Разные платы Arduino: распиновка и схема подключения

Рассматриваем схемы подключения и распиновку плат Arduino Uno, Mini, Mega 2560, Micro, основные характеристики.

1. Плата Arduino Uno

Слово Uno переводится с итальянского языка, как «один». Устройство названо в связи с началом выпуска Arduino 1.0.

Другими словами, Uno является эталонной моделью для всей платформы типа Arduino. Это последнее устройство в серии плат USB, доказавшее свою эффективность и проверенное временем.

Arduino Uno создано на микроконтроллере типа ATmega 328 (datasheet).

Его состав следующий:

• количество цифровых входов и выходов составляет 14 (а шесть из них имеется возможность использовать как выходы ШИМ);
• число аналоговых входов составляет шесть;
• 16 МГц – кварцевый резонатор;
• имеется разъём для питания;
• есть разъём, предназначенный для ICSP-программирования внутри самой схемы;
• присутствует кнопка для сброса.

Крайне важно отметить, что отличительной особенностью всех новых плат arduino является использование для интерфейсов USB–UART микроконтроллера типа ATmega 16U2 (или ATmega 8U2 в версиях R1, R2) вместо устаревшей микросхемы типа FTDI.

Плата Uno по версии R2 снабжается дополнительным подтягивающим к земле резистором на линии HWB применяемого микроконтроллера.

Распиновка выглядит следующим образом:

1. Последовательный интерфейс использует шины №0 (RX – получение данных), №1 (TX – передача данных).
2. Для внешнего прерывания используются выводы №2, №3.
3. Для ШИМ используются выводы за номерами 3,5, 6, 9, 10, 11. Функция analog Write обеспечивает разрешение в 8 бит.
4. Связь посредством SPI: контакты №10 (SS), №11 (MOSI), №12 (MISO), №13 (SCK).
5. Вывод №13 запитывает светодиод, который загорается при высоком потенциале.
6. Uno оснащена 6 аналоговыми входами (A0 – A5), которые имеют разрешение в 10 бит.
7. Для изменения верхнего предела напряжения используется вывод AREF (функция analog Reference).
8. Связь I2C (TWI, библиотека Wire) осуществляется через выводы №4 (SDA), №5 (SCL).
9. Вывод Reset – перезагрузка микроконтроллера.

2. Плата Arduino Uno R3

Устройство построено на микроконтроллере АTmega16U2 и имеет повышенный уровень помехоустойчивости по цепи сброса.

Устройство отличается от предыдущей версии лишь тем, что в этом случае не используется интерфейс USB-UART FTDI при подключении к компьютеру. Эту задачу выполняет выполняет сам микроконтроллер ATmega 16U2.

Изменения распиновки платы выглядят следующим образом:

1. Возле вывода AREF добавлены два пина: SDA, SCL.
2. Возле пина RESET также добавлены два вывода: IOREF, позволяющий подключать платы расширения с подстройкой под необходимое напряжение; второй вывод не используется и находится в резерве.

3. Плата Arduino Mini

Является одной из самых простых и удобных устройств Arduino.

Используется микроконтроллер ATmega 168 с рабочим напряжением на 5 вольт с частотой в 16 МГц. Максимальное напряжение питания в моделях составляет 9 вольт. Значение максимального тока на выводах составляет 40 mA.

Плата содержит:

• 14 цифровых выводов (из них 6 могут быть использованы в качестве ШИМ-выходов), могут применяться в качестве как входа, так и выхода;
• 8 аналоговых входов (4 из них оснащены выводами);
• 16 МГц – кварцевый генератор.

Пины устройства Arduino Mini имеют следующее предназначение:

1. Два вывода, посредством которых осуществляется питание платы «плюс»: RAW, VCC.
2. Вывод контакта «минус» – пин GND.
3. Выводы под номерами 3, 5, 6, 9, 10, 11 используются для ШИМ при применении функции analog Write.
4. К выводам №0, №1 можно подключать другие устройства.
5. Аналоговые входы №0 – №3 с выводами.
6. Аналоговые входы №4 – №7 не имеют выводов и требуют пайки при необходимости.
7. Вывод AREF, который предназначен для изменения верхнего напряжения.
8. Вывод Reset – перезагрузка микроконтроллера.

Расположение выводов в различных версиях arduino mini могут различаться.

4. Плата Arduino Mega 2560

Устройство Arduino Mega 2560 собрано на микроконтроллере ATmega 2560 (datasheet), является обновлённой версией Arduino Mega.

Для осуществления преобразования USB–UART-интерфейсов используется новый микроконтроллер ATmega 16U2 ( либо ATmega 8U2 для версий плат R1 или R2).

Состав платы следующий:

• количество цифровых входов/выходов составляет 54 (15 из них можно использовать в роли выходов-ШИМ);
• число аналоговых входов – 16;
• реализация последовательных интерфейсов производится посредством 4 аппаратных приёмопередатчиков UART;
• 16 МГц – кварцевый резонатор;
• USB-разъём;
• питающий разъём;
• внутрисхемное программирование осуществляется через ICSP-разъём;
• кнопка для сброса.

В устройстве Mega 2560 R2-версии добавлен специальный резистор, подтягивающий HWB-линию 8U2 к земле, что позволяет значительно упростить переход Arduino в DFU-режим, а также обновление прошивки. Версия R3 незначительно отличается от предыдущих. Изменения в устройстве следующие:

• добавлены четыре вывода – SCL, SDA, IOREF (для осуществления совместимости по напряжению различных расширительных плат) и ещё один резервный вывод, пока не используемый;
• повышена помехоустойчивость по цепи сброса;
• увеличен объём памяти;
• ATmega8U2 заменён на микроконтроллер ATmega16U2.

Выводы Arduino Mega 2560R3 предназначаются для следующего:

1. Имеющиеся цифровые пины могут служить входом-выходом. Напряжение на них – 5 вольт. Каждый пин обладает подтягивающим резистором.
2. Аналоговые входы не оснащены подтягивающими резисторами. Работа основана на применении функции analog Read.
3. Количество выводов ШИМ составляет 15. Это цифровые выводы №2 – №13, №44 – №46. Использование ШИМ производится через функцию analog Write.
4. Последовательный интерфейс: выводы Serial: №0 (rx), №1 (tx); выводы Serial1: №19 (rx), №18 (tx); выводы Serial2: №17 (rx), №16 (tx); выводы Serial3: №15 (rx), №14 (tx).
5. Интерфейс SPI оборудован выводами №53 (SS), №51 (MOSI), №50 (MISO), №52 (SCK).
6. Вывод №13 – встроенный светодиод.
7. Пины для осуществления связи с подключаемыми устройствами: №20 (SDA), №21 (SCL).
8. Для внешних прерываний (низкий уровень сигнала, другие изменения сигнала) используются выводы №2 , №3, №18, №19, №20, №21.
9. Вывод AREF задействуется командой analog Reference и предназначается для регулирования опорного напряжения аналоговых входных пинов.
10. Вывод Reset. Предназначен для формирования незначительного уровня (LOW), что приводит к перезагрузке устройства (кнопка сброса).

5. Плата Arduino Micro

Arduino Micro представляет собой устройство, основа которого построена на микроконтроллере ATmega 32u4, имеющем встроенный USB-контроллер. Это решение упрощает подключение платы к компьютеру, так как в системе устройство будет определяться как обычная клавиатура, мышь либо COM-порт. Состав устройства следующий:

• количество входов/выходов – 20 (имеется возможность 7 из них использовать как ШИМ-выходы, а 12 – в роли входов аналогового типа); резонатор кварцевый, настроенный на 16 МГц;
• micro-USB-разъём;
• ICSP-разъём, предназначенный для проведения внутреннего программирования;
• кнопка для сброса.

Все цифровые выводы изделия могут работать в качестве как входов, так и выходов благодаря наличию функций digital Read, pin Mode, digital Write. Напряжение на выводах составляет 5 вольт. Максимальная величина потребляемого или отдаваемого тока с одного вывода составляет 40 мА. Выводы сопрягаются с внутренними резисторами, которые по умолчанию находятся в отключенном состоянии. Они имеют номиналы в 20 кОм – 50 кОм. Отдельные выводы arduino micro, кроме основных, способны выполнять и ряд дополнительных функций:

1. В последовательном интерфейсе выводы №0 (RX), №1 (TX) применяются для приёма (RX), а также передачи (TX) необходимых данных через встроенный аппаратный приёмопередатчик. Функция актуальна для arduino micro класса Serial. В других случаях связь осуществляется через соединение USB (CDC).
2. Интерфейс TWI включает выводы микроконтроллера №2 (SDA) и №3 (SCL). Позволяют использовать данные библиотеки Wire.
3. Выводы под номерами 0, 1, 2, 3 могут быть использованы в роли источников возникающих прерываний. К таковым относятся низкий уровень сигнала; прерывания по фронту, по спаду, при изменении уровня сигнала.
4. Выводы под номерами 3, 5, 6, 9, 10, 11,13 при использовании функции analog Write способны выводить аналоговый ШИМ-сигнал в 8 бит.
5. К SPI-интерфейсу относятся выводы на разъёме ICSP. Они не соединяются с цифровыми выводами на плате.
6. Дополнительный вывод RX LED/SS, который соединён со светодиодом. Последний индицирует процесс по передаче данных с использованием USB. Этот вывод может быть использован при работе с интерфейсом SPI для вывода SS.
7. Вывод №13 – светодиод, который включается при отправке данных HIGH и выключается при значениях LOW.
8. Выводы A0 – A5 (отмечены на плате) и A6 – A11 (соответствуют цифровым выводам за номерами 4, 6, 8, 9, 10,12) являются аналоговыми.
9. Вывод AREF позволяет изменять верхнее значение аналогового напряжения на вышеуказанных выводах. При этом используется функция analog Reference.
10. С помощью вывода Reset формируется низкий уровень (LOW) и происходит перезагрузка микроконтроллера (кнопка сброса).