Как устроен Arduino

В общих чертах устройство Arduino-подобной платы представлено на следующей диаграмме:

Рассмотрим перечисленные составляющие попунктно, двигаясь согласно диаграммы по часовой стрелке, начиная с разъёма USB-B. Итак,

Разъём USB-B

Коннектор шины USB, в данном случае "папа" типа B. Предназначен для подключения Arduino по шине USB в качестве slave-устройства к различным USB-хостам (например, к компьютеру).

USB-to-USART

Микросхема-преобразователь, позволяющая организовать линию передачи данных формата USART по шине USB.

На разных платах Arduino эти микросхемы различаются. Например, в Duemilanove (на фото) используется чип FTDI USB<->USART, а например в Uno и Mega 2560 это преобразование выполняет специально запрограммированный микроконтроллер ATmega8U2.

Светодиод D13

Светодиод, подключенный через токоограничительный резистор к выводу Digital 13. Можно сказать, что это главный мигательный светодиод Arduino, во всяком случае на моей Duemilanove скетч примера Blink мигает именно этим светодиодом.

Светодиоды TX/RX

Светодиоды индикации Transmitter Exchages и Receiver Exchanges, подключенные к выводам чипа USB-to-RS232. Когда светится светодиод TX, это означает, что Arduino передаёт данные хосту, и наоборот - при приёме данных Arduino от хоста светится светодиод RX. Таким образом маркировка TX означает "я передаю (Transmit) данные", а RX означает "я принимаю (Receive) данные".

Выводы Digital

Тринадцать цифровых контактов портов ввода-вывода D и B микроконтроллера ATmega328p, к которым добавлены контакты GND (земля) и AREF (Analog Reference Voltage -- Аналоговое Сравнительное Напряжение), сгруппированные в две гребёнки типа 8x1 с шагом 2.54 мм (0.1 дюйма).

Выводы Digital 0..7 соответствуют порту ввода-вывода D, а выводы Digital 8..13 младшим пяти разрядам порта ввода-вывода B.

Светодиод PWR

Красивый зелёненький светодиодик индикации шины питания +5 Вольт. Когда он светится, это означает, что схема включена, причём в правильной полярности включена. Если схема включена, а светодиодик почему-то не светится, то стоит принюхаться, по всем признакам должен присутствовать запах горелой изоляции.

Оснащать плату светодиодом индикации питания -- это функция настолько полезная по моему мнению, что я все свои платы, даже сравнительно простые модули, обязательно данной функцией оснащаю. Хотя по идее их вообще должно быть два: "напряжение подано" и "плата успешно запитана", и двухцветные леды ST Microelectronics показали мне, что очень даже правильно делать именно так, другой вопрос -- наличие таких светодиодов в свободной продаже, но это уже другой вопрос.

Кнопка сброса

При нажатии и отпускании этой кнопки с говорящей подписью RESET (на Mega 2560) или ничего не говорящей подписью S1 (на Duemilanove) производится перезапуск микроконтроллера. При удержании низкого сигнала микроконтроллер можно перепрограммировать через выводы разъёма ICSP благодаря встроенной функции ISP (In-System Programming).

Разъём ICSP

Шесть выводов разъёма ICSP представляют собой интерфейс SPI за исключением сигнала SS (Slave Select -- Выбор Исполнительного Устройства). Посредством данного интерфейса можно программировать микроконтроллер Arduino, минуя загрузчик bootloader, либо если требуется прошить новую версию загрузчика или управляющие биты FUSE.

Микроконтроллер ATmega328p

Ядром Arduino как платы является микроконтроллер, в случае с Duemilanove это ATmega328p. Подробнее о том, как устроен сам микроконтроллер, можно прочитать в статье Микроконтроллер Arduino.

Выводы Analog In

Младшие шесть разрядов порта ввода-вывода C микроконтроллера ATmega328p сгруппированы в контактную группу Analog In.

Название группы (по-русски Аналоговый Ввод) этих контактов может смутить, но дело в том, что эти выводы микроконтроллера совмещены со входами каналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Arduino, так что любой из них может использоваться либо как обычный цифровой пин ввода-вывода, либо как входной вывод канала АЦП. Поэтому они промаркированы на плате как Analog In, что несколько сбивает с толку начинающего -- можно ли их использовать для цифрового вывода.

Для цифрового можно, аналоговый -- только ввод.

Выводы Power

В этой контактной гребёнке сгруппированы напряжения питания, земля и сигнал сброса.

Сигнал +3.3 Вольт можно использовать только как reference voltage, поскольку происходит это напряжение с reference-вывода чипа FTDI USB<->RS-232. И хотя на платах c USB через ATmega8U2 для совместимости ставится LDO-регулятор, который способен обеспечить ток в 0.15 Ампер, хорошей практикой для шилдов Arduino является именно взять с Arduino +5 Вольт и через регулятор получить питающие +3.3 Вольт.

Сигнал сброса является не только выходом, но и входом, плату можно сбрасывать, используя этот контакт. С остальными контактами ситуация следующая:

Vin -- ввод и вывод
Gnd -- земля
5V -- вывод; ввод только в случае, если не требуется гарантировать бесперебойное выполнение скетча в ситуации, когда USB было подключено, а затем снова отключено
3V3 -- вывод
RESET -- ввод и вывод

Блок питания

Почти четверть площади платы занимают элементы блока питания Arduino. Но популярность решения такова, что скорее всего чип где-то кем-то, возможно просто запатентован неудачно.

Разъём питания

Максимальное входное напряжение, подаваемое на этот разъём или контакт Vin, равно 20 Вольтам. Не забыть добавить диод.

Резонатор 16МГц

Кварцевый резонатор 16МГц, выравнивающий частоту импульсов основной тактовой частоты микроконтроллера. Читал я в Сети, что его можно выпаять, впаять кристалл на 20 МГц, перепрошить загрузчик bootloader, и что вроде как работает, даже не греется. Но увы, дело тут не в перегреве, а во внутреннем исполнении микросхемы. Так что на +5В оно возможно и работает, а если батарейка сядет до +4В, будет ли работать -- вот в чём печаль.

См. также

Автор: Андрей Шаройко <vanyamboe@gmail.com>

Google Sites

Report abuse