数字制造讲义05-软硬件数据通信

2019-04-02 本文已影响73人 Kidult

数字制造讲义01-成为数字世界的建造者
 数字制造讲义02-Arduino入门
 数字制造讲义03-电路基础
 数字制造讲义04-负责输入和输出的智能元件

Connect Everything

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玩过乐高的同学都知道，乐高积木非常容易上手，只需要把积木拼在一起——它们总是能拼在一起，不管是什么大小和形状，所以它成为了经典的儿童益智玩具。

在我们制造东西的时候，目标也是把不同的物体和元件拼接成一个完整的、具有一定功能的物品。但是我们会面对一个比乐高困难得多的问题：不同的元件出身和禀赋可能天差地别，想要把它们连接到一起，得想出各种办法。

比如，我想做一个薯片罐头打击乐器，敲击罐头，就可以让 iPad 里面的乐器发出对应的声响。

想想看，我们要把哪些东西连接起来？

我们要连接敲击的平面和 iPad 中的 APP。可是并不存在这样的接口。怎么办？

一段电线连不起来，那我们用两段。可以先用 Arduino 帮我们收集敲击的信号，然后作为中转，再传给 APP。

可是， Arduino 怎么连接 iPad 呢？

你可能会说，可以用数据线呀！没错，不过，要用什么样的数据线呢？这取决于我们要传输什么样的数据。我们想要控制 APP 中的乐器，就需要包含 MIDI 信息的数据，于是要用 MIDI 数据线来传递。

所以，我们的问题拆分成了好几个：

如何连接敲击面和 Arduino (电路)
如何连接 Arduino 和 iPad(一头必需是 iPad 支持的端口，如 type-c)
如何从 Arduino 传输 MIDI 数据到 APP(一头必需是 MIDI 数据线)

条条小路通骡马

这节课我们学习有哪些方式把不同的东西连接在一起，让它们之间可以传递数据，完成一定的功能。

硬件和硬件、软件和硬件、软件和软件的数据通信，主要可以分为两大类型：有线和无线。

想要跟硬件沟通，需要用某种它能听懂的「语言」。但是这种语言在人类看来简直像天书，它是机器专用的代码——汇编语言（assembly language），是一种用于电子计算机、微处理器、微控制器，或其他可编程器件的低级语言。

有线

串口通信(Serial Communication)，是最常见的通信方式。它是指外接设备和计算机之间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。

串口的概念跟并口相对应：

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因为要跟机器直接打交道的语言（低级别的语言）比较难掌握，所以有许多更高级别的语言(近似人类语言)的库可以帮助我们通过串口跟机器沟通，例如 Python 语言的 pySerial。

Arduino 也是靠串口跟计算机通信。

在我们上传程序到板子之前，就需要选择用哪个串口通信。在 Port 选项上方，还有 Serial Monitor 工具（IDE右上角放大镜图标也可以），我们常常在调试程序时，打开串口监视器并查看里面的数据。

那么，Arduino 用什么数据线跟电脑的串口连接呢？

最常见就是 USB 数据线了。USB 是 Universal Serial BUS 的缩写，从名字可见其野心(不过讲真，数据接口类型太多，真的让人头疼死……)

来认认 USB 接口们，哪些是平常经常会见到的：

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备受关注的 USB 4.0 就要来了，但是现实比较骨干，我们仍然需要跟各种各样的数据接口和数据线打交道，尤其是音频和视频的数据线，还远未到 USB 一统天下的时候。

这张图汇总了大部分音视频数据接口的长相，总有一款适合你：

USB 没有办法替代这么多的数据接口和数据线，其中很重要的一个原因是连接距离。音视频的连接长度常常跨越几米甚至上百米，这时候 USB 就傻眼了。

在远距离传输的场景下，互联网（广域网/局域网）就可以大显身手。在有线互联网中，我们通过 IP 地址访问和联通计算机。

IPv4地址分为 A、B、C、D、E 五类，出去特殊作用的 D、E 两类，剩下的 A、B、C 三类地址是常见的 IP 地址段。A 类地址的容量最大，可以容纳 16,777,214 个主机，B 类地址可以容纳 65,534 个主机，C 类地址可以容纳 254 个主机。

A类地址：10.0.0.0--10.255.255.255
B类地址：172.16.0.0--172.31.255.255
C类地址：192.168.0.0--192.168.255.255

无线

基于无线的连接越来越普遍，也越来越重要了。

为啥？

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尤其在制作互动装置时，我们不希望被太多连线所缠绕和局限活动范围，所以需要借助无线连接的方式。

而且，多种多样的无线数据传输，也是 IOT(Internet of Things 物联网)的基础设施。

那么蓝牙呢？蓝牙的应用也越来越普遍了。

蓝牙是一种点对点的通信方式，主要目的是服务移动设备。蓝牙的功耗以及成本比 wifi 低一些，但是传输距离很短，一般用于近距离设备的通信，例如耳机和手机。

科技情报局：NFC、蓝牙和 WiFi 有什么区别？_腾讯视频

除了 wifi 和蓝牙，还有 ZigBee、RF、WiMax 等等传输方式，我们不太会接触到，这里就略过了。

传输音乐数据

音乐和乐器是我们不变的主题。那么我们要深入了解一下如何传输音乐相关的数据。

MIDI

音乐数字接口（Musical Instrument Digital Interface，简称 MIDI ）是一个工业标准的电子通讯协议，为电子乐器等演奏装置（如合成器）定义各种音符或弹奏码，让电子乐器、电脑、手机或其它的舞台演出配备彼此连接，调整和同步，可以即时交换音乐数据。 MIDI 不传送声音，只传送包括音调和音乐强度的数据、音量、颤音和相位等参数，还有设定节奏的时钟信号。在不同的电脑上，输出的声音也因音源器不同而有差异。

回顾 MIDI 的历史，简直就像回顾数字时代的陈年往事：

WHAT IS MIDI 什么是 MIDI_腾讯视频

MIDI 1.0 于 1983 年 8 月发布。35 年过去了，MIDI 终于在今年 1 月迎来了 2.0 版本。

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当然，现阶段我们常用的还是 5 脚的 MIDI 数据线，和 0~127 的整数型数字：

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MIDI Cable Wiring
First Connector	Cable	Second Connector
Pin 1	No Connection	Pin 1
Pin 2	Shield	Pin 2
Pin 3	No Connection	Pin 3
Pin 4	Voltage Reference Line	Pin 4
Pin 5	Data Line	Pin 5