Sparrow 开发板化身电脑音量调节器

前言

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之前的新浪不能用啦，这次部分图片用的sm.ms的图床，加载慢，请耐心，准备换图床。

1、开箱简介

来填坑了！这次是 Sparrow 可穿戴微控制器（以下称S板）， 产品页面，wiki页面。
S板主控芯片使用的是与Arduino Leonardo相同的ATmega32u4主芯片，那么它和经典爆款Arduino UNO使用的ATmega328主芯片的有何不同呢？我们来瞅一瞅：

这只是官方提供的介绍，真正应用上的区别，可以参考这篇文章《Arduino各开发板的比较》，综合可知Leonardo的优劣势：

• 优点： Leonardo与所有先前的板子不同之处在于ATmega32u4具有内置的USB通讯，无需使用类似UNO上的16u2辅助处理器。这允许Leonardo作为鼠标和键盘出现在连接的计算机上，以及虚拟（CDC）串口或 COM端口。
• 缺点： 编译原理和其他arrduino的avr主控不太一样，深层开发有些麻烦。

UNO 是使用额外的16u2芯片来实现USB 串口功能的，就是板子上那块小芯片，注意它也是可编程的，相信有很多玩家改造过了。

1.1 硬件规格

如图所示，一眼望去，供电途径很多样，板子很小，有硬件输出(四枚LED+BUILTIN LED)，硬件输入（Potentiometer），感觉怪怪的，好像都不是传统的输入输出手段，可能镊子也挺好用的吧。

1.2 引脚定义与注意点

1. 官方wiki介绍
2. 参考官方电位器读取例程，发现不对，找到原理图，最后确定如下：
   • 电位器接在A2
   • BulitIn LED接在D13引脚，板上丝印是D8，D代表二极管，可以看出这整体是有点混乱的，希望后续可以改进。
   • LED灯带接在D10引脚
   • 自锁开关单纯用于控制供电(microUSB除外)，没有接到MCU上，所以无法作为输入；红绿led用于显示锂电池充电情况。
   • microusb有串口调试功能

1.3 出厂程序

下载地址

需要安装Adafruit NeoPixel库，效果就是拨动电位器，四颗灯珠颜色逐渐变化。默认亮度着实瞎眼，另外大家能告诉我为啥子是菱形发散的光，摄像头(iphone6)问题？通过第1个示例可知电位器输出0-1023。

题外话：为啥胃酸是盐酸，而不是硫酸、醋酸啊什么的。

1.4 尚能饭否？

Arduino Leonardo，发布去今有好多年了，彼时物联网概念并不热门，但是随着ESP8266的出现，无线能力几乎成了标配，现在出这么一款产品，无疑限制了它的应用范围。
此外，对于S板有以下建议：

• 电池接口：我感觉用的多的是PH2.0接口，比如DF商城的锂电池、micro:bit等，默认焊接2.54的有点难受
• 板载一个按钮作为输入手段是否更好
• 丝印有待改进

另外看到注意事项关于电源的内容有很多，这个能否傻瓜一点，我这种小白记不住boom了咋办。
那么，Sparrow究竟如何呢？我们接着往下看。

2、开展便民服务

2.1 项目设想

最近配了一台台式机（见前文），没有之前Thinkpad笔记本电脑的物理音量调节按钮，就想自己搞一个，于是看着手头的Sparrow，计上心头。
S板主要有两点优势：

1. 32u4内置USB通讯，适合模拟HID (Human Interface Device)设备
2. S板上有个电位器角度传感器，是不是很像音量调节旋钮？

原理是这么回事：现在常用的键盘属于HID设备的一种，而很多键盘上都有多媒体键，可以方便地调节音量、打开执行程序甚至自定义功能，我们利用S板模拟出键盘上的多媒体按键即可。看起来比较简单，下面动手看看如何实现。大致拆分了一下，流程拢共分两步：一是模拟成键盘；二是使用电位器调节音量。

2.2 环境需求

• 软件：Arduino IDE
• 硬件：MicroUSB Cable，Builtin Potentiometer

哇，引脚都不用焊接！

2.3 项目实施——轮子的救赎

既往没做过，先找块石头摸着过河，看看有没有人做过类似的，放狗(Google)一搜，看到这个USB Volume Control，顺蔓摸瓜找到这个Trinket USB Volume Knob，研究一下。

• 主控板使用Adafruit开发的 Trinket，采用ATtiny85主控芯片，额，没事，程序代码可以参考思路
• 使用Arduino编程语言，借助Adafruit-Trinket-USB库，可能需要移植或者更换

2.3.1 第一部分：模拟HID

理论基础有了，我们说干就干，但是AdaFruit 的Trinket还是存在一些不同，我们直接在Arduino IDE里面搜索看看有木有现成的轮子可用，关键词HID，然后发现了这位大佬NicoHood，此外还看到了大佬的IR库：IRLremote
, This library is way more efficient than the "standard" IR library from Ken Shirriff.
我们这里用到NicoHood/HID库，直接在IDE里面的包管理工具安装即可，话说新版的IDE好像下载东西不用挂代理了。

下面实现一个简单的Demo：按下按钮，使电脑切换静音。代码如下：

/*
  Copyright (c) 2014-2015 NicoHood
  See the readme for credit to other people.

  Consumer example
  Press a button to play/pause music player

  You may also use SingleConsumer to use a single report.

  See HID Project documentation for more Consumer keys.
  https://github.com/NicoHood/HID/wiki/Consumer-API
*/

#include "HID-Project.h"

const int pinLed = LED_BUILTIN;
const int pinButton = 9;

void setup() {
  pinMode(pinLed, OUTPUT);
  pinMode(pinButton, INPUT_PULLUP);

  // Sends a clean report to the host. This is important on any Arduino type.
  Consumer.begin();
}

void loop() {
  if (!digitalRead(pinButton)) {
    digitalWrite(pinLed, HIGH);

    // See HID Project documentation for more Consumer keys
    Consumer.write(MEDIA_VOLUME_MUTE);

    // Simple debounce
    delay(300);
    digitalWrite(pinLed, LOW);
  }
}

这里修改自官方例程Consumer，我这里没有按钮，就直接用镊子了，最终效果就是将Sparrow通过MicroUSB线插到电脑上，短接D9和GND（相当于按下了按钮），然后在板上D8上的Builtin灯会闪一下（发白光），电脑就静音啦，再短接一次就会取消静音，如此反复。

由此第一步就完事了。再来看看第二步，参考下Adafruit的教程，虽然不一样但是思路总能参考吧！但是！结果！发现越发看不懂了，我们的电位器没有ABC脚！大费周章，茅塞顿开，恍然大悟，Encoder编码器和Potentiometer电位器不一样！

电位器和编码器的区别

上文的Adafruit教程原本以为可以参考一下思路，然后发现我这里是电位器(Potentiometer，模拟信号)，原文是旋转编码器(Rotary Encoder，数字信号)，虽然外观上相似，但本质不同：
电位器：

编码器：

两者的辨别：

电位器与编码器，有着本质的区别，最直接的分辨方法就是：旋转一下，要是旋转角度不足一圈的是电位器，要是可以360度无限旋转的是编码器。

有兴趣可以看这篇电位器和编码器的区别文章，具体还可以移步杜洋的免费公开课《工欲善其事——电子技术探索与教学》，里面有讲解有拆解。

2.3.2 第二部分：旋钮调节音量

首先摸摸情况，夯实基础。我们手头有这些线索：

1. 电位器输出模拟值，范围0-1024，windows系统的音量控制范围是0-100（应该是百分比）。
2. 每次按下音量UP/DOWN按钮系统音量变动步进为2。我们参考Consumer API，只有简单的步进。而且我手动测试发现步进为2，即每次按下按钮增加2，这和电脑上的多媒体键一样的，这是在哪定义的呢？我们看看API Documentation，大佬就是大佬，这里找到usb协会的定义。原页面的链接地址失效了，新的是：
   • https://www.usb.org/sites/default/files/documents/hid1_11.pdf
   • https://www.usb.org/sites/default/files/documents/hut1_12v2.pdf
     第2个是具体实现，可以看到0x1c是consumer。

下面思考的内容：

• 需要用到map函数，角度0~270° -> 0-1023 -> 0-100。
  • PLAN A：电位器最大范围和音量范围对应满程，避免出现电位器到底了音量没到底。这就需要接上的时候根据电位器位置初始化音量，模拟按下指定次数。
  • PLAN B：电位器不精确对应音量，仅仅是有调整音量大小的作用。需要电位器范围尽量大于音量范围，2倍？但是此方案无论如何都会出现问题。
• 能不能实现鼠标即点即改到目标音量？试了一下笔记本上的音量控制键，一次仅增加一点，长按快速按步进增加。也就是UP/DOWN按键没这功能。
• 另外按键模拟有usb、ps/2接口，后者无论何时都有用，前者是usb hid模拟？bios有用，与系统无关。16进制代码。
• 看了hut1_12v2.pdf的130页，发现音量控制有两种方案，一是+/-按钮，二是Knob，也就是旋钮式控制。参考Ada的我们再瞅瞅。旋钮仅仅能转270°？不过我们看到的是df有300°，360°和3600°的。大致看了下，S板上的电位器角度传感器大概就是270度。

那么用电位器就不行了吗，当然不是，只是逻辑上有区别，我们参考这个项目的代码进行修改。

#include <HID-Project.h>                    //include HID_Project library
#include <HID-Settings.h>

#define REVERSED false                      //if your controller is reversed change it to true

int val = 0;
int previousval = 0;
int val2 = 0;

void setup() {
  Consumer.begin();                         //initialize computer connection
  delay(1000);                              //wait for computer to connect
  for(int a = 0; a < 52; a++) {
    Consumer.write(MEDIA_VOLUME_DOWN);      //set the volume to 0
    delay(2);
  }
}

void loop() {
  val = analogRead(2);                      //read potentiometer value
  val = map(val, 0, 1023, 0, 101);          //map it to 102 steps
  if(REVERSED) {
    val = 101 - val;
  }
  if(abs(val - previousval) > 1) {          //check if potentiometer value has changed
    previousval = val;
    val /= 2;                               //divide it by 2 to get 51 steps
    while(val2 < val) {
      Consumer.write(MEDIA_VOLUME_UP);      //turn volume up to appropiate level
      val2++;
      delay(2);
    }
    while(val2 > val) {
      Consumer.write(MEDIA_VOLUME_DOWN);    //turn volume down to appropiate level
      val2--;
      delay(2);
    }
  }
  delay(301);                               //wait at least 300ms between changing volume levels
}                                           //if it will change faster Windows can sometimes 
                                            //increase or decrease volume by 10 steps at once

简单的代码要点介绍：

• 判断电位器正接反接(reversed)，这里S板的电位器是固定的，我们不用管
• 初始化，将音量调到0，再增大到电位器目前所在位置音量，这样才可以完整用到电位器全程。前面介绍过，每次up/down的音量步进为2，所以最多51次降到0，实测降到0后继续down无影响。
• 检测电位器值变化，每次间隔300ms+，否则可能一次变动步进为10。

效果演示及注意：

• 可以看到接上S板之后系统响了一下识别音(current 45)->系统音量降到0->增大到电位器目前位置对应音量(46)->开始拨动电位器调整音量，最小步进2。
• 由于板载电位器最大角度270°，加上阻尼小，所以拨动有点快，对于我这种强迫症不到整数不舒服的实在不友好，以后可以使用角度比较大的电位器，或者干脆使用旋转编码器。

这里使用以下软件

• 录制软件：Screen2Gif | 开源免费，功能强大
• 音量控制：EarTrumpet | 开源免费，介绍页面

更进一步

• 更多功能键
  我们从这里可以看到其他功能按键的定义，对源码稍加改动就可以做一个自定义的专属键盘了。
• 其他用法
  BadUSB之类的，有兴趣的自己搜搜。
• USB协议分析软件
  Bus Hound/USBlyzer/USBTrace等，不过都收费，而且有段时间没更新了。

后记

这里实现了一个小功能，后续再把其他做的东西整理分享出来，此外micro:bit的东西也拖了好久了。

Reference

• Arduino®-Leonardo USB HID Keyboard & Mouse Tutorial and Advanced Serial Port Examples
• Arduino Reference Keyboard
• USB functions with Arduino Leonardo Micro Uno Mega and HID Project
• Arduino UNO R3 软件实现HID键盘功能