適用于羅姆傳感器評(píng)估套件的輕量級(jí) Arduino庫

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

@CoreStaff

羅姆傳感器評(píng)估套件是一種兼容 Arduino 的擴(kuò)展板 （Shield），配有以下8鐘傳感器：加速度計(jì)、壓力傳感器、地磁傳感器、照度/接近傳感器、顏色傳感器、霍爾傳感器、溫度傳感器和紫外線傳感器。該傳感器擴(kuò)展板的設(shè)置指南請(qǐng)參閱Arduino傳感器 – ROHM傳感器評(píng)估套件概覽。單個(gè)傳感器的 Arduino 庫以及詳細(xì)文檔可以從官網(wǎng)上下載：https://www.rohm.com/web/global/sensor-shield-support

對(duì)于要用的每個(gè)傳感器，官網(wǎng)所列的庫都要求您在 Arduino 程序中包含另外一個(gè)庫。如果您計(jì)劃只使用一個(gè)或兩個(gè)傳感器，那么這樣做行得通，但是如果您決定讓單個(gè) Arduino UNO 開發(fā)板同時(shí)處理多個(gè)傳感器（比如6個(gè)傳感器）呢？！

硬件

Arduino UNO或Mega

羅姆傳感器評(píng)估套件

軟件

Arduino IDE

GitHub – 羅姆MultiSensor庫

上述鏈接是一個(gè)專門用于羅姆 MultiSensor 的GitHub程序庫——該單個(gè) Arduino 庫能夠讓您控制羅姆傳感器評(píng)估套件中的所有傳感器，不需要單獨(dú)包含每個(gè)傳感器庫，因此可以節(jié)省時(shí)間。此外，這個(gè)庫允許您根據(jù)當(dāng)前要求設(shè)置傳感器——這是原羅姆庫目前所缺乏的特性。該庫的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是符合 Arduino 1.5 IDE 規(guī)范。它還包括自定義語法高亮顯示功能、詳細(xì)的自述 （readme） 文件和大量實(shí)例！

與羅姆提供的庫比較

我們假設(shè)您想用羅姆提供的庫連接所有傳感器。這不僅會(huì)導(dǎo)致 Arduino 程序相當(dāng)長(zhǎng)，而且還會(huì)造成后臺(tái)運(yùn)行許多不必要的運(yùn)算。比如，每個(gè)庫都有自己的I2C總線控制方法，但它們都相同。所有這些都會(huì)增加 Arduino 程序的整體大小和內(nèi)存使用量。我們能不能只用一個(gè)I2C方法呢?下圖顯示了使用所需6個(gè)羅姆庫時(shí)的程序編譯器輸出：

圖 1. 使用羅姆提供的庫處理所有傳感器時(shí)的編譯器輸出

9886 字節(jié)似乎不是很大，但是記住，該程序除了從傳感器中提取數(shù)據(jù)并在串口上顯示之外，沒有做任何其他事情。這個(gè)數(shù)字告訴我們，盡管任務(wù)非常簡(jiǎn)單，但是卻占用了三分之一的存儲(chǔ)空間。這在添加更多功能時(shí)會(huì)造成空間問題。

現(xiàn)在，讓我們比較一下使用羅姆 MultiSensor 庫的程序的編譯器輸出，其功能完全一樣：

圖 2. 使用羅姆 MultiSensor 庫處理所有傳感器時(shí)的編譯器輸出。
請(qǐng)注意閃存存儲(chǔ)空間和內(nèi)存需求都減少了。

您可以看到，我們節(jié)省了超過 2000 字節(jié)的閃存存儲(chǔ)空間以及100字節(jié)的內(nèi)存需求 !

同時(shí)使用多個(gè)傳感器的5個(gè)步驟

讓我們看一下上文提到的例子——在單個(gè)Arduino開發(fā)板上運(yùn)行6個(gè)羅姆傳感器。所用傳感器包括：加速度計(jì)（kx022 – 1020）、壓力傳感器（BM1383GLV）、照度/接近傳感器（RPR-0521RS）、顏色傳感器（BH1745NUC）、溫度傳感器（BD1020HFV） 和紫外線傳感器 （ML8511A）。

圖 3.同時(shí)使用6個(gè)傳感器

使用這些傳感器的理由非常簡(jiǎn)單：它們的工作電壓都是3V。由于我們只能在擴(kuò)展板上為所有傳感器設(shè)置一種電壓電平，因此我們必須使用大多數(shù)傳感器支持的電壓。使用羅姆MultiSensor庫時(shí)，代碼如下所示：

// definition #define INCLUDE_KX022_1020 #define INCLUDE_BM1383GLV #define INCLUDE_RPR_0521RS #define INCLUDE_BH1745NUC #define INCLUDE_BD1020HFV #define INCLUDE_ML8511A // inclusion #include // instantiation KX022_1020 acc; BM1383GLV bar; RPR_0521RS als; BH1745NUC rgbc; BD1020HFV temp; ML8511A uv; void setup() { Serial.begin(9600); Wire.begin(); // initialization acc.init(); bar.init(); als.init(); rgbc.init(); temp.init(ANALOG_1); uv.init(ANALOG_2); Serial.println("X[g]tY[g]tZ[g]tp[hPa]tPS[cnt]tALS[lx]tR[-]tG[-]tB[-]tC[-]tt[dg C]tUV[mW/cm^2]"); void loop() { //measurement float* accelValue = acc.measure(); float pressValue = bar.measure(); float psValue = als.measure(PS); float alsValue = als.measure(ALS); unsigned int* rgbcValue = rgbc.measure(); float tempValue = temp.measure(); float uvValue = uv.measure(); Serial.print(accelValue[0]); Serial.print('t'); Serial.print(accelValue[1]); Serial.print('t'); Serial.print(accelValue[2]); Serial.print('t'); Serial.print(pressValue); Serial.print('t'); Serial.print(psValue); Serial.print('t'); Serial.print(alsValue); Serial.print('t'); Serial.print(rgbcValue[0]); Serial.print('t'); Serial.print(rgbcValue[1]); Serial.print('t'); Serial.print(rgbcValue[2]); Serial.print('t'); Serial.print(rgbcValue[3]); Serial.print('t'); Serial.print(tempValue); Serial.print('t'); Serial.println(uvValue); delete[] accelValue; delete[] rgbcValue; delay(100); }

Arduino IDE串行繪圖儀（Serial Plotter）的輸出如下圖所示。當(dāng)然，這種輸出幾乎無法用于任何實(shí)際用途。然而，它表明所有傳感器都在工作并測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖 4. 所有6個(gè)傳感器的串行繪圖儀輸出

使用這個(gè)庫時(shí)，您必須按照以下五個(gè)步驟進(jìn)行配置：定義、包含、實(shí)例化、初始化和測(cè)量。這聽起來比較復(fù)雜，所以我們接下來詳細(xì)解釋每一步。

1.定義

第一步就#define（定義）所有要使用的傳感器。下面的步驟解釋了為什么必須首先執(zhí)行這些定義。

為了縮短代碼，您可以使用一個(gè)預(yù)編程的簡(jiǎn)化定義。#define INCLUDE_ALL_1V8_SENSORS#define INCLUDE_ALL_3V0_SENSORS和#define INCLUDE_ALL_5V0_SENSORS。比如，#define INCLUDE_ALL_1V8_SENSORS將會(huì)定義所有推薦供電電壓為1.8V的傳感器。而電壓為3V和5V的定義語句分別為：#define INCLUDE_ALL_3V0_SENSORS和#define INCLUDE_ALL_5V0_SENSORS。

2.包含

這實(shí)際上就是您#include（包含）庫頭文件的地方。在此步驟之前必須完成所有傳感器#define語句的原因很簡(jiǎn)單：頭文件（羅姆MultiSensor.h）中包含了其他的傳感器特定文件，而這必須以定義適當(dāng)傳感器為基礎(chǔ)。這使得庫可以根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)改變其大小，從而節(jié)省Arduino閃存存儲(chǔ)空間和內(nèi)存需求。

3.實(shí)例化

因?yàn)槊總€(gè)傳感器都有自己的類，因此訪問其方法之前，您必須創(chuàng)建該類的一個(gè)實(shí)例。該過程被稱為實(shí)例化，您所要做的就是輸入傳感器類名，然后緊跟實(shí)例名。比如：

BM1383GLV bar;

該語句會(huì)創(chuàng)建一個(gè)BM1383GLV類實(shí)例,而且您可以通過名稱bar訪問該實(shí)例。

4.初始化

每個(gè)傳感器在使用前都必須初始化。您所要做的就是為每個(gè)傳感器調(diào)用.init()方法。此方法在成功完成后返回0，如有任何問題，則返回1。您可以用以下代碼檢查所有傳感器是否都已經(jīng)成功初始化：

void setup() { if(bar.init() == 1) { // there was an error, you have to fix it! } // everything went fine, you can start measuring!

.init()方法還有一個(gè)額外功能：更改傳感器設(shè)置。您可以通過傳遞各種參數(shù)來改變傳感器的行為。

比如我們想要改變壓力傳感器的工作模式。在默認(rèn)模式下，傳感器會(huì)測(cè)量200毫秒，然后返回平均值。如果我們想讓傳感器運(yùn)行得更快（可能會(huì)變得不那么準(zhǔn)確），我們可以使用以下參數(shù)調(diào)用.init()方法：

bar.init(BM1383GLV_CONTINUOUS_100_MS);

現(xiàn)在，測(cè)量只會(huì)在100 ms的工作模式下進(jìn)行。每次重新啟動(dòng)傳感器之后，所有設(shè)置都會(huì)被重置為默認(rèn)值。這通常只與整個(gè)Arduino重置（即按重置按鈕）相關(guān)，所以這并不是一個(gè)問題。

請(qǐng)參閱GitHub庫參考文件，以獲得每個(gè)傳感器當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的完整設(shè)置列表。

注：這些設(shè)置都是可選設(shè)置；通常，默認(rèn)設(shè)置就已足夠（即直接調(diào)用.init()，無需任何參數(shù)）。

5.測(cè)量

此時(shí)，一切準(zhǔn)備就緒，可以開始測(cè)量數(shù)據(jù)了。您可以通過調(diào)用所用傳感器的.measure()方法執(zhí)行此操作。該方法無需參數(shù)，其返回?cái)?shù)據(jù)類型取決于傳感器種類。有些傳感器會(huì)返回單個(gè)數(shù)值——一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)或者一個(gè)整數(shù)。

float pressValue = bar.measure();

上述語句示例會(huì)通過BM1383GLV傳感器測(cè)量壓力，并返回單位為hPa的壓力數(shù)值。

然而，有些傳感器需要返回多個(gè)數(shù)值。比如，KX022-1020 加速度計(jì)會(huì)測(cè)量三個(gè)軸上的減速度：X、Y和Z。顯然，我們需要使用一個(gè)數(shù)組，以返回所有數(shù)值。數(shù)組所用內(nèi)存是動(dòng)態(tài)分配的，所以當(dāng)我們不需要數(shù)組時(shí)，我們必須重新釋放內(nèi)存。

在下面的例子中，我們定義、包含、實(shí)例化并啟動(dòng)KX022-1020加速度計(jì)。然后，我們創(chuàng)建一個(gè)名為accelValue的浮點(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)數(shù)組。如果我們后面不再需要數(shù)組，我們可以通過delete[]釋放內(nèi)存。這樣可以確保沒有內(nèi)存泄漏。內(nèi)存泄漏是指動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存無法正確釋放，并且只要Arduino未重置就不可訪問的情況。在這個(gè)例子中，您會(huì)看到如何正確釋放動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存。

#define INCLUDE_KX022_1020 #include KX022_1020 acc; void setup() { Serial.begin(9600); Wire.begin(); acc.init(); Serial.println("X[g]tY[g]tZ[g]”); } void loop() { // dynamically create an array float* accelValue = acc.measure(); // now we can access the elements in accelValue array Serial.print(accelValue[0]); Serial.print('t'); Serial.print(accelValue[1]); Serial.print('t'); Serial.println(accelValue[2]); //safely deallocate the memory delete[] accelValue; delay(100); }

中斷和BM1422GMV地磁傳感器

如果您用過Arduino，您很可能已經(jīng)見過中斷功能了。即使沒有，也請(qǐng)不要擔(dān)心，如果設(shè)置正確，中斷用起來很簡(jiǎn)單。

簡(jiǎn)單來講，中斷就是讓Arduino“跳轉(zhuǎn)”至代碼特定部分的信號(hào)。這部分代碼是一種稱為中斷服務(wù)程序的特殊函數(shù)，通常簡(jiǎn)稱為ISR。中斷的最常見用途就是進(jìn)行精確時(shí)序控制，所以ISR函數(shù)應(yīng)盡可能短。此外，中斷函數(shù)不帶任何參數(shù)，也不會(huì)返回任何值。

讓我們來看一下需要正確設(shè)置中斷的BM1422GMV地磁傳感器。

#define INCLUDE_BM1422GMV #include BM1422GMV mag; void isr(void) { mag.setFlagDrdy(); } void setup() { Serial.begin(9600); Wire.begin(); mag.init(isr); Serial.println("X[uT]tY[uT]tZ[uT]"); } void loop() { float* magValue = mag.measure(); Serial.print(magValue[0]); Serial.print('t'); Serial.print(magValue[1]); Serial.print('t'); Serial.println(magValue[2]); delete[] magValue; delay(100); }

我們需要內(nèi)存釋放（因?yàn)榕c加速度計(jì)類似，BM1422GMV會(huì)返回三個(gè)軸的數(shù)值）以及ISR。您可以看到，中斷只是在BM1422GMV類中形成一個(gè)標(biāo)志，表示有新數(shù)據(jù)需要收集。.setFlagDrdy()方法是該庫的一部分。請(qǐng)注意，您必須向.init()方法提供ISR名稱。

然而，只在代碼中設(shè)置中斷服務(wù)程序是不夠的。我們需要在擴(kuò)展板上選擇正確設(shè)置。

Arduino UNO具有兩個(gè)外部中斷：INT0（引腳D2）和 INT1（引腳D3）。我們必須將適當(dāng)?shù)囊_連到傳感器上的INT引腳。您可以在類的實(shí)例化中選擇使用哪個(gè)中斷。使用Arduino引腳D2中斷的默認(rèn)值為INT_0，或者如果Arduino D2上的中斷已經(jīng)用于其他設(shè)置，您可以將其改為INT_1。

圖 5. 負(fù)責(zé)中斷設(shè)置的所有引腳概覽

要將傳感器中斷連至Arduino，我們應(yīng)使用J3和J4排針。J3將中斷連至Arduino D2，而J4則將中斷連至D3。每個(gè)排針都有標(biāo)記為INT1至INT5的引腳以及標(biāo)記為INTR1至INTR5的引腳。這是因?yàn)閭鞲衅骶哂袃煞N不同的中斷輸出：

CMOS類型輸出：KX022-1020和BM1422GMV屬于這種輸出。這些中斷信號(hào)可以直接連至 Arduino，并且使用引腳INTR1-5。

需要外部上拉電阻的中斷：使用這種中斷的傳感器為BH1745NUC和RPR-0521RS。它們會(huì)使用引腳INT1-5。注：在排針J16上，相應(yīng)的引腳號(hào)必須短接，以使能外部上拉電阻。比如，如果要在J3上使用INT1引腳，您還必須將INT1短接至J16。

我們?cè)倏匆幌律衔慕o出的示例代碼。我們想要把Arduino的INT0連至BM1422GMV的INT引腳。假設(shè)傳感器連到了I2C_1插槽。在這種情況下，我們應(yīng)將INTR1引腳短接至J3。

圖 6. BM1422GMV連至I2C_1插槽時(shí)的中斷設(shè)置

如果任何其他傳感器需要使用中斷——比如BH1745NUC顏色傳感器，那么中斷設(shè)置步驟如下所示：如果我們將傳感器連至I2C_3并且要使用Arduino的中斷INT1，那么我們應(yīng)將引腳INT3短接到J4和J16上，因?yàn)樵搨鞲衅餍枰粋€(gè)外部上拉電阻。

圖 7. H1745NUC連至I2C_3插槽時(shí)的中斷設(shè)置

有關(guān)中斷的詳細(xì)信息以及針對(duì)不同傳感器的設(shè)置信息，請(qǐng)參考該庫README中的注釋部分。

技巧和決竅

1.地磁傳感器（BM1422GMV）是唯一需要中斷才能工作的傳感器。然而，所有其他I2C傳感器也可以使用中斷。庫的運(yùn)行不需要使能中斷，但是這在一些應(yīng)用程序中可能非常有用。目前，除磁力計(jì)之外，庫中沒有實(shí)現(xiàn)其他傳感器的中斷功能。

2.使用霍爾（BD7411G）傳感器時(shí)，向Arduino上傳程序之前必須斷開傳感器。否則，您將在上傳程序時(shí)收到以下錯(cuò)誤信息：avrdude: stk500_getsync()錯(cuò)誤。這是因?yàn)锽D7411G上的OUT引腳直接連至Arduino引腳D0，而D0還是串行RX引腳。如果沒有檢測(cè)到磁場(chǎng)，那么BD7411G的輸出為高電平（HIGH），這會(huì)阻止串行端口的任何傳入通信——包括程序上傳。

圖8.使用BD7411G時(shí)可能遇到的錯(cuò)誤示例。請(qǐng)注意，如果您在Arduino IDE設(shè)置中關(guān)閉了詳細(xì)輸出，您將只會(huì)收到一條消息：“上傳程序時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤（An error occurred while uploading the sketch）”。要打開詳細(xì)輸出信息，請(qǐng)轉(zhuǎn)到Arduino IDE ->文件（File）->首選項(xiàng)（Preferences），然后勾選“上傳時(shí)顯示詳細(xì)輸出（Show verbose output during upload）”。

3.當(dāng)使用其中一個(gè)模擬傳感器（BD1020HFV溫度傳感器或ML8511A UV傳感器）時(shí)，您必須提供傳感器所連接的插槽名稱。擴(kuò)展板上有兩個(gè)模擬插槽：ANALOG_1和ANALOG_2。為其中一個(gè)模擬傳感器調(diào)用.init()方法時(shí)，您必須向.init()方法提供插槽名稱（即調(diào)用.init(ANALOG_1)，以初始化連至插槽ANALOG_1的模擬傳感器）。作為安全措施，如果您沒有提供任何內(nèi)容，.init()的默認(rèn)值將會(huì)是ANALOG_1，然而，傳感器必須連至插槽ANALOG_1。如果您從模擬傳感器獲取的數(shù)據(jù)很奇怪，那么請(qǐng)首先確保您提供的插槽名稱與傳感器相連的插槽一致。

本文的主要目的是為羅姆源代碼提供一種潛在的替代方案。顧名思義，如果您需要在羅姆傳感器評(píng)估套件中處理多個(gè)傳感器，那么羅姆MultiSensor庫將會(huì)非常有用——您的下一個(gè)大型項(xiàng)目可能會(huì)需要這個(gè)庫！

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Jan Gromes

Jan目前在布爾諾理工大學(xué)學(xué)習(xí)電氣工程。他擁有多年使用Arduino和其他微控制器構(gòu)建項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)。他的特殊興趣在于機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)。

審核編輯黃宇