第2章 認識Arduino

2-1 淺談Arduino

2-2 Arduino 系列控制板介紹

2-3 Arduino 系統架構

2-4 Arduino 接腳

2-1 淺談Arduino

Arduino 是如何開始的呢？根據維基 百科所提，發起人Massimo Banzi之前 是義大利 Ivrea 鎮一家高科技設計學 校的老師，他的學生們經常抱怨市面 上可用的微控制器與零件太過昂貴， 在2005 年Massimo Banzi 跟David Cuartielles 討論後決定設計自己的電路板，且引入Massimo Banzi 的學生David Mellis 設計電路板及編寫程式，並以Ivrea 鎮有名的歷史人物Arduin（11 世紀北義大利國王）為名，這才開啟了Arduino 的一切。 詳細內容可見David Kushner 在IEEE Spectrum 的介紹 http://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/the-making-of-arduino/0 。

2-1 淺談Arduino

Arduino 使用了Atmel AVR 單晶片，採用了基於開放原始碼（source code）的軟硬體平臺，此平臺不只包含了一塊簡單I/O 功能的電路板，也使用簡化的C/C++ 程式語言，提供眾多函式庫，方便開發。比起其它微控制器，Arduino 具有下列的優勢：

1.價廉物美：比起其他微控制器Arduino 板是相對便宜的，因為Arduino的硬體電路圖在網路上開放下載，使用者可以自行焊接組裝，或是直接購買Arduino 官方或第三方廠商製作的開發板；而程式開發軟體ArduinoIDE 則可從網路上免費下載使用，將學習與開發的成本降至最低。

2.跨平臺：Arduino 的開發軟體可在不同的作業平臺下執行，包含Windows，Macintosh OSX 和Linux。

2-1 淺談Arduino

3. 簡單、清晰的編程環境：Arduino 將單晶片編程的繁瑣細節包起來，也簡化了與微控制器的工作，讓開發流程更加順暢，是一個適合教學與學習的環境。

4. 開放原始碼和可擴展的軟體：Arduino 軟體採用開放原始碼的方式，任何經驗豐富的程式設計師都可從官網下載後，根據自己的需求予以擴展；Arduino 的函式庫由C++ 撰寫，若想了解技術細節可從中學習。

5. 開放原始碼和可擴展的硬體：Arduino 是基於Atmel 的ATmega168、Atmega328 微處理器，其開發板的設計電路圖允許在創用CC（Creative Commons）的許可下，讓經驗豐富的電路設計者依自己的設計予以擴展和改善，由於官方網站的教學內容豐富，社群分享的參考資料多，讓即使缺乏經驗的用戶也能自行建立電路板，節省金錢。

2-1 淺談Arduino

Arduino 內建ADC 以及PWM 方式輸出的DAC，是個親和性很高的物 理訊號處理平臺（第1 章圖 1-5 所示），透過感測器（sensor）可取得周遭生活中的物理量，包括溫濕度、亮度、聲音、位移變化等，經過C 語言處理後，以文字、聲、光呈現，非常適合藝術家、設計師、業餘愛好者；且Arduino 具備標準的串列傳輸介面，很容易與Microsoft Visual Studio、Flash、Processing、Scratch、Max/MSP 等軟體溝通，快速打造出互動的科技藝術裝置作品。

2-2 Arduino 系列控制板介紹

2-2.1 官方版Arduino 來自Arduino 義大利原廠的控制板種類繁多，各有各的特色，使用者可依需求選用： 1. UNO 板是Arduino 在2010 年推出的標準版本，R3 板子上有兩個處理器，一個負責與電腦的USB 通訊Atmega16U2，另一個負責處理程式ATmega328，適合一般實驗用途。

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2. Leonardo 板使用內建USB 通訊功能的ATmega32u4 晶片，此MCU 具備USB 通訊加ATmega328 二合一功能，因此價格較低廉，且可兼任類似電腦一樣，同時與鍵盤與滑鼠進行通訊和運作的功能，適合希望透過USB控制到電腦鍵盤、滑鼠需求的場合。註：此硬體技術叫做HID（Human Interface Device 人性化介面裝置）。

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3. Arduino Fio 板使用3.3V 的高速處理器晶片，板子的下方有一個可以連接無線傳輸XBee 的孔座，Fio 適用於需要無線傳輸或以無線的方式進行燒錄程式的專案。為降低成本，Fio 將大多Arduino 板都會有的FTDI 晶片（USB 通訊）移除，若要燒錄需使用USB to TTL3.3V 轉接板，或使用XBee 無線方式傳輸。Fio 上的USB 接頭無法與電腦端溝通，單純用來供電與充電（Fio 內建鋰聚合電池的充電電路）。

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4. Arduino Yún（讀音為雲）與Leonardo 一樣，是以ATmega32U4 為核心的控制器，加上獨立內嵌的AR9331 處理器組成一個具有Wifi 功能的控制板，適合需要無線傳輸或無線燒錄程式的專案。

對Yún（雲）板有興趣的同學，可Google一下網站上的相關教學與報導。

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5. 若UNO 及Leonardo 板提供的類比／ 數位IO 不夠用， 可選擇Arduino的巨大版Mega 系列，提供了有16 個類比輸入、54 個數位I/O、14 個PWM、4 個UART，十分強大，但CPU 時脈同UNO 板只有16MHz。 6. Arduino Due 是基於32 位元ARM Cortex-M3 核心的Atmel SAM3X8E微控制器開發板，不只I/O 功能強大，CPU 時脈84MHz 也很快。

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7.若需要與麵包板結合使用，則可選擇Arduino Micro 板、Nano 板或Mini板，其腳位與麵包板上的間距相同，可直接插在麵包板上開發、實驗。

8.若需要小型或搭配在衣服上的應用，則可選擇LilyPad，其圓形鈕扣狀的設計很容易嵌入織品中，設計給表演藝術者製作互動型的T-shirts。

2-2 Arduino 系列控制板介紹

表2-1 為各版本針對核心CPU、時脈頻率、可用的類比及數位I/O 數進行的比較表

2-2 Arduino 系列控制板介紹

2-2 Arduino 系列控制板介紹

2-2.2 第三方Arduino Arduino 採用開放原始碼的創用CC 概念，吸引了很多創客（maker）的眼光並競相效仿，因此看到原廠板子不符合需求時， 創客便會參考Arduino 官方網站公開的硬體電路，開始自製有別於原廠的Arduino 板，但因為Arduino 為註冊商標，因此大多以xxxduino 來命名， 例如Seeeduino、Freeduino、Boarduino、Roboduino、Teensyduino、Sanguino、RFduino 等，也有一些從名稱上看不出相關字眼的板子，如Funnel IO、Arduclema、OZONE；下列介紹幾款常見的版本。

2-2 Arduino 系列控制板介紹

1. Seeeduino：是Arduino 相容性產品中支援最多的一家廠商，其外觀大小、IO 腳位與Arduino 差異不大，可互相支援。有別於Arduino，Seeeduino有幾個獨特的設計，包括手自動的RESET 選擇，容易與周邊模組連接的4pin Grove 介面等。

2. Boarduino、Teensyduino：皆為實驗時，方便接至麵包板所設計的開發板。

圖 2-2 第三方Arduino外觀圖（圖片來源：各開發公司網站）

2-2 Arduino 系列控制板介紹

3. Roboduino：針對機器人應用時，需同時控制很多伺服機而設計的開發板。

4. RFduino：只有指頭大小的RFduino 為超迷你的Arduino 開發板，內建低功率藍牙無線傳輸，可與任何支援藍牙4.0 的智慧型手機溝通。RFduino 使用32 位元的ARM cotex-M0 處理器功能強大，若要擴充其它功能，直接插在麵包板上即可擴展，或可透過其專屬的擴展板疊接。

圖 2-2 第三方Arduino外觀圖（圖片來源：各開發公司網站）

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5. OZONE： 完全與Arduino Leonardo 相容， 除此之外， 還加上利基公司特有的共用通道匯流排（cmdBUS），在不占用原有I/O 情況下進行LCD、鍵盤、三軸加速度感測等模組的功能擴充。此控制板於第16 章有詳細介紹。

2-2 Arduino 系列控制板介紹

另外有一些比較高階應用的板子，例如Spark Core 和Arduino Yún 一樣是塊Wifi 的開發板，可透過Wifi 無線網路連接並進行程式開發，且內建雲端開發平臺，可隨時進行雲端服務；UDOO 採用和Arduino Due 一樣的處理器，且擁有雙核或四核的ARM cortex-A9 CPU，可安裝Android 或是Linux 的作業系統，進行複雜的運算或運用。

Spark Core

圖片取自露天拍賣網站

UDOO

圖片取自露天拍賣網站

2-2 Arduino 系列控制板介紹

2-2.3 擴展板（shield） Arduino 標準版的I/O 及電源均可透過杜邦母座與外部電路連接，除了可使用跳線連接至應用電路外，更可採疊接的方式，擴展出不同的功能，目前針對Arduino 標準版所發展出來的擴展板有很多，例如馬達控制擴展板、乙太網路擴展板、RFID 擴展板、Wifi 擴展板、GPRS 擴展板、藍牙擴展板、GPS 擴展板、按鍵搖桿擴展板等，可視需要購買，堆疊出所求的功能。

2-3 Arduino 系統架構

2-3.1 AVR 族群簡介 Arduino 採用Atmel 公司的AVR（Alf and Vegard's RISC processor）系列晶片，AVR 主要應用在Atmel 公司8 位元的AT90、ATmega、ATtiny系列的單晶片微控制器上，後期AVR 還有應用在8/16 位元的Xmega 系列、32 位元的AVRs 系列，其記憶體大小、速度、腳位和周邊都愈來愈多，其中：

1. AT90 系列為最早開發出來的AVR 單晶片微控制器產品。 2. ATmega 系列為AT90 系列功能提昇版本。 3. ATtiny 系列為AT90 的產品簡化版，其IC 腳數最少只有8pins，

方便將產品小型化。

2-3 Arduino 系統架構

2-3.2 ATmega328 晶片的特性與系統架構 本節主要介紹UNO 板 R3 上的單晶微控制器ATmega328，此晶片的主要特性摘要如表2-2 所示，從核心的元件特性來看Arduino UNO，應該會有更不一樣的認識。同樣是UNO 板，有些板子上的ATmega328 封裝不一樣，如圖 2-4 所示，有PDIP 塑膠雙排針腳式封裝，及TQFP 薄型方形扁平封裝兩種。

2-3 Arduino 系統架構

2-3 Arduino 系統架構

2-3 Arduino 系統架構

圖 2-5 為AVR 系列ATmega328 的微控制器內部方塊圖，由圖中可看出ATmega328 除了微電腦的五大單元外，尚包括了許多周邊電路，方便使用者運用，例如： 1. T/C（計時器timer/ 計數器counter）：方便CPU 計算時間及計

數外部脈波的次數，ATmega328 提供了二個8 位元的計時/ 計數器，一個16 位元計時/ 計數器；Arduino 中提供了很方便的延遲指令delay、模擬類比輸出analogWrite、計算脈波寬度pulseIn 等，皆為T/C 完成的。

2. Watchdog Timer（看門狗計時器WDT）：看門狗計時器主要是用來防止CPU 執行時跳到未知的地方，或者進入閉環等當機情況發生的機制。其動作原理是設計一個可以獨立計時，不受CPU 振盪電路控制的看門狗計時器WDT，當WDT 被啟動，CPU 必須配合WDT 時間，不斷的將計時器清除，當CPU 發生當機，無法將看門狗計時器清除時，WDT 便會計時結束，而自動發出重置訊號，使系統重新開機，這就是利用WDT 來防止CPU 當機的方法。

2-3 Arduino 系統架構

3. Oscillator Circuits/Clock Generation（振盪電路/ 時脈產生器）：所有的微電腦系統都是同步式的順序邏輯（sequential logic）系統，整個系統的工作完全依賴系統內部的時脈信號，利用它來產生各種動作週期及同步信號。使用時只需要接上石英振盪晶體（16MHz）及電容就可以讓系統產生正確的時脈信號，或是不接任何元件，直接使用內部振盪電路的時脈（8MHz）。

4. A/D Conv.：提供類比信號（感測器量測到的溫度、濕度、亮度等物理量）轉換為數位信號的電路，方便進行控制。

2-3 Arduino 系統架構

5. 5. 通用串列傳輸介面：AVR 提供了三種通用的串列傳輸介面，大幅提高AVR 對外的溝通能力與使用方便性，這也是Arduino 好用的原因之一。

1) USART 介面：此為通用同步異步接收發送器（universal synchronousasynchronous receiver/transmitter）的縮寫，主要負責與周邊或一些通訊介面（例如RS-232、RS-485）進行同步或非同步的串列傳輸。

2-3 Arduino 系統架構

2) SPI 介面：為串列周邊介面（serial peripheral interface bus）的縮寫，是一種4 線或3 線的同步串列資料協定，主要提供程式燒錄用，讓AVR 可以線上即時燒錄（ICSP：in-circuit serial programming），或與SPI 的周邊模組進行資料傳輸。

3) TWI 介面：即IIC 介面（inter-integrated circuit；內部整合電路），亦可寫為I2C，唸作I square C；I2C 匯流排為PHILIPS 公司開發的兩線式串列匯流排，用於連接微控制器及其周邊設備。I2C 由資料線SDA 和時脈SCL 構成，可在MCU 與周邊IC 間、或周邊IC 與IC 間進行雙向傳送，標準傳送速率為100kbps。

2-3 Arduino 系統架構

2-3 Arduino 系統架構

2-3 Arduino 系統架構

2-3.3 開機載入程式bootloader Arduino 之所以平易近人，並非只有AVR 的架構及功能所致，主因還有bootloader（開機載入程式）。bootloader 屬於韌體（firmware），是一支前置在程式記憶體起動區中的程式，透過bootloader 便可以直接把待燒錄的程式上傳到晶片上，不需要額外的AVR ISP 燒錄裝置。Arduino 開發板的微控制器晶片皆預先燒錄好bootloader，開機流程為：

1. bootloader 先等幾秒看看是否要進行燒錄。 2.若要燒錄， 則由Arduino 開發軟體中的燒錄程式與Arduino 板

子中的bootloader 通力合作燒錄程式。 3.若不燒錄，則將控制權交給一般程式區裡的程式碼。

2-3 Arduino 系統架構

Bootloader 讓燒錄的工作變得非常方便，但也出現了二個缺點： 1.會占用部分flash（程式記憶體），UNO 板的bootloader 占約

0.5KB，Leonardo 板占約4 KB（ATmega328 的flash 為32KB）。 2.因啟動時需先等幾秒判斷是否要燒錄的動作，故正常應用時也無

法一開機就動作，此問題在UNO 板R3 已改善，但Leonardo 板仍可看到此問題。

•平常使用Arduino IDE 進行實驗時，既不用準備AVR ISP 燒錄器，也不需在 ICSP 介面上接任何連接線，只要透過USB 介面就可上傳程式，會這麼方便全因有 bootloader 的關係。

2-4 Arduino 接腳

•為方便實驗，本節介紹最穩定、耐操、適合入門的UNO 板接腳，還有比較新可控制到電腦鍵盤、滑鼠需求場合的Leonardo 板。

2-4.1 UNO 板接腳 •圖 2-6 所示為實際UNO 板上的腳位圖，其中粉紅色底的數字為

數位IO、綠色底數字為類比IO，另外也標示了電源、SPI（ICSP）、I2C 及中斷用途接腳。詳細說明如下：

1.使用者可透過數位（digital）I/O 接腳（D0 ～ D13）控制LED

燈亮滅、喇叭發聲、馬達控制，或讀入開關狀態。 2.部分的數位接腳也可以脈波寬度調變PWM（Pulse Width

Modulation）的方式模擬類比（analog）輸出，可控制LED 明暗、馬達速度快慢，如圖 2-6 中的3、5、6、9、10、11 腳，在UNO 板上以「～」標示。

2-4 Arduino 接腳

3. 類比接腳（A0 ～ A5）可進行溫度、濕度、亮度等感測器的物理量量測。

4. TX/RX 支援串列埠傳輸UART，當使用時，D0、D1 不可作為數位I/O 使用。

5. 當數位腳位不夠用時，類比接腳A0 ～ A5 可拿來使用，宣告為D14 ～ D19。

6. 當需要使用ICSP 進行燒錄時或與其它周邊傳輸資料時，可透過圖 2-6 右側的ICSP 插座，或是D10 ～ D13 進行。

7. UNO 板提供二個硬體中斷I/O（INT0、INT1），可設定為正緣、負緣或正負緣觸發。

2-4 Arduino 接腳

2-4 Arduino 接腳

2-4.2 Leonardo 接腳 •圖 2-7 為Leonardo 的腳位圖，與UNO 板相比，雖然尺寸大

小、杜邦母座的數目與位置都一樣，但功能略有不同，差異說明如下：

1.類比輸入接腳多了6 個，共有12 個通道可用，A0 ～ A11。 2.可進行PWM 的接腳，多了D13。 3. Leonardo 板提供五個硬體中斷I/O（INT0 ～ INT4），可設

定為正緣、負緣或正負緣觸發。 4. I2C/TWI 介面部分，UNO 板使用A4（SDA） 與A5（SCL） 腳，

而Leonardo 使用2（SDA）與3（SCL）腳。 5. SPI 介面部分，UNO 板同時配線至ICSP 腳座及一些數位IO

上SS（10）、MOSI（11）、MISO（12）、SCK（13），但Leonardo 的SPI 都在ICSP 上，SS 則位於板子左邊與RX LED 相連。

2-4 Arduino 接腳

6. Leonardo 的核心晶片與UNO 不一樣，只使用一個處理器，可同時建立USB 通訊及處理程式執行，故在USB 端沒有ICSP 的接頭。

7. 由於Leonardo 把建立的串列通訊功能放在bootloader 中，不建立在電腦中，故每次按下Reset 進行重置時，Leonardo 板會將先前建立的串列通訊埠中斷並重新建立連線，所以Leonardo 會在每次燒錄程式時先中斷串列通訊埠，然後再建立連線（會聽到電腦端有解除裝置然後又裝上裝置的聲音）；而像UNO 板上有USB 通訊專用的微處理器處理，即使板子Reset，仍會保持與電腦端的USB 通訊。

2-4 Arduino 接腳