38、Arduino硬件资源与库开发全解析

Arduino硬件资源与库开发全解析

在电子项目开发中，Arduino是一款广受欢迎的开源电子原型平台。它为开发者提供了丰富的功能和便捷的开发环境，能够满足各种不同的项目需求。下面将详细介绍Arduino的一些重要硬件资源以及如何开发自定义库。

1. 光耦合器与固态继电器

• 光耦合器 ：光耦合器适用于需要电气隔离的低电流切换场景，可用于低功率系统控制高功率系统，避免高电压回流到低电压的Arduino中，降低损坏IC的风险。其内部“输入”侧有一个LED，与“负载”侧的开关设备（如FET或双极晶体管）进行光耦合。由于没有移动部件，具有较高的开关速度（通常为几毫秒，某些设备甚至可达微秒级）和可靠性。典型的光耦合器可在40V下切换约150mA的电流，主要作为隔离设备使用。
• 固态继电器 ：固态继电器结合了传统继电器的隔离和电流处理能力，以及光耦合器无移动部件的优点。它能可靠地高速（毫秒级）切换高电流和高电压，且驱动电流低，可直接由Arduino驱动。有多种封装样式，如可处理240VAC、5A的PCB安装单元，以及更大的可安装在机箱上以应对更大电流的单元。大多数用于交流的固态继电器提供“过零切换”功能，可减少负载磨损和电气噪声。不过，使用固态继电器也有一些注意事项，如部分设备有最小负载电流要求，关断时泄漏电流可能较高，故障时通常处于“导通”状态。

2. 数字输入/输出扩展

Arduino有20个通用I/O引脚，多数项目足够使用，但在某些情况下可能需要更多输入或输出。通过利用Arduino的SPI支持，可使用移位寄存器实现几乎无限的数字输入或输出功能。
- 移位寄存器作为输出 ：使用移位寄存器提供输出时，Arduino需提供时钟（CLK）、数据（D）和锁存（Q）三个信号，还可提供输出使能（OE）信号。以单个八输出串行输入并行输出移位寄存器/锁存器连接到Arduino为例，若要将输出3置高，其他输出置低，需按特定顺序设置D和CLK信号，最后通过Q信号将新的模式移到输出引脚。多个移位寄存器可级联以增加输出引脚数量，但受Arduino驱动CLK和Q信号数量的限制。这种输出方式会增加CPU开销，但使用Arduino内部UART的SPI模式可降低开销。常见的移位寄存器设备有74HC595（每引脚约20mA，价格便宜）和TPIC6595（每引脚约200mA，功能更强大）。基于移位寄存器的输出也可实现PWM，可通过软件或硬件PWM引脚驱动OE信号，但需注意可能出现的闪烁问题。
- 移位寄存器作为输入 ：并行加载移位寄存器可用于输入扩展，如常见的74HC165。其工作原理与输出电路类似，Arduino通过输出引脚提供时钟（CLK）和加载（LD）信号，通过输入引脚读取移位寄存器的数据（D）线状态。通过LD引脚的高低高转换将输入状态加载到移位寄存器，再通过CLK引脚的低高低转换依次读取每个输入的状态。

3. 输入调理

Arduino能提供的输出电流和电压有限，能承受的输入电压也有限，多数Arduino板输入引脚的最大电压通常为5V。当处理高于电源轨的输入电压时，可采用以下技术：
- 电压分压器和非隔离输入调理 ：电压分压器由两个串联电阻组成，可将较高的输入电压转换为适合Arduino输入引脚的电压。例如，选择20k和10k的电阻，可将15V输入转换为5V输出。简单的分压器在良好环境中可正常工作，但在嘈杂或不稳定的环境中，可添加齐纳二极管进行保护。齐纳二极管在低于工作电压时电阻很高，达到工作电压时电阻急剧下降，可将电压钳位在5.1V，但可能无法捕捉快速瞬变或尖峰，用于保护模拟输入时可能引入非线性。此外，可变电阻（电位器）按类似方式连接也可形成电压分压器，可用于为项目添加旋钮来设置值。
- 隔离输入调理 ：光耦合器可用于隔离要监测的信号与Arduino。简单的隔离数字输入电路中，只要选择合适的电阻使通过光耦合器LED侧的电流不超过10mA，输入侧可以是任意电压。隔离模拟信号更复杂，可考虑使用小型变压器和滤波电路，或专用的隔离放大器。还可利用基于光耦合器的隔离电路提供与市电同步的50Hz/60Hz参考信号。

4. 廉价DIY原型屏蔽板

标准Arduino板的物理设计存在一个问题，即用于插入屏蔽板的头部连接没有整齐地排列在标准0.1英寸网格上，导致难以使用廉价的标准条形板或穿孔板制作屏蔽板。不过，有一些商业原型屏蔽板可供选择，它们具有不同的功能，如可堆叠的头部、额外的复位按钮、状态LED等。此外，Luke Weston提出了一种简单的方法来修改Arduino，使其能够使用廉价的条形板和可分离的公头制作自己的原型屏蔽板。具体步骤如下：
1. 找到一个8引脚的母PCB头部，可从电子零件供应商处获取或从商业原型屏蔽板套件中获取。
2. 将其放在Arduino的常规数字I/O引脚8 - 13头部旁边，使引脚突出在Arduino PCB旁边。
3. 向引脚13方向稍微滑动，使新头部的第一个引脚（靠近引脚8）与旧头部的现有引脚7之间的水平间距为0.2英寸。
4. 使用一滴强力胶水将新头部牢固地粘在旧头部上。
5. 为确保间距正确，可先制作一个DIY原型屏蔽板，将其插入Arduino，同时固定新的母头部。
6. 将Arduino翻转过来，将所有头部引脚弯曲成一定角度，使其与现有头部的焊点对齐。
7. 焊接每个引脚，即可使用廉价的条形板和可分离的公头制作自己的原型屏蔽板。

5. 编写Arduino库

Arduino开发环境自带了一系列实用的库，网上也有很多可用的库，但有时创建自定义库可简化代码并方便他人使用。下面以TouchScreen库为例，介绍创建自定义库的步骤。
- 将功能实现为草图 ：首先将功能直接实现为Arduino草图，在IDE中开发功能便于快速测试。以触摸屏幕驱动为例，其初始版本的草图代码如下：

int xVal = 0;
int yVal = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(38400);
}

void loop()
{
  // Set up the analog pins in preparation for reading the X value
  pinMode( 15, INPUT );     // Analog pin 1
  pinMode( 17, INPUT );     // Analog pin 3
  pinMode( 14, OUTPUT );    // Analog pin 0
  digitalWrite( 14, LOW );  // Use analog pin 0 as a GND connection
  pinMode( 16, OUTPUT );    // Analog pin 2
  digitalWrite( 16, HIGH ); // Use analog pin 2 as a +5V connection
  xVal = analogRead( 1 );   // Read the X value

  // Set up the analog pins in preparation for reading the Y value
  pinMode( 14, INPUT );     // Analog pin 0
  pinMode( 16, INPUT );     // Analog pin 2
  pinMode( 15, OUTPUT );    // Analog pin 1
  digitalWrite( 15, LOW );  // Use analog pin 1 as a GND connection
  pinMode( 17, OUTPUT );    // Analog pin 3
  digitalWrite( 17, HIGH ); // Use analog pin 3 as a +5V connection
  yVal = analogRead( 0 );   // Read the Y value

  // Report the values back to the host
  Serial.print(xVal);
  Serial.print(",");
  Serial.println(yVal);

  delay(100); // Wait 100 milliseconds before repeating
}

• 创建库头文件 ：创建新库的第一步是在Arduino安装目录的hardware/libraries下创建一个与库名匹配的新目录，如TouchScreen。在该目录下创建一个以.h为扩展名的头文件，如TouchScreen.h。为避免库被重复包含导致编译错误，需添加“包含保护”。同时，要包含WProgram.h文件以访问Arduino环境的常量和变量类型。由于Arduino库需作为C++对象调用，要在头文件中声明一个类来定义库，如：

#ifndef TouchScreen_h
#define TouchScreen_h

#include "WProgram.h"
class TouchScreen
{
};

#endif

此时的TouchScreen类声明只是一个空壳，后续可在其中定义功能。定义类是为对象的行为创建抽象定义，通过类的构造函数可根据类的定义创建实际对象。构造函数与类名和库名相同，并包含设置对象时需要传入的参数。

以下是一个简单的流程图，展示了创建Arduino库的主要步骤：

graph LR
    A[开发功能为草图] --> B[创建库目录]
    B --> C[创建头文件]
    C --> D[添加包含保护]
    D --> E[包含WProgram.h]
    E --> F[声明类]
    F --> G[定义构造函数]

另外，为了更清晰地对比不同设备的特点，下面列出一个表格：
|设备名称|特点|适用场景|
| ---- | ---- | ---- |
|光耦合器|电气隔离，开关速度快，可靠性高，电流较小|低电流切换、电气隔离场景|
|固态继电器|隔离和电流处理能力强，无移动部件，高速切换|高电流、高电压切换场景|
|74HC595|每引脚约20mA，价格便宜|对电流要求不高的输出扩展|
|TPIC6595|每引脚约200mA，功能强大|高电流输出扩展|
|74HC165|用于输入扩展|需要增加输入引脚的场景|

Arduino硬件资源与库开发全解析

6. 深入理解类与构造函数在库开发中的作用

在Arduino库开发中，类和构造函数是非常重要的概念。类为对象的行为提供了抽象定义，就像一个模板，而构造函数则负责根据这个模板创建实际的对象。在 TouchScreen 库的例子中，我们已经声明了类，接下来要详细说明构造函数的重要性和具体实现。

构造函数的名称与类名相同，它在对象被创建时自动执行，用于初始化对象的属性和状态。例如，在 TouchScreen 类中，构造函数可能需要初始化与触摸屏幕连接的引脚。以下是一个简单的示例，展示了如何在 TouchScreen.h 头文件中添加构造函数：

#ifndef TouchScreen_h
#define TouchScreen_h

#include "WProgram.h"

class TouchScreen
{
public:
    TouchScreen(int xPin1, int xPin2, int yPin1, int yPin2); // 构造函数声明
private:
    int xPin1;
    int xPin2;
    int yPin1;
    int yPin2;
};

#endif

在上述代码中，构造函数 TouchScreen 接受四个参数，分别表示与触摸屏幕连接的引脚。这些参数将用于初始化类的私有成员变量，以便在后续的方法中使用。

接下来，我们需要在对应的 .cpp 文件中实现构造函数。创建一个名为 TouchScreen.cpp 的文件，内容如下：

#include "TouchScreen.h"

TouchScreen::TouchScreen(int xPin1, int xPin2, int yPin1, int yPin2)
{
    this->xPin1 = xPin1;
    this->xPin2 = xPin2;
    this->yPin1 = yPin1;
    this->yPin2 = yPin2;
}

通过这种方式，我们完成了构造函数的实现，使得在创建 TouchScreen 对象时可以传入引脚信息进行初始化。

7. 为库添加功能方法

在完成类和构造函数的定义后，我们需要为库添加具体的功能方法，以实现触摸屏幕的读取功能。在 TouchScreen.h 头文件中添加方法声明：

#ifndef TouchScreen_h
#define TouchScreen_h

#include "WProgram.h"

class TouchScreen
{
public:
    TouchScreen(int xPin1, int xPin2, int yPin1, int yPin2);
    int readX(); // 读取X坐标的方法声明
    int readY(); // 读取Y坐标的方法声明
private:
    int xPin1;
    int xPin2;
    int yPin1;
    int yPin2;
};

#endif

然后在 TouchScreen.cpp 文件中实现这些方法：

#include "TouchScreen.h"

TouchScreen::TouchScreen(int xPin1, int xPin2, int yPin1, int yPin2)
{
    this->xPin1 = xPin1;
    this->xPin2 = xPin2;
    this->yPin1 = yPin1;
    this->yPin2 = yPin2;
}

int TouchScreen::readX()
{
    // 设置模拟引脚以准备读取X值
    pinMode(xPin1, INPUT);
    pinMode(xPin2, INPUT);
    pinMode(yPin1, OUTPUT);
    digitalWrite(yPin1, LOW);
    pinMode(yPin2, OUTPUT);
    digitalWrite(yPin2, HIGH);
    return analogRead(xPin1);
}

int TouchScreen::readY()
{
    // 设置模拟引脚以准备读取Y值
    pinMode(yPin1, INPUT);
    pinMode(yPin2, INPUT);
    pinMode(xPin1, OUTPUT);
    digitalWrite(xPin1, LOW);
    pinMode(xPin2, OUTPUT);
    digitalWrite(xPin2, HIGH);
    return analogRead(yPin1);
}

通过这些方法，我们可以方便地读取触摸屏幕的X和Y坐标。

8. 使用自定义库

完成库的开发后，就可以在Arduino项目中使用它了。以下是一个简单的示例代码，展示了如何使用 TouchScreen 库：

#include <TouchScreen.h>

// 定义触摸屏幕的引脚
TouchScreen ts(14, 16, 15, 17);

void setup()
{
    Serial.begin(38400);
}

void loop()
{
    int x = ts.readX();
    int y = ts.readY();
    Serial.print(x);
    Serial.print(",");
    Serial.println(y);
    delay(100);
}

在这个示例中，我们首先包含了 TouchScreen.h 头文件，然后创建了一个 TouchScreen 对象，并传入了触摸屏幕的引脚信息。在 loop 函数中，我们调用 readX 和 readY 方法读取触摸屏幕的坐标，并通过串口输出。

9. 总结与注意事项

通过以上步骤，我们完成了一个简单的Arduino库的开发。在开发过程中，需要注意以下几点：
- 命名规范 ：库名、类名和方法名应遵循一定的命名规范，使用驼峰命名法，保持简洁清晰，并且确保名称的唯一性。
- 错误处理 ：在库的实现中，应考虑可能出现的错误情况，如引脚连接错误、读取超时等，并进行相应的错误处理。
- 兼容性 ：确保库在不同的Arduino板上都能正常工作，考虑不同板的引脚定义和电气特性的差异。

下面是一个总结性的列表，概括了使用自定义库的步骤：
1. 开发功能为草图，确保功能正常工作。
2. 创建库目录和头文件，添加包含保护和必要的头文件。
3. 声明类和构造函数，实现类的初始化。
4. 添加功能方法，实现具体的功能逻辑。
5. 在Arduino项目中包含库头文件，创建对象并调用方法。

通过合理利用这些硬件资源和掌握库开发的技巧，我们可以更加高效地开发出功能丰富的Arduino项目。希望以上内容对你有所帮助，祝你在Arduino开发的道路上取得更多的成果！

另外，为了更直观地展示使用自定义库的步骤，下面给出一个流程图：

graph LR
    A[开发功能草图] --> B[创建库目录和头文件]
    B --> C[声明类和构造函数]
    C --> D[添加功能方法]
    D --> E[在项目中包含库并使用]

以下再通过一个表格，对比使用自定义库前后的代码复杂度：
|对比项|使用自定义库前|使用自定义库后|
| ---- | ---- | ---- |
|代码量|较多，需要手动处理引脚设置和读取逻辑|较少，只需调用库的方法|
|可读性|较差，逻辑复杂，难以理解|较好，代码简洁，易于维护|
|可复用性|低，代码难以在其他项目中复用|高，库可以在多个项目中重复使用|