Arduino UNO数据手册（新手入门）

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概述
Arduino UNO是基于ATmega328P的Arduino开发板。它有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用于PWM输出）、6个模拟输入引脚，一个16 MHz的晶体振荡器，一个USB接口，一个DC接口，一个ICSP接口，一个复位按钮。它包含了微控制器所需的一切，你只用简单地把它连接到计算机的USB接口，或者使用AC-DC适配器，再或者用电池，就可以驱动它。
“Uno” 在意大利语中意思是“一”。Arduino UNO是Arduino系列的一号开发板，Arduino IDE 1.0是Arduino IDE的第一个正式版本，Arduino UNO硬件和Arduino IDE软件建立了一套Arduino开发标准，此后的Arduino开发板和衍生产品都是在这个标准上建立起来的

技术参数
型号 Arduino UNO
微控制器 ATmega328P
工作电压 5 V
输入电压（推荐） 7-12 V
输入电压（极限） 6-20 V
数字I/O引脚 14
PWM通道 6
模拟输入通道（ADC） 6
每个I/O直流输出能力 20 mA
3.3V端口输出能力 50 mA
Flash 32 KB（其中引导程序使用0.5 KB）
SRAM 2 KB
EEPROM 1 KB
时钟速度 16 MHz
板载LED引脚 13
长度 68.6 mm
宽度 53.4 mm
重量 25 g
编程
可通过Arduino IDE对Arduino UNO编程。
在Arduino UNO使用ATmega328 芯片上，存储有bootloader程序，使得用户可以上传程序到开发板上，而不需要使用额外的编程器。这个上传程序的过程使用STK500协议完成。
你也可以不使用bootloader，通过ICSP接口连接编程器给Arduino UNO上传程序。

注意事项
Arduino Uno上有一个自恢复保险丝，当短路或过流时，电流超过500mA，其可以自动断开供电，从而保护计算机的USB端口和Arduino。虽然大多数计算机USB端口都提供了内部保护，但是此保险丝可以提供了额外的保护。

电源
可以通过USB口或者直流电源座给Arduino Uno供电。Arduino UNO带有自动切换电源功能。
电源引脚如下：

Vin
电源输入引脚。当使用外部电源通过DC电源座供电时，这个引脚可以输出电源电压。

5V
5V电源引脚。使用USB供电时，直接输出USB提供的5V电压；使用外部电源供电时，输出稳压后的5V电压。

3V3
3.3V 电源引脚。最大输出能力为50 mA。

GND
接地引脚

IOREF
I/O参考电压。其他设备可通过该引脚识别开发板I/O参考电压。

存储空间
ATmega328 有32KB Flash存储空间（其中0.5KB被用于存储bootloader），2KB 的SRAM和1KB 的EEPROM。
可以使用官方提供的EEPROM库读写EEPROM空间。

输入输出
Arduino Uno有14个数字输入输出引脚，可使用 pinMode()、digitalWrite() 和 digitalRead() 控制。
其中一些带有特殊功能，这些引脚如下

Serial
0（RX）、1（TX），被用于接收和发送串口数据。这两个引脚通过连接到ATmega16u2来与计算机进行串口通信。

外部中断
2、3，可以输入外部中断信号。中断有四种触发模式：低电平触发、电平改变触发、上升沿触发、下降沿触发。

PWM输出：
3、5、6、9、10、11，可用于输出8-bit PWM波。对应函数 analogWrite() 。

SPI：
10（SS）、11（MOSI）、12（MISO）、13（SCK），可用于SPI通信。可以使用官方提供的SPI库操纵。

L-LED：
13。13号引脚连接了一个LED，当引脚输出高电平时打开LED，当引脚输出低电平时关闭LED。

TWI：
A4（SDA）、A5（SCL）和TWI接口，可用于TWI通信，兼容I²C通信。可以使用官方提供的Wire库操纵。

Arduino Uno 6个模拟输入引脚，可使用analogRead()读取模拟值。每个模拟输入都有10位分辨率（即1024个不同的值）。默认情况下，模拟输入电压范围为0～5V，可使用 AREF引脚和analogReference()函数设置其他参考电压。

相关引脚如下：

AREF：

模拟输入参考电压输入引脚。

Reset：

复位端口。接低电平会使Arduino复位，复位按键按下时，会使该端口接到低电平，从而让Arduino复位。

指示灯（LED)
Arduino UNO带有4个LED指示灯，作用分别如下：

ON：
电源指示灯。当Arduino通电时，ON灯会点亮。

TX：

串口发送指示灯。当使用USB连接到计算机且Arduino向计算机传输数据时，TX灯会点亮。

RX：

串口接收指示灯。当使用USB连接到计算机且Arduino接收到计算机传来的数据时，RX灯会点亮

L：

可编程控制指示灯。该LED通过特殊电路连接到Arduino的13号引脚，当13号引脚为高电平或高阻态时，该LED 会点亮；低电平时，不会点亮。可以通过程序或者外部输入信号，控制该LED亮灭。

通信
Arduino UNO具备多种通信接口，可以和计算机、其他Arduino或者其他控制器通信。

ATmega328 提供了UART TTL (5V)串口通信，其位于0 (RX) 和1 (TX)两个引脚上。Uno上的ATmega16U2会在计算机上模拟出一个USB串口，使得ATmega328 能和计算机通信。Arduino IDE提供了串口监视器，使用它可以收发简单文本数据。Uno上的RX\TX两个LED可以指示当前Uno的通信状态。

SoftwareSerial库可以将Uno的任意数字引脚模拟成串口，从而进行串口通信。

ATmega328也支持I2C (TWI)和SPI通信。Arduino IDE自带的Wire库，可用于驱动I2C总线，自带的SPI库，可用于SPI通信。

自动复位
一些开发板在上传程序前需要手动复位，而Arduino Uno的设计不需要如此，在Arduino Uno连接电脑后可以由程序控制其复位。在ATmega16U2上的DTR信号端，经过一个100nf 的电容，连接到ATmega328 的复位引脚。

当计算机发出DTR信号时（低电平），复位端将得到一个足够长的脉冲信号，从而复位ATmega328。在Arduino IDE中点击上传程序，在上传前即会触发复位，从而运行引导程序，完成程序上传。

知识拓展
ICSP接口介绍
ICSP(In-Circuit Serial Programming)接口为在线程序烧录接口，其在arduino 系列电路板上为一个2*3的排针端子，6根排针与Arduino 电路板上的单片机相连接，分别对应 5V，MISO，MOSI，SCK，GND 和 RESET，具体顺序如下图所示。

其中MISO，MOSI，SCK为Arduino SPI 接口。
有些人认为ICSP接口为Arduino的SPI接口，我认为这种说法是不正确的。SPI接口应为MISO，MOSI，SCK及SS接口，在ICSP中并没有包含SS接口，而且ICSP接口中包含RESET复位引脚，方便进行程序的烧写。所以我认为ICSP接口兼容SPI连接较为合适。

SPI通信简介
SPI全称Serial Peripheral Interface，即串行外设接口。
由Motorola公司提出的一种同步串行数据传输标准。
所谓同步，即数据收发双方共用一个时钟；
所谓串行，即待传输的数据排成一行，一位一位地传送出去。
主要用于微控制器与其他外围设备，
如EEPROM、Flash、AD转换器等之间的短距离传输，
当然也可实现微控制器与微控制器间的数据传输。

相比于其它通信协议，
SPI采用四线制的硬件连接方式，
结合四种信号间的时序关系，
共同构成了SPI通信的语法！



Arduino Uno就是通过上图中D10~D13对应的SS、MOSI、MISO、SCK四个接口实现SPI通信。
四个接口的定义如下：



SPI协议决定了可以有多个从机，但只能存在一个主机，主机通过从机选择线来确定当前要通信的从机。

SPI通信的硬件连接
一主一从
这是最简单的SPI通信方式，由于主机和从机的角色是固定不变的，可以将主机的SS端接高电平,将从机的SS端固定接地。其它信号一一对应连接即可。



一主多从
主机选用独立的IO分别连接到从机的SS引脚，当需要与某个从机通信时，拉低相应的IO口即可。


主机和从机的信号传输方向见下表所示


SPI通信方式解读
不管是一主一从还是一主多从的SPI通信系统，
某一时刻通信双方只能是一个主机和一个从机，
内部主要由主从双方的两个移位寄存器（8 BIT SHIFT REGISTER）
和主机SPI时钟发生器（SPI CLOCK GENERATOR）组成。


通信过程简述如下：
1）条件准备。包括四线引脚的输入输出配置，主机SCK、MOSI必须配置为输出模式，MISO配置为输入模式，从机正好相关，说见上面的信号传输方向表。除之这外，还要开启SPI的工作使能，即置SPI控制寄存器的SPE位。
2）拉低从机的SS电平，从机做好数据传输准备，时刻注意主机发出的SCK信号。
3）数据传输。每来一个时钟脉冲信号，主从机间完成一位数据交换，8个时钟脉冲完成一个字节的数据交换。该字节传输完成，等待写入下一个传输字节。主从机间的交换逻辑见下图所示。主机和从机的移位寄存器连接成环，随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。



4）传输结束。此时，硬件自动置位传输完成标识SPIF（位于SPI状态寄存器SPSR中），通过轮询状态寄存器SPIF位或中断的方式，读取传入的字节。最后置位SS（设为1），重置SPI内部逻辑为初始状态。

Arduino对SPI通信的实现
Arduino以SPIClass类的形式对SPI进行了封装，
并对用户开放了SPI对象用于操作SPI。
SPI的常用操作方法如下：
SPI.begin()-完成主机的初始化工作，包括：四线的输入输出配置、开启SPI的工作使能。从机的四线输入输出、工作使能需要手工配置，可以参见下面的例程。
SPI.transfer()-主机传送字节，并返回从从机接收的字节。注意：主机是通过轮询的方式等待发送完成（也即接收完成）。
SPI.attachInterrupt()-从机开启传输完成中断。注意：主机不要使用，因为固定为了轮询方式。
SPCR |=_BV(SPE)-从机开启SPI工作使能。这条语句为直接寄存器操作，并不是SPI类中的一部分。

Arduino的SPI通信实例
两块Arduino之间通过SPI通信，并用串口打印传输数据，方便用户查看。
使用两块Arduino UNO，一主一从。
Arduino UNO A: SPI 主机
Arduino UNO B: SPI 从机
连线方式：
A-------------------B
(10) SS---------->(10) SS
(11) MOSI------->(11) MOSI
(12) MISO<-------(12) MISO
(13) SCLK------->(13) SCLK

主机程序

#include <SPI.h>
void setup (void)
{
  // 开始串口通讯
  //注意：此串口与SPI通信没有任何关系，只是为了程序演示输出SPI接收到的字节。
  Serial.begin(115200);       
  digitalWrite(SS, HIGH);    //SPI内部逻辑复位
  SPI.begin ();              // SPI通讯初始化配置
}
void loop (void)
{
  char c;
  // 使能从机
  digitalWrite(SS, LOW);    // SS - pin 10
  // 循环发送字节，实现字符串的发送
  for (const char * p = "Hello,world!\n" ; c = *p; p++) {
    SPI.transfer (c);//主机SPI发送
    Serial.print(c);//串口显示发送的字节
  }
  // 复位从机
  digitalWrite(SS, HIGH);
  delay (1000);
}

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从机代码（轮询方式）

#include <SPI.h>
char buf [100];
volatile byte pos;
volatile booleanprocess_it;
void setup (void)
{
  Serial.begin (115200);
  //从机的MISO要配置为输出模式
  pinMode(MISO, OUTPUT);
  //使能SPI，SPI可以正常工作了
  SPCR |= _BV(SPE);
  pos = 0;
}
charSPI_SlaveReceive(void){
      while(!(SPSR & (1<<SPIF)));
      return SPDR;
}
void loop(void){
      buf[pos++] = SPI_SlaveReceive();
      if(buf[pos-1]=='\n'){
            buf[pos] = 0;
            pos = 0;
            Serial.print(buf);
      }
}

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例程运行结果

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