任大奇++謝作如

最近，在教學(xué)《Arduino創(chuàng)意機(jī)器人》的過程中碰到了一個(gè)奇怪的問題。

故障描述

學(xué)生在學(xué)習(xí)了《換擋風(fēng)扇》一課后，做了一個(gè)用三個(gè)按鈕控制的“換擋風(fēng)扇”。如圖1所示，學(xué)生將三個(gè)按鈕模塊分別接在Arduino的數(shù)字口2、3、4上，風(fēng)扇接在數(shù)字口11上。接好硬件后，學(xué)生用米思齊（Mixly）軟件編寫了如圖2所示的程序，編譯并下載到Arduino中。學(xué)生按下按鈕2，風(fēng)扇開始慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，再按下按鈕3，風(fēng)扇加速轉(zhuǎn)動(dòng)，按下按鈕1后，風(fēng)扇停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。

一切都很順利，于是筆者提議給這個(gè)作品增加遙控功能。學(xué)生們馬上興致勃勃地動(dòng)手找到紅外遙控模塊，沒幾下就把硬件連接好了（在9號(hào)數(shù)字口上增加了紅外接收模塊），如圖3所示。

使用遙控器上的“1”“2”“3”鍵分別控制風(fēng)扇“停止轉(zhuǎn)動(dòng)”“慢速轉(zhuǎn)動(dòng)”“快速轉(zhuǎn)動(dòng)”，程序并不復(fù)雜，很快便寫好了，如下頁圖4所示。

當(dāng)學(xué)生按下遙控器上的“3”鍵時(shí)，風(fēng)扇快速旋轉(zhuǎn)起來。但當(dāng)按下“2”鍵時(shí)，預(yù)期的慢速旋轉(zhuǎn)并沒有出現(xiàn)，風(fēng)扇直接停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。學(xué)生又按了幾次“2”鍵，可是風(fēng)扇仍然紋絲不動(dòng)，再按“3”鍵，風(fēng)扇也不動(dòng)了。這時(shí)，學(xué)生趕緊檢查剛才寫的程序，再三檢查后確定程序沒有問題。那難道是硬件連接出問題了？仔細(xì)檢查后也沒有問題。一臉茫然的學(xué)生只好來求助筆者。于是，筆者查找遙控失效的原因。

首先，可以確定的是，風(fēng)扇不能工作在慢速狀態(tài)下的故障和加入了紅外線遙控有關(guān)，因?yàn)楸緛硎钦５?。但它們之間會(huì)有什么關(guān)系呢？然后，筆者開始從它們的工作原理入手查找線索，考慮到遙控器遵循NEC協(xié)議，所以不論發(fā)送還是接收命令都需要產(chǎn)生38kHz的脈沖，于是便很自然地想到，紅外接收模塊工作時(shí)會(huì)使用到Arduino板的定時(shí)器，同時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的改變也是靠Arduino板定時(shí)器產(chǎn)生的PWM輸出實(shí)現(xiàn)的，那會(huì)不會(huì)是它們在使用定時(shí)器資源時(shí)產(chǎn)生了沖突呢？帶著這一疑問，筆者開始求證自己的推測。

技術(shù)分析

為了更好地理解求證過程，筆者先來解釋一下Arduino UNO的主芯片（Atmage328P）中的定時(shí)器。所謂的定時(shí)器類似于生活中的鬧鐘，只要開啟這個(gè)鬧鐘它就會(huì)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間不斷去提醒。提醒的方式有兩種：一種是給CPU發(fā)送定時(shí)器中斷，另一種是直接在管腳上輸出脈沖電壓（PWM）。只是在同一個(gè)時(shí)間內(nèi)這個(gè)“小鬧鐘”只能設(shè)定一個(gè)定時(shí)時(shí)間，以一種方式工作，不能既當(dāng)“鬧鐘”，又輸出PWM。這種定時(shí)器在Atmage328P中共需要三個(gè)，分別是Timer0（0號(hào)定時(shí)器）、Timer1（1號(hào)定時(shí)器）和Timer2（2號(hào)定時(shí)器）。

為了確認(rèn)紅外遙控和風(fēng)扇PWM輸出在使用定時(shí)器資源上是否有沖突，首先，要確定風(fēng)扇PWM輸出所使用的是幾號(hào)定時(shí)器。查看Arduino UNO的原理圖，可以知道風(fēng)扇所接的11口是從Arduino主芯片（Atmage328P）的17號(hào)管腳引出的（如上頁圖5），筆者順藤摸瓜，查閱Atmage328P的數(shù)據(jù)手冊，得知此管腳（OC2A）正是2號(hào)定時(shí)器在PWM模式下輸出脈沖的管腳（如上頁圖6），也就是說要想風(fēng)扇慢速轉(zhuǎn)，必須讓2號(hào)定時(shí)器工作在PWM模式下。接著，需要確認(rèn)紅外接收模塊使用的是幾號(hào)定時(shí)器。分析Mixly軟件中的Arduino代碼，可以看到程序加載了一個(gè)外部庫“IRremote.h”，在“Mixly0.97＼arduino1.7.9＼hardware＼arduino＼avr＼libraries＼IRremote”文件夾中找到該庫文件。打開該庫文件，發(fā)現(xiàn)其又引用了一個(gè)用于設(shè)置中斷的庫文件“IRremoteInt.h”，在這個(gè)文件的72行中發(fā)現(xiàn)了“#define IR_USE_TIMER2”這一句（如上頁圖7）。因此可知，針對Atmage328P芯片，紅外遙控模塊使用了2號(hào)定時(shí)器，至此可以確定問題的原因就是這兩個(gè)功能同時(shí)使用了2號(hào)定時(shí)器。

解決方案

問題的原因找到了，那怎么解決呢？筆者想到了兩種方法：

第一種方法是修改紅外遙控模塊使用的定時(shí)器。將“IRremoteInt.h”中的72行修改成“#define IR_USE_TIMER1”，強(qiáng)制紅外遙控使用1號(hào)定時(shí)器。保存庫文件后，筆者重新編譯下載，試著按下了遙控器上的“2”鍵，風(fēng)扇慢速地轉(zhuǎn)了起來，成功了！

但是，這種方法對沒有學(xué)習(xí)過類C語言的學(xué)生來說，有一定困難，而且改變了默認(rèn)庫中定時(shí)器的設(shè)置，可能會(huì)產(chǎn)生與其他模塊的沖突，所以這種方式只適合于硬件連接無法改變的情況使用。有沒有簡單點(diǎn)的方法呢？

還有一種方法就是更換風(fēng)扇連接的數(shù)字口。查看資料，筆者可以得知，Arduino UNO的各個(gè)具備PWM輸出功能的數(shù)字口及其定時(shí)器的對應(yīng)關(guān)系如上頁表所示。筆者將風(fēng)扇換到使用0號(hào)定時(shí)器的6號(hào)口上，修改程序中的端口，重新編譯下載后，測試也一切正常。學(xué)生覺得這種處理定時(shí)沖突的方式更簡單，只要記住6個(gè)可以輸出PWM的數(shù)字口對應(yīng)的定時(shí)器，換一下連接數(shù)字口就可以解決定時(shí)器資源沖突問題。

結(jié)語

至此，故障得到了很好的解決。通過這個(gè)過程，筆者總結(jié)了在進(jìn)行Arduino制作時(shí)需要注意的幾點(diǎn)：

①用Arduino UNO實(shí)現(xiàn)一些簡單的互動(dòng)功能的確很方便，但作品的功能一旦復(fù)雜，就容易出現(xiàn)各種資源沖突的問題。所以，應(yīng)用比較復(fù)雜的作品，最好選用硬件資源更加豐富的板子，如Arduino 2560、Arduino DUE等。

②如果作品中多處用到定時(shí)器，要合理分配定時(shí)器的使用。

③在使用數(shù)字口5、6的PWM功能時(shí)，盡量不要使用delay（）延時(shí)函數(shù)，因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)是使用定時(shí)器0來產(chǎn)生延時(shí)。

④像紅外遙控模塊這樣需要用到定時(shí)器的模塊，盡量不要接在具有PWM功能的數(shù)字口上，以免造成干擾。

⑤將PWM輸出寫在不同程序段，能減少互相干擾的概率。

此外，筆者深刻體會(huì)到，創(chuàng)客教師和學(xué)生還應(yīng)該多了解一些單片機(jī)的原理、知識(shí)，才能“造”出更多有趣的作品，遇到問題也能得到有效解決。