Arduino - 通信

Arduino - 串口通信 (UART)

在微控制器世界中，通信至关重要。你的 Arduino 需要与计算机、传感器和其他芯片进行通信。虽然有许多通信协议，但最基础的是串口通信 (Serial Communication)。本章重点介绍 UART（异步收发传输器），这是 Arduino 内置 Serial 对象使用的协议。

并行通信与串行通信

并行通信 (Parallel Communication) 通过多根线同时发送多个数据位。它速度很快，但需要大量 I/O 引脚，这在微控制器上是宝贵的资源。串行通信 (Serial Communication) 则通过单根线（外加一根公共地线）一次发送一个数据位。它速度较慢，但在引脚使用方面效率高得多，使其成为大多数微控制器任务的主导方法。

异步串行协议

Arduino 的 Serial 通信是异步的，这意味着它不使用共享时钟信号。为了确保发送方和接收方同步，它们必须事先约定一套规则：

• 波特率 (Baud Rate)：通信速度，以每秒位数 (bps) 衡量。两台设备必须设置为相同的波特率。常用值为 9600。
• 数据帧 (Data Frame)：每块数据都以数据包或帧的形式发送，其中包括：
• • 起始位 (Start Bit)：一个信号位，表示新帧的开始（从高到低的转换）。
• • 数据位 (Data Bits)：实际数据，通常是 8 位（一个字节）。
• • 奇偶校验位 (Parity Bit)（可选）：一个额外的位，用于基本的错误检查。
• • 停止位 (Stop Bit(s))：一到两位，表示帧的结束（转换回高电平）。

Arduino Serial 对象

在 Arduino UNO 上，Serial 对象指的是连接到数字引脚 0 (RX - 接收) 和 1 (TX - 发送) 的内置硬件 UART。这些引脚也连接到 USB 转串口芯片，使你的 Arduino 能够与计算机的串口监视器 (Serial Monitor) 通信。

最佳实践：如果你正在使用 Serial 进行调试，请避免将引脚 0 和 1 用于通用 I/O（如 LED 或按钮），因为它可能会干扰代码上传和通信。

核心 Serial 函数

• Serial.begin(speed)：初始化串口通信并设置波特率（例如，Serial.begin(9600)）。
• Serial.available()：返回可从串口缓冲区读取的字节数（字符数）。
• Serial.read()：读取一个传入的串口数据字节。
• Serial.print(data)：以人类可读的 ASCII 文本格式将数据打印到串口。
• Serial.println(data)：与 print() 相同，但在末尾添加回车符和换行符。
• Serial.write(data)：将原始二进制数据（一个字节或一系列字节）写入串口。

代码示例：一个简单的命令解释器

这个高级示例演示了如何从串口监视器读取字符串，并让 Arduino 根据命令执行操作。

/*
  串口命令解释器
  监听来自串口监视器的 'ON' 或 'OFF' 命令
  以控制板载 LED。
*/

const int LED_PIN = LED_BUILTIN; // 使用板载 LED

void setup() {
  // 以 9600 bps 的波特率开始串口通信
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

  Serial.println("Arduino 已准备就绪。");
  Serial.println("发送 'ON' 打开 LED，发送 'OFF' 关闭 LED。");
}

void loop() {
  // 检查是否有数据可读
  if (Serial.available() > 0) {
    // 将接收到的命令作为字符串读取，直到收到换行符
    String command = Serial.readStringUntil('\n');

    // 移除任何开头/结尾的空白字符
    command.trim();

    if (command.equalsIgnoreCase("ON")) {
      digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
      Serial.println("命令已接收：ON。LED 现已开启。");
    } else if (command.equalsIgnoreCase("OFF")) {
      digitalWrite(LED_PIN, LOW);
      Serial.println("命令已接收：OFF。LED 现已关闭。");
    } else {
      Serial.print("未知命令：");
      Serial.println(command);
    }
  }
}

超越 UART：I2C 和 SPI 概述

尽管 UART 非常适合计算机到 Arduino 或简单的点对点通信，但 Arduino 还支持其他串行协议以完成更复杂的任务：

• I2C (Inter-Integrated Circuit)：一种两线协议（SDA 和 SCL），允许你将多个设备（传感器、显示器等）连接到同一总线。每个设备都有一个唯一的地址。
• SPI (Serial Peripheral Interface)：一种更快的四线协议，常用于高带宽设备，如 SD 卡读卡器、以太网模块和某些显示器类型。