通过Arduino端口扩展Raspberry Pi

作为制造者社区的成员，我们一直在寻找创造性的方式来使用硬件和软件。这次， Patrick Lima和我决定我们想使用Arduino开发板扩展Raspberry Pi的端口，以便我们可以访问更多功能和端口并为设备添加一层保护。有许多方法可以使用此设置，例如，构建跟随太阳的太阳能电池板，家庭气象站，操纵杆交互等等。

我们决定从构建一个仪表盘开始，该仪表盘允许以下串行端口交互：

控制三个LED以打开和关闭它们
控制三个LED调整其光强度
识别正在使用的端口
在操纵杆上显示输入动作
测量温度

我们还想在一个漂亮的用户界面（UI）中显示端口，硬件和传感器之间的所有交互，如下所示：

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

您可以使用本文中的概念来构建使用许多不同组件的许多不同项目。您的想象力是极限！

1.开始

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

第一步是将Raspberry Pi的端口扩展为也使用Arduino端口。使用Linux ARM的本机串行通信实现可以实现这一点，该实现使您能够使用Arduino的数字，模拟和脉宽调制（PWM）端口在Raspberry Pi上运行应用程序。

该项目使用TotalCross （一种用于构建嵌入式设备的UI的开源软件开发套件）来通过终端执行外部应用程序并使用本机串行通信。您可以使用两个类来实现此目的： Runtime.exec和PortConnector 。它们代表执行这些操作的不同方法，因此在本教程中我们将展示如何使用这两种方法，您可以决定哪种方法最适合您。

要启动该项目，您需要：

1树莓派3
1个Arduino Uno
3个LED
2个电阻介于1K和2.2K欧姆之间
1个按钮
1个电位计，介于1K和50K欧姆之间
1个原型板（又名面包板）
跳线

2.设置Arduino

创建通信协议以接收消息，处理消息，执行请求并在Raspberry Pi和Arduino之间发送响应。这是在Arduino上完成的。

2.1定义消息格式

每条收到的消息将具有以下格式：

指示的功能称为
使用的端口
字符分隔符（如果需要）
需要发送的值
消息结束的指示

下表列出了具有相应功能，示例值和示例说明的字符列表。本示例中使用的字符选择是任意的，可以随时更改。

性格	功能	例	示例说明
*	指令结束	--	--
,	分隔器	--	--
#	设置模式	＃8,0 *	引脚8输入模式
<	设定数字值	<1,0 *	将引脚1设置为低电平
>	获得数字价值	> 13 *	获取值针13
+	获取PWM值	+ 6,250 *	设置引脚6的值250
-	获得类比价值	-14 *	获取值引脚A0

2.2源代码

以下源代码实现了上面指定的通信协议。必须将其发送到Arduino，以便它可以解释和执行消息的命令：

void setup ( ) {

        Serial. begin ( 9600 ) ;

        Serial. println ( "Connected" ) ;

        Serial. println ( "Waiting command..." ) ;

        }

void loop ( ) { String text = "" ; char character ; String pin = "" ; String value = "0" ; char separator = '.' ; char inst = '.' ;

while ( Serial. available ( ) ) { // verify RX is getting data delay ( 10 ) ; character = Serial. read ( ) ; if ( character == '*' ) { action ( inst , pin , value ) ; break ; } else { text. concat ( character ) ; }

if ( character == ',' ) { separator = character ;

if ( inst == '.' ) { inst = character ; } else if ( separator != ',' && character != inst ) { pin. concat ( character ) ; } else if ( character != separator && character != inst ) { value. concat ( character ) ; } } }

void action ( char instruction , String pin , String value ) { if ( instruction == '#' ) { //pinMode pinMode ( pin. toInt ( ) , value. toInt ( ) ) ; }

if ( instruction == '<' ) { //digitalWrite digitalWrite ( pin. toInt ( ) , value. toInt ( ) ) ; }

if ( instruction == '>' ) { //digitalRead String aux = pin + ':' + String ( digitalRead ( pin. toInt ( ) ) ) ; Serial. println ( aux ) ; }

if ( instruction == '+' ) { // analogWrite = PWM analogWrite ( pin. toInt ( ) , value. toInt ( ) ) ; }

if ( instruction == '-' ) { // analogRead String aux = pin + ':' + String ( analogRead ( pin. toInt ( ) ) ) ; Serial. println ( aux ) ; } }

`2.3制作电子产品`

定义您需要测试以检查与Arduino的通信并确保输入和输出按预期响应的内容：

LED以正逻辑连接。通过电阻连接到GND引脚，并通过数字端口I / O 2和PWM 3激活它。
该按钮具有连接到数字端口I / O 4的下拉电阻，如果未按下则发送信号0，如果按下则发送信号1。
电位计的中心引脚连接到模拟输入A0，其中一个侧面引脚位于正极，而另一个侧面引脚位于负极。

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

`2.4测试通讯`

将第2.2节中的代码发送到Arduino。发送以下命令，打开串行监视器并检查通讯协议：

#2,1*<2,1*>2*

        #3,1*+3,10*

        #4,0*>4*

        #14,0*-14*

这应该是串行监视器中的结果：

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

设备上的一个LED应该以最大强度点亮，而另一个应以较低强度点亮。

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

发送读数命令时，按下按钮并更改电位计的位置将显示不同的值。例如，将电位计转到正极，然后按按钮。在仍然按下按钮的情况下，发送命令：

> 4 *

        - 14 *

应该出现两行：

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

`3.设置Raspberry Pi`

使用Raspberry Pi通过终端使用cat命令读取条目，并使用echo命令发送消息，通过终端访问串行端口。

3.1进行串行测试

将Arduino连接到Raspberry Pi的USB端口之一，打开终端，然后执行以下命令：

 cat / dev / ttyUSB0 9600

这将启动与Arduino的连接并显示返回串行的内容。

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

要测试发送命令，请打开一个新的终端窗口（保持前一个打开），然后发送以下命令：

 echo "command" > / dev / ttyUSB0 9600

您可以发送与2.4节相同的命令。

您应该在第一个终端中看到反馈以及在2.4节中得到的相同结果：

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

4.创建图形用户界面

第一部分使用两个UI组件：一个列表框和一个编辑。它们在Raspberry Pi和Arduino之间建立连接，并测试一切是否按预期工作。

模拟您在其中放置命令的终端并观察答案：

编辑用于发送消息。将其放置在底部，其填充宽度可将组件扩展到屏幕的整个宽度。
列表框用于显示结果，例如在终端中。将其添加到TOP位置（从左端开始），其宽度等于Edit，而FIT高度则垂直占据未被Edit填充的所有空间。

package com.totalcross.sample.serial ;

import totalcross.sys.Settings ; import totalcross.ui.Edit ; import totalcross.ui.ListBox ; import totalcross.ui.MainWindow ; import totalcross.ui.gfx.Color ;

public class SerialSample extends MainWindow { ListBox Output ; Edit Input ; public SerialSample ( ) { setUIStyle ( Settings. MATERIAL_UI ) ; }

@Override public void initUI ( ) { Input = new Edit ( ) ; add ( Input, LEFT, BOTTOM, FILL, PREFERRED ) ; Output = new ListBox ( ) ; Output. setBackForeColors ( Color . BLACK , Color . WHITE ) ; add ( Output, LEFT, TOP, FILL, FIT ) ; } }

它看起来应该像这样：

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

`5.设置串行通讯`

如上所述，有两种设置串行通信的方法：Runtime.exec和PortConnector。

`5.1选项1：使用Runtime.exec`

java.lang.Runtime类允许应用程序与其运行环境一起创建连接接口。它允许程序使用Raspberry Pi的本机串行通信。

使用与第3.1节中使用的命令相同的命令，但现在使用UI上的“编辑”组件将命令发送到设备。

阅读序列

应用程序必须不断读取序列号，如果返回值，请使用线程将其添加到列表框中。线程是在后台处理进程而不阻止用户交互的一种好方法。

以下代码在此线程上创建一个新进程，该进程执行cat命令，测试串行，并启动无限循环以检查是否接收到新消息。如果收到内容，则该值将添加到“列表框”组件的下一行。只要应用程序正在运行，此过程就将继续运行：

new Thread ( ) {

        @Override

        public void run ( ) {

        try {

        Process Runexec2 = Runtime . getRuntime ( ) . exec ( "cat /dev/ttyUSB0 9600 \n " ) ;

        LineReader lineReader = new LineReader ( Stream. asStream ( Runexec2. getInputStream ( ) ) ) ;

        String input ;

while ( true ) { if ( ( input = lineReader. readLine ( ) ) != null ) { Output. add ( input ) ; Output. selectLast ( ) ; Output. repaintNow ( ) ; } } } catch ( IOException ioe ) { ioe. printStackTrace ( ) ; } } } . start ( ) ; }

`发送命令`

发送命令是一个简单的过程。每当您在“编辑”组件上按Enter时，它就会发生。

要将命令转发到设备，如3.1节所示，您必须实例化一个新终端。为此，Runtime类必须在Linux上执行sh命令：

try {

        Runexec = Runtime . getRuntime ( ) . exec ( "sh" ) . getOutputStream ( )        } catch ( IOException ioe ) {

        ioe. printStackTrace ( ) ;

        }

用户在“编辑”中编写命令并按Enter后，应用程序将触发一个事件，该事件以“编辑”中指示的值执行echo命令：

Input. addKeyListener ( new KeyListener ( ) {

@Override public void specialkeyPressed ( KeyEvent e ) { if ( e. key == SpecialKeys. ENTER ) { String s = Input. getText ( ) ; Input. clear ( ) ; try { Runexec. write ( ( "echo \" " + s + " \" > /dev/ttyUSB0 9600 \n " ) . getBytes ( ) ) ; } catch ( IOException ioe ) { ioe. printStackTrace ( ) ; } } }

@Override public void keyPressed ( KeyEvent e ) { } //auto-generate code @Override public void actionkeyPressed ( KeyEvent e ) { } //auto-generate code } ) ;

在连接了Arduino的Raspberry Pi上运行应用程序，然后发送命令进行测试。结果应为：

^{（Bruno Muniz， CC BY-SA 4.0 ）}

`Runtime.exec源代码`

以下是解释所有部分的源代码。它包括将在第31行读取串行的线程和将在第55行发送命令的KeyListener ：

package com.totalcross.sample.serial ;

        import totalcross.ui.MainWindow ;

        import totalcross.ui.event.KeyEvent ;

        import totalcross.ui.event.KeyListener ;

        import totalcross.ui.gfx.Color ;

        import totalcross.ui.Edit ;

        import totalcross.ui.ListBox ;

        import java.io.IOException ;

        import java.io.OutputStream ;

        import totalcross.io.LineReader ;

        import totalcross.io.Stream ;

        import totalcross.sys.Settings ;

        import totalcross.sys.SpecialKeys ;

public class SerialSample extends MainWindow { OutputStream Runexec ; ListBox Output ;

public SerialSample ( ) { setUIStyle ( Settings. MATERIAL_UI ) ; }

@Override public void initUI ( ) { Edit Input = new Edit ( ) ; add ( Input, LEFT, BOTTOM, FILL, PREFERRED ) ; Output = new ListBox ( ) ; Output. setBackForeColors ( Color . BLACK , Color . WHITE ) ; add ( Output, LEFT, TOP, FILL, FIT ) ; new Thread ( ) { @Override public void run ( ) { try { Process Runexec2 = Runtime . getRuntime ( ) . exec ( "cat /dev/ttyUSB0 9600 \n " ) ; LineReader lineReader = new LineReader ( Stream. asStream ( Runexec2. getInputStream ( ) ) ) ; String input ;

while ( true ) { if ( ( input = lineReader. readLine ( ) ) != null ) { Output. add ( input ) ; Output. selectLast ( ) ; Output. repaintNow ( ) ; } }

} catch ( IOException ioe ) { ioe. printStackTrace ( ) ; } } } . start ( ) ;

try { Runexec = Runtime . getRuntime ( ) . exec ( "sh" ) . getOutputStream ( ) ; } catch ( IOException ioe ) { ioe. printStackTrace ( ) ; }

Input. addKeyListener ( new KeyListener ( ) { @Override public void specialkeyPressed ( KeyEvent e ) { if ( e. key == SpecialKeys. ENTER ) { String s = Input. getText ( ) ; Input. clear ( ) ; try { Runexec. write ( ( "echo \" " + s + " \" > /dev/ttyUSB0 9600 \n " ) . getBytes ( ) ) ; } catch ( IOException ioe ) { ioe. printStackTrace ( ) ; } } }

@Override public void keyPressed ( KeyEvent e ) { } @Override public void actionkeyPressed ( KeyEvent e ) { } } ) ; } }

`5.2选项2：使用PortConnector`

PortConnector专门用于串行通信。如果要遵循原始示例，则可以跳过本节，因为此处的目的是显示另一种更简单的串行操作方法。

更改原始源代码以与PortConnector一起使用：

package com.totalcross.sample.serial ;

        import totalcross.io.LineReader ;

        import totalcross.io.device.PortConnector ;

        import totalcross.sys.Settings ;

        import totalcross.sys.SpecialKeys ;

        import totalcross.ui.Edit ;

        import totalcross.ui.ListBox ;

        import totalcross.ui.MainWindow ;

        import totalcross.ui.event.KeyEvent ;

        import totalcross.ui.event.KeyListener ;

        import totalcross.ui.gfx.Color ;

public class SerialSample extends MainWindow { PortConnector pc ; ListBox Output ;

public SerialSample ( ) { setUIStyle ( Settings. MATERIAL_UI ) ; }

@Override public void initUI ( ) { Edit Input = new Edit ( ) ; add ( Input, LEFT, BOTTOM, FILL, PREFERRED ) ; Output = new ListBox ( ) ; Output. setBackForeColors ( Color . BLACK , Color . WHITE ) ; add ( Output, LEFT, TOP, FILL, FIT ) ; new Thread ( ) { @Override public void run ( ) { try { pc = new PortConnector ( PortConnector. USB , 9600 ) ; LineReader lineReader = new LineReader ( pc ) ; String input ; while ( true ) { if ( ( input = lineReader. readLine ( ) ) != null ) { Output. add ( input ) ; Output. selectLast ( ) ; Output. repaintNow ( ) ; } } } catch ( totalcross. io . IOException ioe ) { ioe. printStackTrace ( ) ; } } } . start ( ) ; Input. addKeyListener ( new KeyListener ( ) { @Override public void specialkeyPressed ( KeyEvent e ) { if ( e. key == SpecialKeys. ENTER ) { String s = Input. getText ( ) ; Input. clear ( ) ; try { pc. writeBytes ( s ) ; } catch ( totalcross. io . IOException ioe ) { ioe. printStackTrace ( ) ; } } }

@Override public void keyPressed ( KeyEvent e ) { }

@Override public void actionkeyPressed ( KeyEvent e ) { } } ) ; } }

您可以在项目存储库中找到所有代码。

`6.后续步骤`

本文介绍如何通过使用Runtime或PortConnector类将Raspberry Pi串行端口与Java一起使用。您还可以用其他语言调用外部文件，并创建无数其他项目，例如用于水族箱的水质监测系统，该水族箱可以通过模拟输入进行温度测量，或者可以控制温度和湿度的鸡笼和伺服电机来旋转卵。

以后的文章将使用PortConnector实现（因为它专注于串行连接）来完成与所有传感器的通信。它还将添加一个数字输入并完成UI。

以下是一些参考资料，供您阅读：

TotalCross入门
TotalCross PortConnector类
使用TotalCross运行C ++应用程序
VSCode TotalCross项目扩展插件

连接Arduino和Raspberry Pi后，请在下面留下您的评论。我们希望阅读它们！

翻译自: https://opensource.com/article/20/7/arduino-raspberry-pi