用于控制GPIO的电平状态，digitalWrite(led_pin，HIGH)表示led_pin变量对应的I/O输出高电平，digitalWrite(led_pin，LOW)表示输出低电平。
　　delay()函数用于延时一段时间，在这段时间内Arduino什么都不做，等时间过去了再执行后面的语句。delay()函数参数的单位为毫秒(ms)，delay(1000)表示等待1000ms，即1s。
　　这段程序实现的效果是将Arduino与LED连接的引脚13设为输出后，每隔1s关闭或打开LED，实现LED周期性闪烁。
　　图1-23展示了Arduino IED中如何编写Sketch。
　　图1-23编写Sketch
　　完成代码编写后，保存Sketch为HelloArduino.ino。通过USB线连接Arduino板与PC。第一次连接可能需要安装Arduino驱动程序，这一驱动程序在Arduino IDE解压文件夹中的drivers目录下，安装驱动时选择手动浏览方式，选中drivers目录即可（见图1-24）。
　　按下按钮编译程序，并下载到Arduino板中，下载完成时状态栏显示Done uploading。这时Arduino板上的LED就开始闪烁了，就是这么简单。
　　图1-24安装Arduino驱动程序
　　1.4Arduino的局限性
　　前面的内容中提到过，简单是Arduino的一大优点，但力求简单也给Arduino带来了很大的局限性。Arduino无法胜任大量运算和高复杂度的工程应用，只能做一些对性能要求不高的简单工作，这是受到Arduino的硬件和软件两方面限制的。
　　目前绝大多数的Arduino都使用MCU作为处理器，比如Arduino Uno使用的ATmega328单片机，主频为16MHz，只有2KB的SRAM和32KB的Flash，直接限制了运行速度和代码规模。虽然后来的Arduino板所使用的MCU性能不断提升，但仍然不能满足性能较高的应用，更不用说图像处理、集群服务器这样的专业领域。Arduino官方应该也意识到了这一点，因此推出了集成高通AR9331 ARM9处理器的Arduino Yun和集成TI AM335x Cortex-A8处理器的Arduino Tre，不过从Yun和Tre的硬件结构来看，都是CPU+MCU，也就是说将一块高性能的ARM板和低端的Arduino画在一块电路板上，两个处理器间通过通信接口相连，并未实现“一U两用”（pcDuino与Arduino Yun和Arduino Tre的结构不同，不需要额外的MCU，可以在Linux系统中运行Arduino程序，实现Mini PC和Arduino无缝结合）。
　　另一方面，虽然Arduino IDE使用方便，但缺乏有效的调试手段（没有仿真功能，无法实现单步执行等操作，不能随时查看内存数据），编辑器的智能化也不够理想（缺少联想、查找定义等功能），难以有效维护规模较大的代码。
　　虽然Arduino有一定的局限性，但仍然无法影响其成为DIY爱好者的宠儿，而且越来越多的板卡和设计开始通过各种方式兼容Arduino，更加说明了它在世界范围内的影响力，相信Arduino会在开源硬件的道路上发挥更大的作用。