Arduino Uno на базе процессора ATmega AVR

Arduino Uno – это плата, построенная на базе процессора ATmega AVR. В зависимости от конкретной модели платы используются различные микроконтроллеры, на момент написания статьи самой распространённой является версия R3.

Плату используют для обучения, разработки, создания рабочих макетов устройств. Ардуино, по своей сути, – это AVR микроконтроллер с возможностью упрощенного программирования и разработки. Это достигнуто с помощью специально подготовленного загрузчика, прошитого в память МК, и фирменной среды разработки.

Характеристики и строение Arduino Uno R3

В основе платы лежит процессор ATmega 328. Кроме него на плате находится модуль USB для связи с компьютером и прошивки. Этот модуль называется «USB-TTL преобразователь». На фирменных платах Arduino Uno для этой целей используется дополнительный микроконтроллер ATmega16U2.

Особенность этого чипа заключается в аппаратной поддержке USB, что позволяет организовывать связь без дополнительных преобразователей. В то время как ATmega328 не поддерживает такой функции, поэтому 16u2 выступает в роли преобразователя данных из USB в последовательный порт для МК AVR. В него залита программа для выполнения этой задачи.

Однако так происходит не всегда: в более мелких платах, таких как Arduino Nano, используют преобразователи уровней на базе различных микросхем, например FT232, CP21XX, Ch340g и подобных. Это решение является более дешевым и не требует прошивки дополнительного связывающего контроллера, как описано выше.

Интересно! Стоит отметить, что не всё так однозначно: DCcduino UNO r3 на ch340g. В ней как раз и использован более дешевый, чем в оригинале, вариант преобразователя USB-TTL.

На плате есть выход 3.3 В, он нужен для подключения периферии и некоторых датчиков, его пропускная способность по току равна 50 мА.

Микроконтроллер Arduino Uno содержит 32 кб флэш-памяти, из которой пользователю доступно 31.5 кб, потому как 0.5 занимает загрузчик. ОЗУ – 2 кб и 1 кб памяти EEPROM. АТМЕГА 328 работает на частоте 16 МГц. Она фиксирована кварцевым резонатором, который вы можете, по желанию, заменить, тем самым ускорив работу Uno r3.

Важно!После замены кварцевого резонатора функции, связанные со временем, такие как Delay, не будут соответствовать введенным значениям. Это функция задержки времени, по умолчанию её аргументом является требуемое время задержки в мс. Функция прописана в библиотеках Ардуино, с учетом стандартной тактовой частоты в 16 МГц. Поэтому после замены кварца заданное время не будет соответствовать написанному. Для этого нужно либо подбирать опытным путем и устанавливать зависимости, либо править файлы библиотек.

Как осуществляется питание платы?

Чтобы включить плату, нужно на неё подать питание либо от USB порта, можно прямо от ПК, либо от внешнего источника питания – от 7 до 15 Вольт. На плате установлен линейный стабилизатор, типа L7805, или же LDO. Он нужен для того, чтобы на микроконтроллер подавалось стабилизированное напряжение 5 В.

Смотрите также  Делаем атмосферную лампу с помощью Arduino

При этом приоритетно выбирается внешний источник питания, а не ЮСБ-порт. Внешнее питание подключается к выводу с пометкой «Vin» в разделе Power на плате.

Расположение выводов (пинов) на плате

Разработчики платы Arduino очень удобно и логично расположили выводы платы. Дело в том, что при разработке на «чистых» МК АВР приходилось обращаться к выводу порта, для этого нужно было запомнить название каждой ножки на чипе. Здесь это гораздо проще. На самой плате указано название каждого из пинов. Удобства добавляет и то, что пины разбиты на 3 группы:

  1. Digital – блок цифровых пинов.
  2. Analog – блок аналоговых пинов.
  3. Power – блок пинов, которые связаны с питанием и работой микросхемы.

При этом в разделе Digital пины, которые могут выдавать ШИМ (PWM)-сигнал, помечены тильдой «~». Для служебных целей и проверки работоспособности контроллера на плате установлен светодиод, который подключен к 13-му выводу, а из среды разработки Arduino IDE к нему можно обращаться через встроенную директиву LED_BUILTIN. Такие схемы расположения пинов называются «Arduino UNO pinout», при этом, вместо UNO, может быть указано название другой платы, которая вас интересует.

Микроконтроллер имеет 14 цифровых пинов, они могут быть использованы, как вход или выход. Из них 6 могут выдавать ШИМ-сигнал. Они нужны для регулировки мощности в нагрузке и других функций. Вызов ШИМ-сигнала осуществляется через команду AnalogWrite (номер ножки, значение от 0 до 255). Для работы с аналоговыми датчиками присутствует 6 аналоговых входов/выходов. Их тоже можно использовать, как цифровые.

Аналоговый сигнал обрабатывается 10 битным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), а при чтении микроконтроллер выдаёт численное значение от 0 до 1024. Это равно максимальному значению, которое можно записать в 10 битах. Каждый из выводов способен выдать постоянный ток до 40 мА.

Работа Arduino в комплексе с другими системами

Самое первое, с чем вы можете познакомиться, даже без приобретения дополнительных устройств для разработки – это связь по последовательному порту. Он активируется по команде Serial.begin (скорость, например 9600). Подробно о каждой команде вы можете прочитать в обучающем разделе на официальном сайте проекта Arduino.ru. Вы можете обмениваться с компьютером информацией. Плата, в зависимости от программного кода, может вам присылать данные, а вы их, через монитор портов в Arduino IDE, можете читать.

Смотрите также  Введение в C# Sharp: программирование простым языком

Кроме последовательного порта, в ардуино UNO реализована поддержка таких интерфейсов:

  • I2C;
  • SPI.

Через них можно осуществлять «общение» между несколькими платами, а также подключать разную периферию: датчики и дисплеи.

Платы расширения Arduino Shields что это такое?

В магазинах, специализирующихся на робототехнике и микроконтроллерах, можно встретить слово "шилд". Это специальная плата, которая напоминает Arduino Uno. Совпадает она с ней не только по форме, но и по количеству выводов.

Шилд устанавливается в клеммные колодки, при этом часть их них задействуется под функции шилда, а другая часть остаётся свободной для использования в проекте. В результате вы можете получить такой себе многоэтажный «бутерброд» из плат, которые реализуют множество функций.

Одним из самых популярных является Arduino Ethernet Shield. Он нужен для связи с ардуино по обычному сетевому кабелю, витой паре. На нём расположен разъём rj45.

С подобным шилдом можно управлять вашим микроконтроллером по сети через веб-интерфейс, а также считывать параметры с датчиков, не отрываясь от компьютера. Существуют проекты с использованием такого комплекта в домашнем облачном хранилище, с ограничением по скорости, всё-таки Атмега328 слабовата для таких задач, и для этого лучше подойдут одноплатные компьютеры типа Raspberry pi.

Как преодолеть аппаратные ограничения платформы Arduino?

Большинство распространённых плат имеют аналогичные характеристики, среди них:

  • Uno;
  • Nano;
  • Pro mini;
  • и подобные.

Но с развитием ваших навыков разработки в этой среде появляется проблема нехватки мощности и быстродействия этой платформы. Первым шагом для преодоления ограничений является использование языка C AVR.

С его помощью вы ускорите на порядок скорость обращения к портам, частоту ШИМ и размер кода. Если вам и этого недостаточно, то вы можете воспользоваться мощными моделями с аналогичным подходом к разработке. Для этого подойдёт плата Arduino mega2560. Еще более мощная – модель Due. В противном случае вам стоит ознакомиться с разновидностями одноплатных компьютеров и STM микроконтроллеров.

Выводы

Ардуино – это открытый проект для изучения устройств цифровой электроники, его авторы поделились с миром печатными платами, принципиальными схемами и программным кодом загрузчика.

Это даёт возможность вам без труда повторить плату в домашних условиях, если вы энтузиаст или у вас нет возможности приобрести фирменный экземпляр.