Linkit 7688 DUO(四): 接上各种Arduino传感器和模块——基础篇
Linkit 系列博文：
联发科Linkit 7688 （一） 上手及在Mac下搭建OpenWrt交叉编译环境，C语言编译Hello,World
联发科Linkit 7688 （二）GPIO基本操作与C语言编程
联发科Linkit 7688 DUO(三): 通过 Arduino 控制外设和传感器
Linkit 7688 DUO(四): 接上各种Arduino传感器和模块——基础篇
Linkit 7688 DUO(五) 接上各种Arduino传感器和模块—扩展篇
Linkit 7688 DUO(六) 加入MQTT物联网协议
前一篇讲了 Linkit 7688DUO操作Arduino的原理和基本方法。现在，我们要为开发板接上各类Arduino的传感器和模块了，这些模块提供了各类输入输出。
一、首先要充分了解 Linkit 7688 DUO开发板的引出管脚
Linkit 7688 DUO开发板上有两个处理器芯片。
一片是 Linkit 7688， 主处理器
一片是 ATmega32U4, 这是Arduino的处理芯片，提供Arduino编程接口，用于控制传感器外设等
两个处理器通过内部串口相连。
在开发中， 要写两个程序：
1， 写一个Arduino程序， 写入ATmega32U4中。Arduino程序通过串口接收主处理器Linkit 7688送来的命令, 执行相应动作。
2， 写一个主程序，写入Linkit7688中。 主程序通过串口向 ATmega32U4 发送命令
开发板有两排管脚，查了管脚说明书。我做了一个简图如下：
图中标识的 从ATmega32U4管脚接出的众多管脚，其中：D0-D13 为数字IO口， A0-A5为模拟IO口， S0-S3为串口设备SPI管脚
还有几个电源口： GND(地), 3.3V, 5V
二、获得Arduino的传感器模块
淘了一套 科易（Keyes）的Arduino传感器套装，37种传感器，70元。便便宜宜，够玩一下了。
为了把传感器模块接到开发板上，还要买一把杜邦线。
本篇选主要的几种传感器，连接Linkit 7688 DUO开发板， 练习如何连线，如何控制输入输出
三、双色LED灯 （ TWO-COLOR), 见下图，这种LED能显示切换两种颜色
模块有三个管脚，其中 （图中左侧)标注‘-’的管脚接地(GND)，(图中右侧）标注"S"的管脚接信号(Signal), 即接在数字IO口上。 中间的管脚接3.3V
用杜邦线把模块三个脚分别接到开发板上，其中把信号线接到 D8 口. 这时LED灯已经亮起，为橙色。
编一个Arduino程序，用来控制D8脚的LED灯， 编译上传到ATmegaU32
int pin = 8; //pin connected
void setup() {
Serial1.begin(57600); //internal serial to MT7688
pinMode(pin, OUTPUT); //set pin output mode
}
void loop() {
int c = Serial1.read(); // read from MT7688
if (c != -1) {
switch(c) {
case '0': // turn off when receiving "0"
digitalWrite(pin, 0);
break;
case '1': // turn on when receiving "1"
digitalWrite(pin, 1);
break;
}
}
}
编一个C语言主程序 serial_test.c，用来向ATmegaU32串口发送命令， 交叉编译后生成serial_test，用scp命令上传到开发板
#include <unistd.h>
#include "serial.h"
int main() {
int fd;
char c;
fd = serial_open(0, 57600);//open serial port 0 ： /etc/ttyS0
if ( fd > 0 ) {
while (1) {
c = '0';
serial_send(fd, &c, 1); //send '0'
sleep(1);
c = '1';
serial_send(fd, &c, 1); //send '1'
sleep(1);
}
serial_close(fd);
}
}
SSH进入开发板，执行 serial_test, 则可以看到，双色LED灯每隔一秒换一种颜色（橙-->绿-->橙...)
这个程序是死循环，按 CTRL+C 可中断执行
四、三色LED灯 （ RGB LED ), 见下图，通过设置R, G, B三种颜色值，可以使这种LED显示任意颜色
模块有四个管脚，其中 （图中右侧)标注‘-’的管脚接地(GND)， 标注"R", "G", "B"的三个管脚要分别接到三个IO管脚上
用四根杜邦线把模块接到开发板上，其中“-”脚接GND, RGB三个管脚分别接 D3, D5, D6口
注： ATmega32U4芯片的 3、5、6、9、10、11、13管脚 能使用 Arduino 中的 analogWrite()函数支持8位的PWM输出， PWM管脚可用于输出0-255的不同亮度值
在双色LED例子中，Linkit 7688一次送一个字节的命令给ATmegaU32就可以了，串口通信比较简单。
在本例中，为了显示RGB颜色， Linkit 7688要一次送三个字节的命令给ATmegaU32，以后的例子中，可能要发送不同长度的各种命令给ATmegaU32.
因此， 需要设计一个ATmegaU32 与 Linkit 7688间的通用的串口通信协议, 用于传送比较复杂的命令.
这里提供一个工业用的串口通信 消息协议， 可以实现双向通信， 协议定义如下：
1, 进行串口通信的两个设备间可以互发消息数据包，简称消息。
2，每个消息是一串连续的字节流，包含：开始字节、命令字节，长度字节、内容、检验字节等
3, 消息数据的格式如下：
开始字节(1 byte) + 命令字节(1 byte) + 内容长度( 1 byte ) + 内容（长度可变) + 校验字节(1字节）
其中：
开始字节，固定取值为 0x03
命令字节，由用户自定义各种命令，共256种。 其中：COMMAND_ACK （正确响应） , COMMAND_NAK （不正确响应) 是本协议预定义的两种响应命令
内容长度字节，指其后面跟随的内容的长度, 可以为0
内容， 长度可变的一串字节
校验字节，用于校验前面传的数据是否正确，采用BCC算法，取值为从开始字符到命令内容的异或和。
4，消息响应
接收消息的一方收到消息后，如执行正确应回复一个ACK消息。否则应回复一个NAK消息。以便另一方了解消息是否正确。
ACK消息以 COMMAND_ACK 为命令字节（COMMAND_ACK=1)，内容长度为1， 内容为上条收到消息的命令字节。
NAK消息以 COMMAND_NAK 为命令字节（COMMAND_NAK=0)，内容长度为1， 内容为上条收到消息的命令字节。
然后，在Arduino 和 Linkit 7688主控程序中分别实现这个通信协议。
第1步，编一个Arduino程序，实现消息协议
/**************************************************
* Message protocol over serial communication
* between Arduino and Linkit 7688
*
* message format:
* START_BYTE(1 byte) + COMMAND(1 byte) + LENGTH(1 byte) + DATA + CHECKSUM(1 byte)
**************************************************/
const unsigned char COMMAND_ACK = 1; //ACK: command received and processed
const unsigned char COMMAND_NAK = 0; //NAK: command not processed
unsigned char message[258]; //message of serial communication
static const unsigned char START_BYTE = 0x03; //start byte of message
static int delay_between_bytes = 1; //delay between bytes
/* message initialization */
void MessageInit(long baudRate) {
Serial1.begin(baudRate); //init Serial1 which connect to Linkit 7688
delay_between_bytes = 1500 / ( baudRate / 8 );
if (delay_between_bytes <= 0)
delay_between_bytes = 1;
}
/* calc checksum using BCC algorithm */
static unsigned char bcc_checksum(unsigned char *buf, int len, unsigned char initial)
{
int i;
unsigned char checksum = initial;
for(i = 0; i < len; i++)
checksum ^= *buf++;
return checksum;
}
//read byte: return 1 if read success, return 0 if fail
static int MessageReadByte(int *byte) {
int c, times;
times = 3;
c = Serial1.read(); // trying: read one byte from MT7688
while ( c == -1 && times-- > 0 ) {
delay(delay_between_bytes);
}
if ( c == -1 ) {
return 0;
} else {
*byte = c;
delay(delay_between_bytes);
return 1;
}
}
/* receive message: return 1 if message received OK, else return 0 */
int MessageReceive() {
int c, n, len;
if ( ! MessageReadByte( &c ) )
return 0;
if ( c == START_BYTE ) {
n = 0;
message[ n++ ] = c; //start byte
if ( ! MessageReadByte( &c ) ) return 0; // command byte
message[ n++ ] = c;
if ( ! MessageReadByte( &c ) ) return 0; // length byte
message[ n++ ] = c;
len = c;
while ( len > 0 ) { // read data bytes
if ( ! MessageReadByte( &c ) ) return 0;
message[ n++ ] = c;
len--;
}
if ( ! MessageReadByte( &c ) ) return 0; // checksum byte
message[ n ] = c;
//verify checksum
if ( message[n] == bcc_checksum(message, n, 0) )
return 1;
else
return 0;
}
return 0;
}
/* send message: return 1 if success, return 0 if fail */
int MessageSend(unsigned char command, unsigned char *data, unsigned char len) {
unsigned char buf[3];
unsigned char checksum;
int ret;
buf[0] = START_BYTE;
buf[1] = command;
buf[2] = len;
checksum = bcc_checksum(buf, 3, 0);
if ( len > 0 )
checksum = bcc_checksum(data, len, checksum);
if ( 3 == Serial1.write(buf, 3) ) {
if ( len > 0 ) {
if ( len != Serial1.write( data, len ) )
return 0;
}
ret = Serial1.write(checksum);
return ret == 1;
}
return 0;
}
/* send COMMAND_ACK of specified command */
int MessageACK(unsigned char command) {
return MessageSend( COMMAND_ACK, &command, 1 );
}
/* send COMMAND_NAK of specified command */
int MessageNAK(unsigned char command) {
return MessageSend( COMMAND_NAK, &command, 1 );
}
/* return command of message */
unsigned char MessageCommand() {
return message[1];
}
/* return length of message data */
unsigned char MessageDataLength() {
return message[2];
}
/* return value of specified index of message data */
unsigned char MessageData(int index) {
return message[ 3 + index ];
}
/******** End of Message Protocol **************/
程序有点长，稍微说明一下：
unsigned char message[258]； 是一个字符数组，用于接收消息的。
void MessageInit(long baudRate)；初始化函数，必须且只需调用一次
int MessageReceive() ； 接收消息函数，如果接收成功返回1, 此时接收到的数据在message[]中。 如果接收不成功，返回0
这个函数会先尝试接收一个字节，如果接收到 开始字节，则立即接收后续内容。如果字节间超时，则中断接收。
int MessageSend(unsigned char command, unsigned char *data, unsigned char len) ；发送消息函数，command是命令，data是内容
int MessageACK(unsigned char command)； 发送ACK消息的函数
unsigned char MessageCommand(); 返回刚才接收到的消息中的命令字节
unsigned char MessageData(int index)； 返回刚才接收到的消息内容 的第index字节
我把上述程序存入一个文件 message_protocol.ino 中（以便重用）。
把 message_protocol.ino 这个文件放在Arduino的任何一个项目文件夹中，然后重新打开项目， 则该项目将自动包含message_protocol.ino模块及上述函数。
第2步，编写一个Arduino主程序，接收消息，控制RGB 三色 LED灯。 把以下Arduino程序编译上传到ATmegaU32
/**************************************************
* main program
**************************************************/
const char COMMAND_RGB = 'r';
int pinRed = 3; //PIN 3 connect to Red
int pinGreen = 5; //PIN 5 connect to Red
int pinBlue = 6; //PIN 6 connect to Red
void setup() {
MessageInit(57600); //init message protocol, set baud rate
//set pins mode to OUPTPU
pinMode( pinRed, OUTPUT );
pinMode( pinGreen, OUTPUT );
pinMode( pinBlue, OUTPUT );
}
void setLedColor(int red, int green, int blue) {
analogWrite( pinRed, red );
analogWrite( pinGreen, green );
analogWrite( pinBlue, blue );
}
void loop() {
if ( MessageReceive() ) { //if message received
switch( MessageCommand() ) { //get command of message
case COMMAND_RGB: //if command is COMMAND_RGB
setLedColor( MessageData(0), MessageData(1), MessageData(2) ); //set LED color
MessageACK( COMMAND_RGB ); //send ACK message back
break;
}
}
delay(1); //wait 1 milli-second
}
setup()函数中，要调用一次MesasgeInit()。 loop()函数中，当接收到 COMMAND_RGB, 将调用setLedColor()设置LED灯颜色, 并发送ACK消息。
第3步 编一个C语言模块 message_protocol.c ，实现消息协议。具体我就不详细说了，可以下载代码看一下。
模块共两个文件： message_protocol.c ，message_protocol.h, 其中包含的函数与Arduino的函数基本相同，但调用方式和函数命名方式略有不同。（见以下例程）
第4步 编一个C语言主程序 rgb_led.c, 向ATmegaU32发送消息， 将C程序交叉编译后生成rgb_led，用scp命令上传到开发板
项目中要使用到 串口函数模块serial.c 和 消息协议模块 message_protocol.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include "serial.h"
#include "message_protocol.h"
#define COMMAND_RGB 'r'
//send COMMAND_RGB message to Arduino
int send_rgb_message(message_t * msg, int r, int g, int b) {
unsigned char buf[3];
buf[0] = r;
buf[1] = g;
buf[2] = b;
return message_send(msg, COMMAND_RGB, buf, 3);
}
//wait for ACK message from Arduino
int wait_ack_message(message_t * msg) {
int times, ret;
times = 0;
while ( (ret = message_receive(msg)) != 1 && times++ < 30) {
usleep(1*1000);
}
if ( ret == 1 ) {
if ( message_command(msg) == COMMAND_ACK ) {
printf("receive ACK\n");
fflush(stdout);
}
}
}
int main(int argc, char **argv) {
int fd; //file descriptor of serial port
message_t msg; //message object
fd = serial_open(0, 57600);//open serial port 0, /etc/ttyS0
if ( fd > 0 ) {
message_init( &msg, fd, 57600 ); //init message with fd, set baud rate
send_rgb_message( &msg, 255, 0, 0) ; //set LED color RED
wait_ack_message( &msg ); //wait for ACK message
sleep(1);
send_rgb_message( &msg, 0, 255, 0) ; //set LED color GREEN
wait_ack_message( &msg ); //wait for ACK message
sleep(1);
send_rgb_message( &msg, 0, 0, 255) ; //set LED color BLUE
wait_ack_message( &msg ); //wait for ACK message
sleep(1);
send_rgb_message( &msg, 255, 255, 0) ; //set LED color YELLOW
wait_ack_message( &msg ); //wait for ACK message
sleep(1);
send_rgb_message( &msg, 255, 0, 255) ; //set LED color PURPLE
wait_ack_message( &msg ); //wait for ACK message
sleep(1);
send_rgb_message( &msg, 0xFF, 0xC0, 0xCB) ; //set LED color PINK
wait_ack_message( &msg ); //wait for ACK message
sleep(1);
send_rgb_message( &msg, 0, 0, 0) ; //set LED turn off
wait_ack_message( &msg ); //wait for ACK message
serial_close(fd);
}
return 0;
}
SSH进入开发板，执行 rgb_led, 则可以看到，三色LED灯每隔一秒换一种颜色（红-->绿-->蓝->黄->紫色->粉红..熄灯)
五、接键开关(Switch), 见下图，
模块有三个管脚，其中 （图中右侧)标注‘-’的管脚接地(GND)， 右侧标注"S”的管脚接信号(数字I/O) , 中间的管脚接 5V
用三根杜邦线把模块接到开发板上，其中“-”脚接GND, S脚接 D3, 中间脚接5V
编一个Arduino程序，监控开关状态，如有状态变化，通过串口发送消息到到主控板。 编译Arduino程序上传到ATmegaU32
注：程序将使用message_protocol.ino模块，要把 message_protocol.ino 这个文件放在本Arduino项目文件夹中, 然后重新打开项目即可包含此模块
#define COMMAND_SWITCH 's'
int pinSwitch = 3; // digital pin 3 has a pushbutton attached to it
int lastValue = 1; // last value of pin
void setup() {
MessageInit( 57600 ); // init message < need message_protocol.ino >
pinMode(pinSwitch, INPUT); //set pin as INPUT
lastValue = digitalRead(pinSwitch); //get last value
}
void loop() {
int value = digitalRead(pinSwitch); // read the input pin:
if ( value != lastValue ) { //if value changed
unsigned char c = value & 0xFF; //change to unsigned char
MessageSend( COMMAND_SWITCH, &c, 1); //send message
lastValue = value; //store last value
}
delay(10); // delay in between reads for stability
}
然后，编一个C语言主程序 switch_test.c，监听串口有否消息送到，打印出按键值。 将C程序交叉编译后生成switch_test，用scp命令上传到开发板
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include "serial.h"
#include "message_protocol.h"
#define COMMAND_SWITCH 's'
int main(int argc, char **argv) {
int fd; //file descriptor of serial port
message_t msg; //message object
fd = serial_open(0, 57600);//open serial port 0, /etc/ttyS0
if ( fd > 0 ) {
message_init( &msg, fd, 57600 ); //init message with fd, set baud rate
//loop
while ( 1 ) {
if ( 1 == message_receive(&msg) ) { //if received message
if ( message_command(&msg) == COMMAND_SWITCH ) {
printf("switch value = %d\n", message_data(&msg, 0 ) ); //print value
fflush(stdout);
}
}
usleep(10*1000); //wait 10 milli-seconds
}
serial_close(fd);
}
return 0;
}
switch value 0
switch value 1
switch value 0
switch value 1
switch value 0
主程序是死循环，在SSH中按下CTRL+C可中断程序
六、继电器模块(RELAY)
继电器是一种电子开关元件。数字I/O管脚的输出电压常为直流3.3V，不能直接驱动交流220V的开关，因此需要继电器模块来驱动外部开关。当数字I/O输出0或1时，继电器使外部开关打开或关闭。 继电器常用于控制其它电器、电动机等。
继电器模块见下图：
编一个Arduino程序，采用消息协议，根据接收的消息内容，设置 继电器信号脚D3为0或1。 编译Arduino程序上传到ATmegaU32
注：程序将使用message_protocol.ino模块，要把 message_protocol.ino 这个文件放在本Arduino项目文件夹中, 然后重新打开项目即可包含此模块
#define COMMAND_RELAY 'l'
int pinRelay = 3; // digital pin 3 has a relay module attached to it
int lastValue = 1; // last value of pin
void setup() {
MessageInit( 57600 ); // init message < need message_protocol.ino >
pinMode(pinRelay, OUTPUT); //set pin as OUTPUT
}
void loop() {
if ( MessageReceive() ) { //if message is read
if ( MessageCommand() == COMMAND_RELAY ) { //if is COMMAND_RELAY
int value = MessageData(0); //get value from message data
digitalWrite(pinRelay, value); //output to pin of relay
MessageACK( COMMAND_RELAY ); //send ACK back
}
}
delay(1); // delay in between reads for stability
}
编一个C语言主程序 relay_test.c，采用串口消息协议，发消息控制继电器开关。 交叉编译后生成relay_test，用scp命令上传到开发板
注：项目中要使用到 串口函数模块serial.c 和 消息协议模块 message_protocol.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include "serial.h"
#include "message_protocol.h"
#define COMMAND_RELAY 'l'
int main(int argc, char **argv) {
int fd; //file descriptor of serial port
message_t msg; //message object
unsigned char value;
fd = serial_open(0, 57600);//open serial port 0, /etc/ttyS0
if ( fd > 0 ) {
message_init( &msg, fd, 57600 ); //init message with fd, set baud rate
value = 1;
message_send( &msg, COMMAND_RELAY, &value, 1); //send COMMAND_RELAY message，value=1
sleep(10); //wait 10 seconds
value = 0;
message_send( &msg, COMMAND_RELAY, &value, 1); //send COMMAND_RELAY message,value=0
serial_close(fd);
}
return 0;
}
把继电器串联在灯泡电路上，则可以实现用开发板控制电灯开和关了。
要注意继电器上标明的最大电压和电流，不要超，否则继电器会烧掉。我的继电器是： 250V AC, 10A电流。除了大功率空调，一般的家电都可以带。
七、蜂鸣器模块(BUZZER)， 见下图
蜂鸣器可以用来发出“嘟嘟”声，也可以发出简单的音乐声音。
编一个Arduino程序，采用消息协议，当接到 COMMAND_BUZZER消息，用 tone()函数通过D3口写蜂鸣器，发出指定频率的声音。
注：程序将使用message_protocol.ino模块，要把 message_protocol.ino 这个文件放在本Arduino项目文件夹中, 然后重新打开项目即可包含此模块
这里先定义一下 COMMAND_BUZZER消息， 该消息的内容数据共4字节，前两个字节是 声音频率(高位在前），后两个字节是声音时长(毫秒，高位在前）
Arduino程序如下，将程序编译上传到ATmegaU32
#define COMMAND_BUZZER 'b'
int pinBuzzer = 3; //pin 3 connects to Buzzer module
void setup() {
MessageInit(57600); //init message
pinMode(pinBuzzer, OUTPUT); //set pinBuzzer OUTPUT
}
void loop() {
if ( MessageReceive() ) { //if message received
if ( MessageCommand() == COMMAND_BUZZER ) { //if is COMMAND_BUZZER
//get frequecy from first two bytes in data
long frequency = (MessageData(0) << 8) + MessageData(1);
//get duration, the duration of the tone in milliseconds
long duration = (MessageData(2) << 8) + MessageData(3);
if ( frequency == 0 )
noTone(pinBuzzer);
else
tone(pinBuzzer, frequency, duration );
}
}
}
编一个C语言主程序 music_test.c，采用消息协议，向Arduino发送COMMAND_BUZZER，播放音乐。 交叉编译后生成music_test，用scp命令上传到开发板
注：项目中要使用到 串口函数模块serial.c 和 消息协议模块 message_protocol.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include "serial.h"
#include "message_protocol.h"
#define COMMAND_BUZZER 'b'
/**
* send message to Arduino to play tone of specified frequency in specified duration
*
* @param msg message handle
* @param frequency tone frequency
* @param duration the duration of the tone in milliseconds
* @param imediately_return if this value is 1, this function will return immediately
*
* @return none
*/
void play_tone(message_t *msg, int frequency, int duration, int imediately_return) {
unsigned char data[4];
//byte 0 and 1 is frequecy
data[0] = (frequency & 0xFF00) >> 8;
data[1] = (frequency & 0xFF);
//byte 2 and 3 is duration
data[2] = (duration & 0xFF00) >> 8;
data[3] = (duration & 0xFF);
//send message to Arduino
message_send(msg, COMMAND_BUZZER, data, 4);
if ( imediately_return != 1 )
usleep( duration * 1000);
}
int main(int argc, char **argv) {
int fd; //file descriptor of serial port
message_t msg; //message object
int duration = 600;
fd = serial_open(0, 57600);//open serial port 0, /etc/ttyS0
if ( fd > 0 ) {
message_init( &msg, fd, 57600 ); //init message with fd, set baud rate
play_tone(&msg, 523, duration, 0); // music tone "1"
play_tone(&msg, 587, duration, 0); // music tone "2"
play_tone(&msg, 659, duration, 0); // music tone "3"
play_tone(&msg, 698, duration, 0); // music tone "4"
play_tone(&msg, 784, duration, 0); // music tone "5"
play_tone(&msg, 880, duration, 0); // music tone "6"
play_tone(&msg, 988, duration, 0); // music tone "7"
play_tone(&msg, 1046, duration * 2, 0);// music tone high "1"
serial_close(fd);
}
return 0;
}
说明： 其中 play_tone() 函数向Arduino发送 COMMAND_BUZZER 消息，消息内容中指定了频率、时长
SSH进入开发板，执行 music_test.
呵呵， 蜜蜂鸣叫器发出一段音乐声: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ...
主程序中 采用的频率值 523， 587， 659 ...等频率值，是音符对应的频率。其它音符可以百度一下 “音符与频率的对照表”。
有兴趣的童鞋，可以据此写一个播放音乐的小程序了。
相关代码可以在我的资源中下载：Linkit7688DUO开发板连接多种Ardunio模块的范例程序