Знакомство с контроллером Arduino.

«Робототехника». Уровень 4. Занятие 6. Тема занятия: Описание Arduino Uno Продолжительность занятия: 2 часа. Arduino Uno    Общие сведения Arduino Uno контроллер построен на ATmega328 (техническое описание,  pdf). Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут  использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый  генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку  перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру  посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC  или батареи. В отличие от всех предыдущих плат, использовавших FTDI USB  микроконтроллер для связи по USB, новый Ардуино Uno использует  микроконтроллер ATmega8U2 (техническое описание, pdf). "Uno" переводится как один с итальянского и разработчики тем самым  намекают на грядущий выход Arduino 1.0. Новая плата стала флагманом  линейки плат Ардуино. Для сравнения с предыдущими версиями можно  обратиться к полному списку плат Arduino. Характеристики   Микроконтроллер Рабочее напряжение Входное напряжение (рекомендуемое) Входное напряжение (предельное) Цифровые Входы/Выходы Аналоговые входы Постоянный ток через вход/выход Постоянный ток для вывода 3.3 В Флеш­память                                                        ATmega328 5 В 7­12 В 6­20 В 14 (6 из которых могут  использоваться как  выходы ШИМ) 6 40 мА 50 мА 32 Кб (ATmega328) из которых 0.5 Кб используются для  загрузчика ОЗУ                                                                          2 Кб (ATmega328) EEPROM 1 Кб (ATmega328) 16 МГц Тактовая частота Схема и исходные данные Файлы EAGLE: arduino­duemilanove­reference­design.zip Принципиальная схема: arduino­duemilanove­schematic.pdf Питание Arduino Uno может получать питание через подключение USB или от  внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически. Внешнее питание (не USB) может подаваться через преобразователь  напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей.  Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с  центральным положительным полюсом. Провода от батареи подключаются к  выводам Gnd и Vin разъема питания. Платформа может работать при внешнем питании от 6 В до 20 В. При  напряжении питания ниже 7 В, вывод 5V может выдавать менее 5 В, при этом  платформа может работать нестабильно. При использовании напряжения  выше 12 В регулятор напряжения может перегреться и повредить плату.  Рекомендуемый диапазон от 7 В до 12 В. Выводы питания:     VIN. Вход используется для подачи питания от внешнего источника (в  отсутствие 5 В от разъема USB или другого регулируемого источника  питания). Подача напряжения питания происходит через данный вывод. 5V. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания  микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может подаваться от  вывода VIN через регулятор напряжения, или от разъема USB, или другого  регулируемого источника напряжения 5 В.  3V3. Напряжение на выводе 3.3 В генерируемое встроенным  регулятором на плате. Максимальное потребление тока 50 мА. GND. Выводы заземления. Память Микроконтроллер ATmega328 располагает 32 кБ флэш памяти, из которых  0.5 кБ используется для хранения загрузчика, а также 2 кБ ОЗУ (SRAM) и 1  Кб EEPROM.(которая читается и записывается с помощью библиотеки  EEPROM). Входы и Выходы Каждый из 14 цифровых выводов Uno может настроен как вход или выход,  используя функции   pinMode(), digitalWrite(), и digitalRead() . Выводы  работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (по умолчанию отключен) 20­50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые  выводы имеют особые функции:  Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для  получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы подключены к        соответствующим выводам микросхемы последовательной шины ATmega8U2  USB­to­TTL. Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут быть  сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на  переднем или заднем фронте, или при изменении значения. Подробная  информация находится в описании функции attachInterrupt(). ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с  разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite(). SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Посредством данных  выводов осуществляется связь SPI, для чего используется библиотека SPI. LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу  13. Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит.  На платформе Uno установлены 6 аналоговых входов (обозначенных как A0 ..  A5), каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных  значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В  относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний  предел посредством вывода AREF и функции analogReference(). Некоторые  выводы имеют дополнительные функции: I2C: 4 (SDA) и 5 (SCL). Посредством выводов осуществляется связь  I2C (TWI), для создания которой используется библиотека Wire. Дополнительная пара выводов платформы: AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с  функцией analogReference(). Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает  микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки  перезагрузки на плате расширения, закрывающей доступ к кнопке на самой  плате Arduino. Обратите внимание на соединение между выводами Arduino и портами  ATmega328. Связь На платформе Arduino Uno установлено несколько устройств для  осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или  микроконтроллерами. ATmega328 поддерживают последовательный  интерфейс UART TTL (5 В), осуществляемый выводами 0 (RX) и 1 (TX).  Установленная на плате микросхема ATmega8U2 направляет данный  интерфейс через USB, программы на стороне компьютера "общаются" с  платой через виртуальный COM порт. Прошивка ATmega8U2 использует  стандартные драйвера USB COM, никаких сторонних драйверов не требуется, но на Windows для подключения потребуется файл ArduinoUNO.inf.   Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino  позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к  платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче  данных через микросхему FTDI или USB подключение (но не при  использовании последовательной передачи через выводы 0 и 1).  Библиотекой SoftwareSerial возможно создать последовательную передачу  данных через любой из цифровых выводов Uno. ATmega328 поддерживает интерфейсы I2C (TWI) и SPI. В Arduino включена  библиотека Wire для удобства использования шины I2C. Программирование Платформа программируется посредством ПО Arduino. Из меню Tools >  Board выбирается «Arduino Uno» (согласно установленному  микроконтроллеру). Подробная информация находится  в справочнике и инструкциях. Микроконтроллер ATmega328 поставляется с записанным загрузчиком,  облегчающим запись новых программ без использования внешних  программаторов. Связь осуществляется оригинальным протоколом STK500. Имеется возможность не использовать загрузчик и запрограммировать  микроконтроллер через выводы ICSP (внутрисхемное программирование).  Подробная информация находится в данной инструкции. Автоматическая (программная) перезагрузка Uno разработана таким образом, чтобы перед записью нового кода  перезагрузка осуществлялась самой программой Arduino на компьютере, а не  нажатием кнопки на платформе. Одна из линий DTR микросхемы  ATmega8U2, управляющих потоком данных (DTR), подключена к выводу  перезагрузки микроконтроллеру ATmega328 через 100 нФ  конденсатор. Активация данной линии, т.е. подача сигнала низкого уровня,  перезагружает микроконтроллер. Программа Arduino, используя данную  функцию, загружает код одним нажатием кнопки Upload в самой среде  программирования. Подача сигнала низкого уровня по линии DTR  скоординирована с началом записи кода, что сокращает таймаут загрузчика. Функция имеет еще одно применение. Перезагрузка Uno происходит каждый  раз при подключении к программе Arduino на компьютере с ОС Mac X или  Linux (через USB). Следующие полсекунды после перезагрузки работает  загрузчик. Во время программирования происходит задержка нескольких  первых байтов кода во избежание получения платформой некорректных  данных (всех, кроме кода новой программы). Если производится разовая  отладка скетча, записанного в платформу, или ввод каких­либо других  данных при первом запуске, необходимо убедиться, что программа на  компьютере ожидает в течение секунды перед передачей данных. На Uno имеется возможность отключить линию автоматической перезагрузки  разрывом соответствующей линии.   Контакты микросхем с обоих концов  линии могут быть соединены с целью восстановления. Линия маркирована  «RESET­EN». Отключить автоматическую перезагрузку также возможно  подключив резистор 110 Ом между источником 5 В и данной линией. Токовая защита разъема USB В Arduino Uno встроен самовосстанавливающийся предохранитель (автомат), защищающий порт USB компьютера от токов короткого замыкания и  сверхтоков. Хотя практически все компьютеры имеют подобную защиту, тем  не менее, данный предохранитель обеспечивает дополнительный  барьер. Предохранитель срабатывает при прохождении тока более 500 мА  через USB порт и размыкает цепь до тех пока нормальные значения токов не  будут восстановлены. Физические характеристики Длина и ширина печатной платы Uno составляют 6.9 и 5.3 см соответственно.  Разъем USB и силовой разъем выходят за границы данных размеров. Четыре  отверстия в плате позволяют закрепить ее на поверхности. Расстояние между  цифровыми выводами 7 и 8 равняется 0,4 см, хотя между другими выводами  оно составляет 0,25 см.