在前两期文章中，我们介绍了机器人使用的各种模拟和数字传感器，它们构成了机器人的五官。那么是谁连接了这些五官呢？这就是做为中枢神经系统的扩展板，它能把各类传感器连接起来并进行统一控制，而不是零散地连接到控制器上。扩展板，英文名Shield，也有人译为盾板，本文统一称为扩展板。
扩展板是插接在控制器上方的、可以快速实现某一种特定功能的PCBA。随着开源硬件Arduino的广泛使用，人们发明了越来越多功能内聚的扩展板。只要大家使用了接口相同的Arduino控制器，扩展板就能被共享使用。这个增长的速度就像互联网节点一样：一个人分享，所有人受益。当然除了Arduino外，还有Raspberry Pi、BeagleBone Black和Intel Edison等统一的接口，因此它们也有各式各样的扩展板。但是考虑到Arduino扩展板的种类最为丰富，本文只讲解Arduino扩展板，其他控制器扩展板的思路都是相同的。在下面的视频中，我讲解了扩展板被发明的技术需求及其优势：
Arduino扩展板（下文统称扩展板）的种类繁多，将其分门别类、归纳总结是认识它们的最佳方式。我浏览了300多款扩展板的功能并进行总结，本文就为大家分享我对扩展板的分类方法。希望读者能对扩展板的种类有一个宏观的认识，今后在制作机器人项目的过程中，可以快速地在本文中找到自己想要搜索的扩展板。
我把扩展板分为四大类：原型制作、接口转换、传感器类、功能整合。下面我们来了解各个类别的扩展板。
原型制作扩展板
在制作电子装置的过程中，我们常用面包板制作原型。但若想保留这样的原型非常麻烦：元器件和跳线都很松散，也没有固定的外壳框架，更重要的是要保持跳线和控制器的连接，控制器无法复用到其他的项目中，而原型制作扩展板就能够解决这些问题。只要把它插接到控制器的上方，再将面包板的原型电路焊接到这块扩展板上，你就可以随时更换电子装置的原型了。下面就是两款常用的Arduino原型扩展板：
图1 Arduino Mega原型扩展板
图2 Arduino Uno原型扩展板
接口转换扩展板
在实践中我们经常碰到接口不匹配需要转换的需求，如CAN总线、RS232等各类接口。虽然我们也可以自己搭建原型实现接口的转换，但是毕竟这种转换方法相对固定，如果别人已经实现了接口转换的扩展板，除非出于学习目的，那么我们并没有必要亲自实现这样的转换电路。下面来看看各类接口转换扩展板。
l IO扩展板是最常见的接口转换扩展板，它可以快速插接传感器和执行单元（如SD卡、LCD屏幕等）。如下面这款扩展板除了IO接口外，还集成了APC220无线射频模块通信接口、12864液晶串行接口、SD卡接口和蓝牙等接口。
图3 IO扩展板
l USB设备分为HOST主设备和SLAVE从设备，因此USB HOST扩展板可以读取各种USB从设备的信息，如键盘、U盘、鼠标等。
图4 USB HOST扩展板
l RS232是电子工业协会（EIA）制定的串行通讯接口标准，它规定了引脚定义、电平逻辑和通信协议等内容。但是RS232只能传输数10米，距离短，属于点对点通信。后来EIA制定了RS485，其传输距离达1000米以上，属于主从通信模式。
图5 USB/RS232/RS485/TTL转换器扩展板
l MIDI扩展板让Arduino支持MIDI（乐器数字接口）通信协议。MIDI是编曲界最广泛的音乐标准格式，称为“计算机能理解的乐谱”。和MP3等文件不同，MIDI记录的不是声音，而是发出声音的指令（音符时值、力度等），而音色则取决于音源（分为硬音源和软音源）。
图6 MIDI扩展板
l 接线柱扩展板是众多接线端子的集合。接线端子是面包板跳线和焊接的折衷：它既可以像焊接一样固定连接的导线，同时还可以像跳线一样随时拆除，使用起来非常方便。
图7 接线柱扩展板
l CAN总线是汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。使用CAN总线接口扩展板，我们甚至可以改造汽车上的系统，网上已经有不少这样的教程。
图8 CAN总线扩展板
l 还有其他一些接口的扩展板，这里不再细致地讲解，有兴趣的读者可以自行查阅：SD卡扩展板、Wii扩展板、DMX扩展板、Grove接口扩展板、Vernier接口扩展板、Gadgeteer接口扩展板。
传感器类扩展板
传感器扩展板是指集成了接线较为复杂繁琐的传感器的扩展板，使用它们可以极大地简化电路。传感器扩展板的种类繁多，下面我们挑其中几款介绍。下图所示的扩展板集成了BNO055绝对方向传感器，可判断加速度、角速度和磁场强度在三个轴上的数据，除此之外还有智能中断引擎、慢动作或误动作识别、高G检测等功能。
图9 九轴运动扩展板
电容式触摸传感器扩展板可以很方便地插接在Arduino上方，这比自己去制作一个数字小键盘的电路板方便了很多。把它封装起来就能做一个输入密码的电子装置啦！
图10 触摸传感器扩展板
功能整合扩展板
功能整合类扩展板就像一片供鸟儿自由翱翔的蓝天：只有想不出来的功能，没有做不出来的扩展板。我共总结出6类功能扩展板：电机驱动、显示模块、无线通信、继电器、声音和其他。其中第一个驱动板我们放到下一期细说。
l 显示类扩展板的样式非常丰富，各个厂商都有对于艺术独有的思考和设计。从技术上说，常见的显示模块包括LCD、LED点阵、RGB LED点阵、数码管、电子纸、发光线。LCD显示屏通常会带有按钮，显示汉字也会更方便一些。
图11 带有摇杆和IO扩展的LCD显示屏扩展板
LED点阵适合显示一些简单的图案，颜色通常较为单一：
图12 LED点阵
想要酷炫的颜色，可以使用RGB LED点阵，不过价格也会更贵：
图13 RGB LED点阵
数码管扩展板上有多个单色、双色、彩色数码管，便于显示数字；电子纸显示屏非常省电，它仅在切换图像时才消耗电能，掉电后图像依然能保留在屏幕上；发光线扩展板可以驱动多条发光线，把发光线摆成不同的形状效果非常酷炫。
l 无线通信类的模块大都接线繁琐，因此其扩展板非常多。从技术上分类有WiFi、GPS、GPRS、GSM、无线射频、蓝牙、XBee等。下图是WiFi扩展板，它能连接到家里的路由器，然后采集数据并上传私有云或专用物联网平台啦！
图14 WiFi扩展板
l 继电器扩展板是制作智能插线板、智能家居的利器。此类扩展板通常含有多路继电器，而且大都能连接超过220V的电压并通过较大的电流。我们可以把继电器连接到插线板内部的开关（开关会把火线断开），这样就能用Arduino控制插线板啦！
图15 继电器扩展板
l 声音类扩展板的种类较多，如MP3播放扩展板、音频分析扩展板（即把立体声分离为不同频率的快速傅立叶变换）、语音合成扩展板、MIDI硬声源扩展板、音频解码扩展板。下图是一款MIDI硬声源扩展板：
图16 MIDI硬声源扩展板
l 还有一些个性化的有趣的扩展板，如加密扩展板（可执行各种加密操作）、信号发生器扩展板（可以生成各种波形，如正弦波和三角波）等。
本文对扩展板进行了细致的分类，相信你一定有所收获。在你制作机器人的过程中，到底需要实现哪些功能呢？今后可以浏览本文，快速定位到自己的需求并找到合适的扩展板。
无线电2016年05月刊
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