使用Arduino實作Serial串列通訊的經驗談

    Serial Port的通訊在微控制器中是很常用的一種方式，可以用來連接兩個晶片，或是直接跟電腦進行資料交換。在Arduino上同樣具備了Tx,Rx的Serial Port功能，其中一組會建立在板子上的USB連接埠上，不必另外買RS232-USB轉接線以及MAX232這類轉接IC就可以直接跟電腦進行連線，這是非常方便的設計。

    在Arduino中的Serial Port傳送可以有多種函示的選擇，例如println()、read()、readByte()、write()等等，可以依據使用習慣來挑選。但Serial對我而言，我只重視一件事情，那就是資料的穩定、無錯誤。使用println()也許可以傳送字串或其他格式，但卻不是我習慣的傳送方式，因為傳送的資料是要給電腦看的，而不是給人看的，因此是不是字串不太重要，反而純數值會好些。

    在Serial的資料傳輸中，我習慣將資料轉化成一個Byte陣列，透過read()、write()的方式，把一整個陣列的Byte傳送或者接收，盡可能減少資料出錯的可能性。由於Serial Port傳輸速度有限，資料傳輸的間隔可以自行斟酌，我個人通常都是使用50ms以上的間格時間，避免傳輸時有問題發生。



    以下是一支範例程式，包含了資料的傳誦與接收，在看下面全部程式之前，我手繪了一張程式運行的內容(請原諒我很懶惰用電腦繪圖)。這支程式主要是啟動後，會等待電腦端或是另一個連接的設備傳送一串5 bytes的資料，收到後檢測第一個byte的內容，如果剛好是0xFF就開始每隔100ms傳送一次資料出去；若不是，則等待下一次資料的接收。

程式的主體共有三個函式：

1.void setup()

    這個函式是在Arduino啟動後會執行一次，可以用來做參數的初始設定。其中也設定的Serial port的傳輸速度，在這裡使用的是19200的傳輸速度(Baud rate)，也就是說電腦端那邊的程式也要是設定相同的速度才可以正常工作。

2.void serialEvent()

這個函式比較像是為處理器中的串列中斷函式，當有資料接收時就會執行函式的內容，通常都是用來做資料的接收與判斷。

3.void loop()

這就是最基本的主程式位置了，在Arduino運行後，此函示就會一次又一次不斷的執行，有點像是一般C語言中的無窮迴圈while(true)的內容。

    在程式裡很重要的地方在於每個byte形式的資料型態unsigned char的數值範圍是0~255，如要Arduino要進行高精度的運算，這樣的範圍一定是不夠的。在這個程式裡，大部分的資料運算型態都是使用4 bytes形式的long int，在32位元電腦中，Java或是C語言標準的int預設為4 bytes，由於我們使用的是8位元微控制器Arduino，為了保險起見，宣告時盡量還是使用全名long int。

    要將4-byte的long int分配到四個unsigned char的方式，在這裡使用了位移運算「>>」以及「<<」，搭配位元運算「&」以及「|」來處理。首先說明一下位移運算，位移運算的功能可以讓資料型態的位元進行左移或者右移。

    以下圖的範例來說，一個long int中具有4個byte，每個byte為8-bit。如果說將資料變數val向右位移8個bit的位置，其運算表示為「val>>8」，此時輸出的結果就會把整串資料往右邊一8個bit的位置，也就是變成原本[3][2][1]的byte往右跑了一個byte的位置，然後原本的[0]byte就不見了。依此類推，也可以位移其他長度。

    再來說明AND位元運算「&」，這邊主要是可以把這個運算設計成一種濾波器的概念，例如將一個4-byte的資料與0x000000FF(寫這樣代表是4-byte形式，如果是0xFF為單一byte形式)進行「&」運算，就會保留最右邊的byte內容，並將其他三個byte位置歸零。如果不懂為什麼會有這樣的效果，我們繼續往下看，以單一bit的維度來看。

    其實「&」的運算是把一樣長度的資料，每一個相同位置的位元拿來進行AND比較。如果將0xF0與0xAA進行運算，則前段1111的部分與1010運算後，會保留1010的部分；後段由於0000的關係，輸出結果會全部都是0000。

    根據上面的範例，依此，如果我們要保留一個完整byte的內容，就讓他與0xFF進行運算，這樣資他的資料都可以保留；相反的，如果想要把整個byte的資料變成0，就讓他跟0x00進行運算。

    這邊附上一張真值表，如果不太懂AND以及OR的運作就看一下，如已經懂了，就跳過吧。

    下面是完整的程式：

unsigned char senBuf[9]={0};      //傳送9byte unsigned char inChar[5];          //接收5byte volatile long int count1=0,count2=0; volatile long int rec1=0; int senToCom=0;                   //用來當作是否傳送資料的信號 void setup()  {     //第一個開頭位置，這個byte的用意是用來辨別資料串的開頭，以確認收     //到的9byte是否完整。假設收到一串9byte的資料，開頭第一個byte是     //我們所約定的0x11，則此串資料有效；若不是，則為無效資料串。     senBuf[0]=0x11;          // Open serial communications and wait for port to open:     Serial.begin(19200);     while (!Serial)      {         ; // wait for serial port to connect.            //Needed for Leonardo only     } } void serialEvent() {     int i;          if( (inChar[0]=Serial.read()) == 0xFF )     {         for(i=1;i<5;i++)         {             inChar[i]=Serial.read();         }         senToCom=1;   //開啟傳送的開關     }     rec1=((inChar[1] & 0x000000FF) << 24)          | ((inChar[2] & 0x000000FF) << 16)          | ((inChar[3] & 0x000000FF) << 8)          | ((inChar[4] & 0x000000FF)); } void loop()  {     //使用delay函數來調整傳送間隔     //要注意的是delay很重要，不可以不放     delay(100);     long int tempData;     tempData=count1;     senBuf[1]=(tempData>>24) & 0xFF;     senBuf[2]=(tempData>>16) & 0xFF;     senBuf[3]=(tempData>>8) & 0xFF;     senBuf[4]=tempData & 0xFF;     tempData=count2;     senBuf[5]=(tempData>>24) & 0xFF;     senBuf[6]=(tempData>>16) & 0xFF;     senBuf[7]=(tempData>>8) & 0xFF;     senBuf[8]=tempData & 0xFF;          //如果確定收到0xFF才開始把資料傳出去，不然就不傳送     if(senToCom)     {             Serial.write(senBuf,sizeof(senBuf));         senToCom=0;             //完成傳送後可再將開關關閉     } }