試行錯誤な日々: いろんなArduinoのシリアルを関数の引数として使う方法

背景

Arduinoとはプログラムを書き込んで電子工作に利用できる開発ボードの総称です。
開発ボードの回路図や、開発環境であるArduinoIDEなど、多くの設計がオープンソースとして公開されています。
そのためArduinoIDEを利用して公式・非公式含めて様々な種類のボードを開発できます。

シリアル通信とは、情報を1ビットずつ送信する通信形式の名前です。
Arduino Unoなどの場合、Serialという定義済みの変数を利用することでシリアル通信を行なえます。

シリアル通信の変数は、型を指定すれば下記のように関数の引数として渡せます。

#include <HardwareSerial.h>

void printHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->print("hello");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  printHello(&Serial); // print hello
  delay(1000);
}

Unoなどの代表的なArduinoでは、上記のプログラムのようにHardwareSerialをシリアルの型とすればをビルドして動かせます。
しかし、USB通信機能を備えるLeonardoやARM系のArduinoは、Serialに別の型が使われているためビルドに失敗します。

adafruitのTravisCIスクリプトで検査対象となっているボード全てに対応するシリアル通信プログラムを書くのに時間がかかったため、備忘録を兼ねて方法を共有します。

使ったもの

Arduino IDE

Arduino IDEとは、Arduino向けのプログラムの開発ができるソフトウェアです。
下記のページからダウンロードできます。

Download the Arduino IDE

Arduino IDEで利用できるボード情報

Arduino IDEの設定にjsonを追加してボードマネージャーからダウンロードすることで、標準設定のArduino以外のボードをArduino IDEでビルド出来るようになります。

使ったボードの読み込み先はそれぞれこちらです。

esp8266/Arduino
ESP8266が使えるようになります。

espressif/arduino-esp32
ESP32が使えるようになります。

arduino/ArduinoCore-sam
ArduinoのSAM系(Due)が使えるようになります。

arduino/ArduinoCore-samd
ArduinoのSAMD系(Zeroなど)が使えるようになります。

Adafruit boards
Adafruitのボード全般が使えるようになります。

一覧

解説するボードとシリアルの種類を表にまとめます。

ボード	プログアム用シリアル		自由なシリアル		SoftwareSerial
ボード	型	変数名	型	変数名	SoftwareSerial
Arduino Uno	HardwareSerial	Serial	-	-	利用可能
ESP8266	HardwareSerial	Serial	-	-	利用可能
ESP32	HardwareSerial	Serial	HardwareSerial	Serial1, Serial2	利用できない
Arduino Mega	HardwareSerial	Serial	HardwareSerial	Serial1, Serial2, Serial3	利用可能
Arduino Leonardo	Serial_ (USBAPI.h)	Serial	HardwareSerial	Serial1	利用可能
Arduino Due	Serial_ (USB/USBAPI.h), UARTClass (HardwareSerialとして使える)	SerialUSB, Serial	USARTClass (HardwareSerialとして使える)	Serial1, Serial2, Serial3	利用できない
Arduino Zero	Serial_ (USB/USBAPI.h), Uart (HardwareSerialとして使える)	SerialUSB, Serial	Uart (HardwareSerialとして使える)	Serial1	利用できない
Adafruit M0	Serial_ (USB/USBAPI.h)	Serial	Uart (HardwareSerialとして使える)	Serial1	利用できない
Adafruit M4	Serial_ (USB/USBAPI.h)	Serial	Uart (HardwareSerialとして使える)	Serial1, SERCOMで定義できるUart	利用できない

それぞれ解説します。

Streamで受け取れば、printを使う関数を記述可能

Streamというクラスを介してserialを受け取れば、大体のserialを引数として受け取れます。

#include <HardwareSerial.h>
#include <SoftwareSerial.h>

void streamHello(Stream *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  softSerial.begin(115200);
}

void loop() {
  streamHello(&Serial);
  streamHello(&softSerial);
  delay(1000);
}

twitterで教えていただきました。

@asukiaaa
これ読みました。https://t.co/jDafsv2TMD

Serial_クラスもSerialクラス同様にStreamクラスを継承してるので、
void printHello(Stream *serial) {
serial->print("hello");
}
と書けば全部動くんじゃないでしょか
— 🧽 (@INOUETAICHI) August 14, 2021

Arduino Uno(atmega328p系)

Arduino Unoはプログラミングポートを兼ねたHardwareSerialを１つ持っています。
SoftwareSerialを利用できます。

PassUno.ino

#include <HardwareSerial.h>
#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial softSerial(8, 9);

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void softHello(SoftwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  softSerial.begin(115200);
}

void loop() {
  hardHello(&Serial);
  softHello(&softSerial);
  delay(1000);
}

ESP8266

ESP8266はプログラミングポートを兼ねたHardwareSerialを1つ持っています。
SoftwareSerialを利用できます。
つまり、Unoと同じコードが動きます。

PassESP32.ino

#include <HardwareSerial.h>
#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial softSerial(8, 9);

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void softHello(SoftwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  softSerial.begin(115200);
}

void loop() {
  hardHello(&Serial);
  softHello(&softSerial);
  delay(1000);
}

ESP32

ESP32はプログラミングポートを兼ねたHardwareSerialを1つ、自由に使えるHardwareSerialを2つ持っています。
SoftwareSerialは利用できません。
下記のコードはビルドはできますが、ESP32のSerial1は利用できないピンが割り当てられているため、Serial1を利用する場合はピンの配置を変える必要があります。

PassESP32.ino

#include <HardwareSerial.h>

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial1.begin(115200);
  Serial2.begin(115200);
}

void loop() {
  hardHello(&Serial);
  hardHello(&Serial1);
  hardHello(&Serial2);
  delay(1000);
}

Arduino Mega(atmega2560系)

Arduino Megaはプログラミングポートを兼ねたHardwareSerialを1つ、自由に使えるHardwareSerialを3つ持っています。
SoftwareSerialを利用できます。
自分が調査した中では、SoftwareSerialとHardwareSerialを合わせると、最も多くのシリアルを利用でるボードです。

PassMega.ino

#include <HardwareSerial.h>
#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial softSerial(10, 11);

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void softHello(SoftwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial1.begin(115200);
  Serial2.begin(115200);
  Serial3.begin(115200);
  softSerial.begin(115200);
}

void loop() {
  hardHello(&Serial);
  hardHello(&Serial1);
  hardHello(&Serial2);
  hardHello(&Serial3);
  softHello(&softSerial);
  delay(1000);
}

Arduino Leonardo(atmega32u4系)

Arduino LeonardoはUSB接続用のUSBAPIを1つ、自由に使えるHardwareSerialを1つ持っています。
SoftwareSerialを利用できます。

PassLeonardo.ino

#include <HardwareSerial.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include <USBAPI.h>

SoftwareSerial softSerial(8, 9);

void usbHello(Serial_ *serial) {
  serial->println("hello");
}

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void softHello(SoftwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial1.begin(115200);
  softSerial.begin(115200);
}

void loop() {
  usbHello(&Serial);
  hardHello(&Serial1);
  softHello(&softSerial);
  delay(1000);
}

Arduino Due(Arduino SAM系)

Arduino DueはNativeポートとしてUSBAPIを1つ、プログラミングポートを兼ねたUARTClassを1つ、自由に使えるUSARTClassを3つ持っています。
UARTClassとUSARTClassはHardwareSerialとして利用できます。
SoftwareSerialは利用できません。

PassDue.ino

#include <HardwareSerial.h>
#include <USB/USBAPI.h>

void usbHello(Serial_ *serial) {
  serial->println("hello");
}

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  SerialUSB.begin(115200);
  Serial.begin(115200);
  Serial1.begin(115200);
  Serial2.begin(115200);
  Serial3.begin(115200);
}

void loop() {
  usbHello(&SerialUSB);
  hardHello(&Serial);
  hardHello(&Serial1);
  hardHello(&Serial2);
  hardHello(&Serial3);
  delay(1000);
}

Arduino Zero(Arduino SAMD系)

Arduino ZeroはNativeポートとしてUSBAPIを1つ、プログラミングポートとして使えるUartを1つ、自由に使えるUartを1つ持っています。
UartはHardwareSerialとして利用できます。
SoftwareSerialは利用できません。

PassZero.ino

#include <HardwareSerial.h>
#include <USB/USBAPI.h>

void usbHello(Serial_ *serial) {
  serial->println("hello");
}

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  SerialUSB.begin(115200); // native port
  Serial.begin(115200); // programming port
  Serial1.begin(115200); // 0: RX, 1: TX
}

void loop() {
  usbHello(&SerialUSB);
  hardHello(&Serial);
  hardHello(&Serial1);
  delay(1000);
}

Adafruit M0(Adafruit SAMD系)

Adafruitが出しているM0系のボードは、USBAPIを1つ、自由に使えるUartを1つ持っています。
UartはHardwareSerialとして利用できます。
SoftwareSerialは利用できません。

PassAdafruitM0.ino

#include <HardwareSerial.h>
#include <USB/USBAPI.h>

void usbHello(Serial_ *serial) {
  serial->println("hello");
}

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial1.begin(115200);
}

void loop() {
  usbHello(&Serial);
  hardHello(&Serial1);
  delay(1000);
}

Adafruit M4(Adafruit SAMD系)

AdafruitのM4系ボードは、USBAPIを1つ、自由に使えるUartを1つ、定義によってUartやI2Cなどに利用できるポートを3つくらい持っています。
UartはHardwareSerialとして利用できます。
Uartの定義方法は、Adafruitの解説ページを参考にしてください。
Creating a new Serial | Using ATSAMD21 SERCOM for more SPI, I2C and Serial ports | Adafruit Learning System
SoftwareSerialは利用できません。

PassAdafruitM4.ino

#include <HardwareSerial.h>
#include <Uart.h>
#include <USB/USBAPI.h>

void usbHello(Serial_ *serial) {
  serial->println("hello");
}

void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

// https://learn.adafruit.com/using-atsamd21-sercom-to-add-more-spi-i2c-serial-ports/creating-a-new-serial
Uart uartSerial(&sercom1, 11, 10, SERCOM_RX_PAD_0, UART_TX_PAD_2);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial1.begin(115200);
  uartSerial.begin(115200);
}

void loop() {
  usbHello(&Serial);
  hardHello(&Serial1);
  hardHello(&uartSerial);
  delay(1000);
}

全部の環境に向けてビルドできるプログラム

Arduinoはc言語やc++の記述をプログラムで利用できます。
c言語にはコンパイル前にプログラムの内容を処理するマクロという機能があり、これを利用することで環境ごとにプログラムの内容を変えられます。
全部の環境に向けてビルドできるプログラムをマクロを利用して作ってみました。

PassAll.ino

#include <HardwareSerial.h>

#if !defined(__arm__) && !defined(ESP32)
#include <SoftwareSerial.h>

void softHello(SoftwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

#ifdef ARDUINO_MEGA
SoftwareSerial softSerial(10, 11);
#else
SoftwareSerial softSerial(8, 9);
#endif
#endif

// define hardHello before including SoftwareSerial cause error
void hardHello(HardwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

#if ADAFRUIT_METRO_M4_EXPRESS
#include <Uart.h>

Uart uartSerial(&sercom1, 11, 10, SERCOM_RX_PAD_0, UART_TX_PAD_2);
#endif

#ifdef USBCON
#ifdef __arm__
#include <USB/USBAPI.h>
#else
#include <USBAPI.h>
#endif

void usbHello(Serial_ *serial) {
  serial->println("hello");
}
#endif

// define flag to detect using SerialUSB
#if defined(__arm__) && !defined(ADAFRUIT_FEATHER_M0) && !defined(ADAFRUIT_METRO_M4_EXPRESS)
// adafruit boards don't use SerialUSB
#define USING_SERIAL_USB
#endif

void setup() {
#if !defined(__arm__) && !defined(ESP32)
  softSerial.begin(115200);
#endif

#ifdef USING_SERIAL_USB
  usbHello(&SerialUSB);
#endif

  Serial.begin(115200);

#if defined(USBCON) && !defined(USING_SERIAL_USB)
  Serial1.begin(115200);
#endif
#ifdef ESP32
  Serial1.begin(115200);
  Serial2.begin(115200);
#endif
#if defined(ARDUINO_MEGA) || defined(ARDUINO_DUE)
  Serial1.begin(115200);
  Serial2.begin(115200);
  Serial3.begin(115200);
#endif

#if ADAFRUIT_METRO_M4_EXPRESS
  uartSerial.begin(115200);
#endif
}

void loop() {
#if !defined(__arm__) && !defined(ESP32)
  softHello(&softSerial);
#endif

#ifdef USING_SERIAL_USB
  usbHello(&SerialUSB);
#endif

#if defined(USBCON) && !defined(USING_SERIAL_USB)
  usbHello(&Serial);
#else
  hardHello(&Serial);
#endif

#if defined(USBCON) && !defined(USING_SERIAL_USB)
  hardHello(&Serial1);
#endif
#ifdef ESP32
  hardHello(&Serial1);
  hardHello(&Serial2);
#endif
#if defined(ARDUINO_MEGA) || defined(ARDUINO_DUE)
  hardHello(&Serial1);
  hardHello(&Serial2);
  hardHello(&Serial3);
#endif

#if ADAFRUIT_METRO_M4_EXPRESS
  hardHello(&uartSerial);
#endif
  delay(1000);
}

マクロで切り替えている内容はこちらです。

SoftwareSerial関係

ESP32とSAMとSAMDのボード（ARM系のボード）ではSoftwareSerialを利用しない
Arduino MegaのSoftwareSerialはRXポートとして10を利用する

#if !defined(__arm__) && !defined(ESP32)
#include <SoftwareSerial.h>

void softHello(SoftwareSerial *serial) {
  serial->println("hello");
}

#ifdef ARDUINO_MEGA
SoftwareSerial softSerial(10, 11);
#else
SoftwareSerial softSerial(8, 9);
#endif
#endif

void setup() {
#if !defined(__arm__) && !defined(ESP32)
  softHello(&softSerial);
#endif
}

void loop() {
#if !defined(__arm__) && !defined(ESP32)
  softHello(&softSerial);
#endif
}

USBAPI関係

USBCONが定義されている場合、USBAPIを利用する
SAMとSAMDのボード（ARM系のボード）ではSerial_をUSB/USBAPI.hでincludeする
ArduinoのSAMとSAMDボード（ARM系のボード）ではSerialUSBを利用する
AdafruitのSAMDボードではSerialUSBではなくSerialを利用する
（このプログラムはAdafruitのFeather M0とMetro M4 Expressだけ除外する処理にしています。Adafruitの他のSAMDのボード情報はAdafruitのsamdのboards.txtに載っています。）

#ifdef USBCON
#ifdef __arm__
#include <USB/USBAPI.h>
#else
#include <USBAPI.h>
#endif

void usbHello(Serial_ *serial) {
  serial->println("hello");
}
#endif

// define flag to detect using SerialUSB
#if defined(__arm__) && !defined(ADAFRUIT_FEATHER_M0) && !defined(ADAFRUIT_METRO_M4_EXPRESS)
// adafruit boards don't use SerialUSB
#define USING_SERIAL_USB
#endif

void setup() {
#ifdef USING_SERIAL_USB
  usbHello(&SerialUSB);
#endif

  Serial.begin(115200);

#if defined(USBCON) && !defined(USING_SERIAL_USB)
  Serial1.begin(115200);
#endif
}

void loop() {
#ifdef USING_SERIAL_USB
  usbHello(&SerialUSB);
#endif

#if defined(USBCON) && !defined(USING_SERIAL_USB)
  usbHello(&Serial);
#else
  hardHello(&Serial);
#endif

#if defined(USBCON) && !defined(USING_SERIAL_USB)
  hardHello(&Serial1);
#endif
}

複数のHardwareSerial関係

Mega、DueはSerial1、Serial2、Serial3を利用する
ESP32はSerial1とSerial2を利用する
USBAPIをSerialUSBではなくSerialとして利用するボードは、Serial1をHardwareSerialとして利用する

void setup() {
#ifdef ESP32
  Serial1.begin(115200);
  Serial2.begin(115200);
#endif
#if defined(ARDUINO_MEGA) || defined(ARDUINO_DUE)
  Serial1.begin(115200);
  Serial2.begin(115200);
  Serial3.begin(115200);
#endif
}

void loop() {
#ifdef ESP32
  hardHello(&Serial1);
  hardHello(&Serial2);
#endif
#if defined(ARDUINO_MEGA) || defined(ARDUINO_DUE)
  hardHello(&Serial1);
  hardHello(&Serial2);
  hardHello(&Serial3);
#endif
}

Adafruit M4の機能

Adafruit M4はUartでポートを定義して利用する

#if ADAFRUIT_METRO_M4_EXPRESS
#include <Uart.h>

Uart uartSerial(&sercom1, 11, 10, SERCOM_RX_PAD_0, UART_TX_PAD_2);
#endif

void setup() {
#if ADAFRUIT_METRO_M4_EXPRESS
  uartSerial.begin(115200);
#endif

void loop() {

#if ADAFRUIT_METRO_M4_EXPRESS
  hardHello(&uartSerial);
#endif
}

まとめ

USB通線専用ポートを持つボードのUSBAPIがSerialだったりSerialUSBだったりして切り替えに手間取りましたが、Arduinoで定義されている複数のシリアルを関数の引数として使う方法が分かりました。
動作確認に利用したプログラムは下記のリポジトリで公開します。

asukiaaa/TravisPracticeArduinoLib/examples

「この記述はこうにると、より簡潔になるよ」など、改善案などありましたら、コメントやメッセージをもらえるとありがたいです。

「複数種類のシリアルをサポートしたいけどマクロを多用してまで同じ記述を増やしたくないよ」という方は、シリアルをラップするライブラリを公開してますので、良かったらそちらをお使いください。

asukiaaa/SomeSerial
ArduinoでHardwareSerialもSoftwareSerialもサポートする関数やクラスを作る方法

この情報が何かの参考になれば嬉しいです。

参考

Serial - Arduino Reference
Adapting Sketches to M0 - Adafruit
ArduinoCore-samd/boards.txt

変更履歴

2021.12.31
Streamクラスを使えば大体のシリアルクラスを扱えるという情報共有があったので、更新しました。

試行錯誤な日々

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2019年3月23日土曜日

いろんなArduinoのシリアルを関数の引数として使う方法

背景

使ったもの

Arduino IDE

Arduino IDEで利用できるボード情報

一覧

Streamで受け取れば、printを使う関数を記述可能

Arduino Uno(atmega328p系)

ESP8266

ESP32

Arduino Mega(atmega2560系)

Arduino Leonardo(atmega32u4系)

Arduino Due(Arduino SAM系)

Arduino Zero(Arduino SAMD系)

Adafruit M0(Adafruit SAMD系)

Adafruit M4(Adafruit SAMD系)

全部の環境に向けてビルドできるプログラム

まとめ

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