適用於ROHM感測器評價工具組的簡易Arduino程式
@CoreStaff
ROHM感測器評價工具組是一種相容Arduino的擴展板（Shield），搭配有以下8款感測器：加速度感測器、氣壓感測器、地磁感測器、近接照度感測器、色彩感測器、霍爾感測器、溫度感測器和紫外線感測器。該感測器擴展板的設置指南請參閱 ROHM感測器評價工具組概述。各別感測器的Arduino程式以及詳細資料可以從官網上下載： http://www.rohm.com/web/global/sensor-shield-support
針對您想要使用的任何感測器，官網所列的程式包含了另外一個在Arduino草圖中的程式。如果您只想使用一個或二個感測器，那麼這樣做行得通，但是如果您決定讓單一Arduino UNO擴展板同時處理多個感測器（比如6個感測器）呢？！
硬體
- Arduino UNO或Mega
- ROHM感測器評價工具組
軟體
- Arduino IDE
- GitHub ROHMMultiSensor程式
上述連結是一個專門用於ROHMMultiSensor的GitHub程式庫，該單一Arduino程式能夠讓您控制ROHM感測器評價工具組中的所有感測器，不需要單獨包含每個感測器程式，因此可以節省您的時間。此外，該程式可讓您根據當下需求來設置感測器——這是原ROHM程式目前所缺乏的特性。該程式的另一個優點就是符合Arduino 1.5 IDE規範。它還包括自訂醒目語法、詳細的自述文件和大量實例！
與ROHM提供的程式相比較
我們假設您想用ROHM提供的程式來連接所有的感測器。這不僅會導致Arduino程式相當長，而且還會造成許多不必要的後台運算。比如，每個程式都有自己的I2C匯流排控制方法，但它們都相同。這些都會增加Arduino程式的整體大小和記憶體使用量。我們能不能只用一個I2C方法呢?下圖顯示了使用所需6個ROHM程式時的程式編譯器輸出：
圖1.使用ROHM提供的程式來處理所有感測器時的編譯器輸出
9886位元組似乎不是很大，但是記住，該程式除了從感測器中提取資料並在序列埠上顯示之外，沒有做任何其他事情。這個數字告訴我們，儘管任務非常簡單，但是卻佔用了三分之一的儲存空間。這在添加更多功能時會造成儲存空間的問題。
現在，讓我們比較一下使用ROHMMultiSensor程式的編譯器輸出，其功能完全一樣：
圖2.使用ROHMMultiSensor程式處理所有感測器時的編譯器輸出。 請注意快閃記憶體儲存空間和記憶體需求都減少了。
您可以看到，我們節省了超過2000位元組的快閃記憶體儲存空間以及100位元組的記憶體需求！
同時使用多個感測器的五個步驟
讓我們看一下上述文章中所提到的例子，在單個Arduin擴展板上運行6個ROHM感測器。所用感測器包括：加速度感測器（kx022 – 1020）、氣壓感測器（BM1383GLV）、近接照度感測器模組（RPR-0521RS）、色彩感測器（BH1745NUC）、溫度感測器（BD1020HFV）和紫外線感測器（ML8511A）。
圖3.同時使用6個感測器
使用這些感測器的理由非常簡單：它們的工作電壓都是3V。由於我們只能在擴展板上為所有感測器設置一種電壓，因此我們必須使用大多數感測器能支援的電壓。使用ROHMMultiSensor程式時，代碼如下所示：
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// 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串列繪圖器（Serial Plotter）的輸出如下圖所示。當然，這種輸出幾乎無法用在任何實務面需求。然而，它卻顯示了所有感測器都正在工作並測量資料中。
圖4.所有6個感測器的串列繪圖器輸出
使用這個程式時，您必須按照以下五個步驟進行配置：定義、包含、產生實體、初始化和測量。這聽起來比較複雜，所以我們接下來詳細解釋每一步。
1.定義
第一步就是#define（定義）所有要使用的感測器。下面的步驟解釋了為什麼必須首先執行這些定義。
為了縮短代碼，您可以使用一個預程式設計的簡化定義。#define
INCLUDE_ALL_1V8_SENSORS#define
INCLUDE_ALL_3V0_SENSORS和#define
INCLUDE_ALL_3V0_SENSORS和#define
INCLUDE_ALL_1V8_SENSORS將會定義所有推薦供電電壓為1.8V的感測器。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
這實際上就是您#include（包含）程式標頭檔案的地方。在此步驟之前必須完成所有感測器#define語句的原因很簡單：標頭檔案
（ROHMMultiSensor.h）中包含了其他的感測器特定檔，而這必須以定義適當感測器為基礎。這使得程式可以根據使用者需求動態改變其大小，從而節省Arduino快閃記憶體儲存空間和記憶體需求。
3. 產生實例
因為每個感測器都有自己的分類，因此存取其語言之前，您必須創建該類的一個實例。該過程被稱為產生實例，您所要做的就是輸入感測器分類名稱，然後緊跟實例名。比如：
BM1383GLV bar;
該語句會創建一個 BM1383GLV 類實例,而且您可以通過名稱bar存取該實例。
4. 初始化
每個感測器在使用前都必須初始化。您所要做的就是為每個感測器調用.init()方法。此方法在成功完成後返回0，如有任何問題，則返回1。您可以用以下代碼檢查所有感測器是否都已經成功初始化：
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void setup() { if(bar.init() == 1) { // there was an error, you have to fix it! } // everything went fine, you can start measuring! |
.init()方法還有一個額外功能：更改感測器設置。您可以通過傳遞各種參數來改變感測器的行為。
比如我們想要改變壓力感測器的工作模式。在預設模式下，感測器會測量200毫秒，然後返回平均值。如果我們想讓感測器運行得更快（可能會變得不那麼準確），我們可以使用以下參數調用.init()方法：
bar.init(BM1383GLV_CONTINUOUS_100_MS);
現在，測量只會在100 ms的工作模式下進行。每次重新開機感測器之後，所有設置都會被重置為預設值。這通常只與整個Arduino重置（即按重新開機按鈕）相關，所以這並不是一個問題。
請參閱 GitHub 程式參考 檔，以獲得每個感測器當前已經實現的完整設置列表。
注：這些設置都是可供選擇更改的；通常，初始設置就已足夠使用（即直接調用.init()，無需任何參數）。
5.測量
此時，一切準備就緒，可以開始測量資料了。您可以通過調整感測器的.measure()方法執行此操作。該方法無需參數，其返回資料類型取決於感測器種類。有些感測器會回應單一數值：一個浮點或者一個整數。
float pressValue = bar.measure();
上述語句示例會透過BM1383GLV感測器測量壓力，並回覆成單位為hPa的壓力數值。
然而，有些感測器需要回覆多個數值。比如，KX022-1020 加速度計會測量三個軸上的減速度：X、Y和Z。顯然，我們需要使用一個陣列，以回覆所有數值。陣列所用記憶體是動態分配的，所以當我們不需要陣列時，我們必須重新釋放記憶體。
在下面的例子中，我們定義、包含、產生實例並啟動KX022-1020加速度感測器。然後，我們創建一個名為accelValue的浮點動態陣列。如果我們後面不再需要陣列，我們可以通過delete[]釋放記憶體。這樣可以確保沒有記憶體洩漏。記憶體洩漏是指動態分配的記憶體無法正確釋放，並且只要Arduino未重置就不可存取的情況。在這個例子中，您會看到如何正確釋放動態分配的記憶體。
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#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地磁感測器
如果您用過Arduino，您很可能已經見過中斷功能了。即使沒有，也請不要擔心，如果設置正確，中斷用起來很簡單。
簡單來講，中斷就是讓Arduino“跳轉”至代碼特定部分的信號。這部分代碼是一種稱為中斷服務程式的特殊函數，通常簡稱為ISR。中斷的最常見用途就是進行精確時序控制，所以ISR函數應盡可能短。此外，中斷函數不帶任何參數，也不會返回任何值。
讓我們來看一下需要正確設置中斷的BM1422GMV地磁感測器。
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#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); } |
我們需要記憶體釋放（因為與加速度感測器類似，BM1422GMV會回覆三個軸的數值）以及ISR。您可以看到，中斷只是在BM1422GMV類中形成一個標誌，表示有新資料需要收集。.setFlagDrdy()方法是該程式的一部分。請注意，您必須向.init()方法提供ISR名稱。
然而，只在代碼中設置中斷服務程式是不夠的。我們需要在擴展板上選擇正確設置。
Arduino UNO具有兩個外部中斷：INT0（引腳D2）和 INT1（引腳D3）。我們必須將適當的引腳連到感測器上的INT引腳。您可以在類別的產生實例中選擇使用哪個中斷。使用Arduino引腳D2中斷的預設值為INT_0，或者如果Arduino D2上的中斷已經用於其他設置，您可以將其改為INT_1。
圖5.負責中斷設置的所有引腳
要將感測器中斷連至Arduino，我們應使用J3和J4排針。J3將中斷連至Arduino D2，而J4則將中斷連至D3。每個排針都有標記為INT1至INT5的引腳以及標記為INTR1至INTR5的引腳。這是因為感測器具有兩種不同的中斷輸出：
- CMOS類型輸出：KX022-1020和BM1422GMV屬於這種輸出。這些中斷信號可以直接連至 Arduino，並且使用引腳INTR1-5。
- 2. 需要外部上拉電阻的中斷：使用這種中斷的感測器為BH1745NUC和RPR-0521RS。它們會使用引腳INT1-5。注：在排針J16上，相應的引腳號必須短接，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。
我們再看一下上述內容中的示例代碼。我們想要把Arduino的INT0連至BM1422GMV的INT引腳。假設感測器連到了I2C_1插槽。在這種情況下，我們應將INTR1引腳短接至J3。
圖6.BM1422GMV連至I2C_1插槽時的中斷設置
如果任何其他感測器需要使用中斷，比如BH1745NUC色彩感測器，那麼中斷設置步驟如下所示：如果我們將感測器連至I2C_3並且要使用Arduino的中斷INT1，那麼我們應將引腳INT3短接到J4和J16上，因為該感測器需要一個外部上拉電阻。
圖7.H1745NUC連至I2C_3插槽時的中斷設置
有關中斷的詳細資訊以及針對不同感測器的設置資訊，請參考該程式README中的 注釋 部分。
技巧和訣竅
1.地磁感測器（BM1422GMV）是唯一需要中斷才能工作的感測器。然而，所有其他I2C感測器也可以使用中斷。程式的運行不需要允許中斷，但是這在一些應用程式中可能非常有用。目前，除磁力計之外，程式中沒有實現其他感測器的中斷功能。
2.使用霍爾（BD7411G）感測器時，向Arduino上傳程式之前必須斷開感測器。否則，您將在上傳程式時收到以下錯誤資訊：avrdude: stk500_getsync() 錯誤。這是因為BD7411G上的OUT引腳直接連至 Arduino引腳D0，而D0還是串列RX引腳。如果沒有檢測到磁場，那麼BD7411G的輸出為（HIGH），這會阻斷所有從序列埠進入的訊息，包括草圖上傳。
圖8.使用BD7411G時可能遇到的錯誤範例。請注意，如果您在Arduino IDE設置中關閉了詳細輸出，您將只會收到一條消息：“上傳程式時出現錯誤（An error occurred while uploading the sketch）”。要打開詳細輸出資訊，請轉到Arduino IDE ->檔（File）->首選項（Preferences），然後勾選“上傳時顯示詳細輸出（Show verbose output during upload）”。
3. .當使用其中一個類比感測器（BD1020HFV溫度感測器或ML8511A紫外線感測器）時，您必須提供感測器所連接的插槽名稱。擴展板上有兩個模擬插槽：ANALOG_1和ANALOG_2。為其中一個模擬感測器調用.init()方法時，您必須向.init()方法提供插槽名稱（即調用.init(ANALOG_1)，以初始化連至插槽ANALOG_1的模擬感測器）。作為安全措施，如果您沒有提供任何內容，.init()的預設值將會是 ANALOG_1，然而，感測器必須連至插槽ANALOG_1。如果您從類比感測器獲取的資料很奇怪，那麼請首先確保您提供的插槽名稱與感測器相連的插槽一致。
本文的主要目的是為ROHM原始程式碼提供一種潛在的替代方案。顧名思義，如果您需要在ROHM感測器評價工具組中處理多個感測器，那麼ROHMMultiSensor程式將會非常有用，您的下一個大型專案可能會需要這個程式！
如果您有任何改進建議，請上GitHub進行分享：收集修改意見；或者在 問題（Issues）選項卡中建立GitHub問題。要建立一個GitHub問題非常簡單，您的回饋對我們來說非常有價值。另外，如果您喜歡這個程式，也讓您的代碼因此變得更漂亮，那麼請給ROHMMultiSensor檔案庫一顆星，然後盡情地開發吧！
