Понимание Arduino UNO Hardware Design

1. Обзор компонентов
2. Код пакета SMD для дискретных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности....
3. Arduino UNO Обзор системы
4. Распространяемая версия оригинальной схемы Arduino. Нажмите, чтобы увеличить.
5. Микроконтроллер
6. Пакеты:
7. Два разных пакета ATmega328. Изображения предоставлены SparkFun а также Wikimedia ,
8. Мощность:
9. Цифровой ввод / вывод:
10. Распиновка ATmega168 с метками Arduino; ATmega168 и ATmega328 совместимы по выводам. Изображение предоставлено Arduino ,
11. Распиновка Arduino UNO R3. Изображение предоставлено GitHub ,
12. Блок-схема ATmega328.
13. Настройки внутреннего регистра для выбора источника Vref.
14. Периферийное устройство UART:
15. Периферийные устройства SPI:
17. Другая функциональность:
18. Arduino UNO R3 MCU часть.
19. Мост USB-UART
20. Сила
21. Механизм переключения источника питания. Нажмите, чтобы увеличить.
22. VIN-контакт от разъема питания. Нажмите, чтобы увеличить.

Эта статья объясняет, как Arduino работает с точки зрения электронного дизайна.

Большинство статей объясняют программное обеспечение Arduinos. Однако, понимание аппаратного дизайна поможет вам сделать следующий шаг в путешествии Arduino. Хорошее понимание электронного дизайна вашего оборудования Arduino поможет вам узнать, как встроить Arduino в дизайн конечного продукта, включая то, что сохранить и что исключить из вашего первоначального дизайна.

Обзор компонентов

В конструкции платы Arduino UNO используются компоненты SMD (устройства поверхностного монтажа). Я вошел в мир поверхностного монтажа много лет назад, когда углубился в дизайн PCB Arduino, когда был частью команды, занимающейся редизайном Сделай сам клон для Arduino UNO.

Интегральные схемы используют стандартизированные пакеты, и существуют семейства для пакетов.

Размеры многих SMD-резисторов, конденсаторов и светодиодов указаны кодами упаковки, такими как следующие:

Код пакета SMD для дискретных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Изображение предоставлено Wikimedia ,

Большинство пакетов являются общими и могут использоваться для разных частей с различной функциональностью. Например, корпус SOT-223 может содержать транзистор или регулятор.

В таблице ниже вы можете увидеть список некоторых компонентов в Arduino UNO с соответствующим пакетом:

Arduino UNO Обзор системы

Прежде чем мы сможем понять аппаратные средства UNO, у нас должен быть общий обзор системы сначала.

После того, как ваш код скомпилирован с использованием Arduino IDE, он должен быть загружен в основной микроконтроллер Arduino UNO через USB-соединение. Поскольку основной микроконтроллер не имеет приемопередатчика USB, вам необходим мост для преобразования сигналов между последовательным интерфейсом (интерфейсом UART) микроконтроллера и сигналами USB-хоста.

Мостом в последней версии является ATmega16U2, который имеет приемопередатчик USB, а также последовательный интерфейс (интерфейс UART).

Для питания платы Arduino вы можете использовать USB в качестве источника питания. Другой вариант - использовать разъем постоянного тока. Вы можете спросить: «Если я подключу адаптер постоянного тока и USB, который будет источником питания?» Ответ будет обсуждаться в разделе «Питание» этой статьи.

Чтобы сбросить вашу доску, вы должны использовать кнопку на доске. Другим источником сброса должен быть каждый раз, когда вы открываете последовательный монитор из Arduino IDE.

Я перераспределил оригинальную схему Arduino UNO, чтобы быть более читабельным ниже. Я советую вам загрузить его и открыть печатную плату и схему с помощью Eagle CAD, пока вы читаете эту статью.

Распространяемая версия оригинальной схемы Arduino. Нажмите, чтобы увеличить.

Файлы схемы

Микроконтроллер

Важно понимать, что плата Arduino включает в себя микроконтроллер, и именно этот микроконтроллер выполняет инструкции вашей программы. Если вы знаете это, вы больше не будете использовать общую бессмысленную фразу «Arduino - это микроконтроллер».

Микроконтроллер ATmega328 - это микроконтроллер, используемый в Arduino UNO R3 в качестве основного контроллера. ATmega328 является MCU из семейства AVR; это 8-битное устройство, что означает, что его архитектура шины данных и внутренние регистры предназначены для обработки 8 параллельных сигналов данных.

ATmega328 имеет три типа памяти:

• Флэш-память: 32 КБ энергонезависимой памяти. Это используется для хранения приложения, что объясняет, почему вам не нужно загружать приложение каждый раз, когда вы отключаете Arduino от источника питания.

• Память SRAM: энергозависимая память 2 КБ. Это используется для хранения переменных, используемых приложением во время его работы.

• Память EEPROM: энергонезависимая память 1 КБ. Это может использоваться для хранения данных, которые должны быть доступны даже после выключения платы, а затем снова.

Давайте кратко рассмотрим некоторые характеристики этого MCU:

Пакеты:

Этот MCU представляет собой пакет DIP-28, что означает, что он имеет 28 контактов в пакете с двумя встроенными разъемами. Эти контакты включают в себя контакты питания и ввода / вывода. Большинство выводов являются многофункциональными, что означает, что один и тот же вывод может использоваться в разных режимах в зависимости от того, как вы настроили его в программном обеспечении. Это уменьшает необходимое количество выводов, поскольку микроконтроллер не требует отдельного вывода для каждой функции. Это также может сделать ваш дизайн более гибким, потому что одно соединение ввода / вывода может обеспечить несколько типов функциональности.

Доступны другие пакеты ATmega328, такие как TQFP-32 SMD (Surface Mount Device).

Два разных пакета ATmega328. Изображения предоставлены SparkFun а также Wikimedia ,

Мощность:

MCU принимает напряжение питания от 1,8 до 5,5 В. Однако существуют ограничения по рабочей частоте; например, если вы хотите использовать максимальную тактовую частоту (20 МГц), вам необходимо напряжение питания не менее 4,5 В.

Цифровой ввод / вывод:

Этот MCU имеет три порта: PORTC, PORTB и PORTD. Все контакты этих портов могут использоваться для цифрового ввода-вывода общего назначения или для альтернативных функций, указанных в схеме контактов ниже. Например, контакты с 0 по 5 могут быть входами АЦП вместо цифровых входов / выходов.

Есть также несколько выводов, которые можно настроить как выход ШИМ. Эти контакты отмечены знаком «~» на плате Arduino.

Примечание : ATmega168 практически идентичен ATmega328, и они совместимы по выводам. Разница в том, что ATmega328 имеет больше памяти - 32 КБ флэш-памяти, 1 КБ EEPROM и 2 КБ ОЗУ по сравнению с 16-КБ флэш-памятью ATmega168, 512 байт EEPROM и 1 КБ ОЗУ.

Распиновка ATmega168 с метками Arduino; ATmega168 и ATmega328 совместимы по выводам. Изображение предоставлено Arduino ,

Распиновка Arduino UNO R3. Изображение предоставлено GitHub ,

Входы АЦП:

Этот MCU имеет шесть каналов - от PORTC0 до PORTC5 - с аналого-цифровым преобразователем с 10-битным разрешением. Эти контакты подключены к аналоговому разъему на плате Arduino.

Одна распространенная ошибка - считать аналоговый вход отдельным входом только для аналого-цифровой функции, поскольку заголовок на плате гласит «Аналоговый». Реальность такова, что вы можете использовать их в качестве цифрового ввода / вывода или A / D.

Блок-схема ATmega328.

Как показано на диаграмме выше (через красные линии), выводы, связанные с аналого-цифровым модулем:

• AVCC: контакт питания для блока A / D.
• AREF: Входной контакт используется при необходимости, если вы хотите использовать внешний источник опорного напряжения для АЦП, а не внутренней Vref. Вы можете настроить это, используя внутренний реестр.

Настройки внутреннего регистра для выбора источника Vref.

Периферийное устройство UART:

UART (универсальный асинхронный приемник / передатчик) - это последовательный интерфейс. ATmega328 имеет только один модуль UART.

Контакты (RX, TX) UART подключены к схеме преобразователя USB-UART, а также подключены к контактам 0 и 1 в цифровом заголовке. Вы должны избегать использования UART, если вы уже используете его для отправки / получения данных через USB.

Периферийные устройства SPI:

SPI (последовательный периферийный интерфейс) - это еще один последовательный интерфейс. ATmega328 имеет только один модуль SPI.

Помимо использования его в качестве последовательного интерфейса, он также может быть использован для программирования MCU с использованием автономного программатора. Выводы SPI можно получить из заголовка рядом с MCU на плате Arduino UNO или из цифрового заголовка, как показано ниже:
11 <-> MOSI
12 <-> MISO
13 <-> SCK

TWI:

Интерфейс I2C или двухпроводной представляет собой интерфейс, состоящий только из двух проводов, последовательных данных и последовательных часов: SDA, SCL.

Вы можете получить доступ к этим контактам из последних двух контактов в цифровом заголовке или к контактам 4 и 5 в аналоговом заголовке.

Другая функциональность:

Другие функции включены в MCU, такие как те, которые предлагаются модулями таймера / счетчика. Вы можете не знать о функциях, которые вы не используете в своем коде. Вы можете обратиться к таблице для получения дополнительной информации.

Arduino UNO R3 MCU часть.

Возвращаясь к электронному дизайну, раздел микроконтроллера имеет следующее:

• ATmega328-PU: MCU, о котором мы только что говорили.
• Заголовки IOL и IOH (цифровые). Эти заголовки являются цифровыми заголовками для выводов от 0 до 13 в дополнение к GND, AREF, SDA и SCL. Обратите внимание, что RX и TX от моста USB связаны с контактами 0 и 1.
• Заголовок AD: аналоговый заголовок контактов.
• Керамический резонатор 16 МГц (CSTCE16M0V53-R0): соединен с XTAL2 и XTAL1 от MCU.
• Reset Pin: Это усилено резистором 10K, чтобы предотвратить случайные сбросы в шумной среде; на выводе имеется внутренний подтягивающий резистор, но в соответствии с примечанием к применению AVR Hardware Design AVR042 ), «Если окружающая среда шумная, ее может быть недостаточно, и сброс может происходить спорадически». Сброс происходит, если пользователь нажимает кнопку сброса или сбрасывается с USB-моста. Вы также можете увидеть диод D2. Роль этого диода описана в той же заметке приложения: «Если не используется программирование высокого напряжения, рекомендуется добавить защитный диод от электростатического разряда из RESET в Vcc, поскольку это не предусмотрено внутри из-за программирования высокого напряжения».
• Конденсаторы C4 и C6 100 нФ: они добавляются для фильтрации подаваемого шума. Полное сопротивление конденсатора уменьшается с частотой:
  $$ Xc $$ = $$ \ frac {1} {2 \ pi f C} $$
  Конденсаторы передают высокочастотные шумовые сигналы с низким сопротивлением на землю. 100 нФ является наиболее распространенным значением. Подробнее о конденсаторах читайте в Учебник AAC ,
• PIN13: он подключен к выводу SCK от MCU, а также подключен к светодиоду. Плата Arduino использует буфер (LMV358) для управления светодиодом.
• Заголовок ICSP (In-Circuit Serial Programming): используется для программирования ATmega328 с использованием внешнего программатора. Он подключен к интерфейсу In-System Programming (ISP) (который использует контакты SPI). Обычно вам не нужно использовать этот способ программирования, потому что загрузчик управляет программированием MCU из интерфейса UART, который подключен с помощью моста к USB. Этот заголовок используется, когда вам необходимо перепрограммировать MCU, например, с помощью загрузчика, впервые в производстве.

Мост USB-UART

Arduino USB мостовая часть. Нажмите, чтобы увеличить.

Как мы уже обсуждали в разделе «Обзор системы Arduino UNO», роль части моста USB-UART заключается в преобразовании сигналов интерфейса USB в интерфейс UART, который понимает ATmega328, с использованием ATmega16U2 с внутренним приемопередатчиком USB , Это делается с помощью специальной прошивки, загруженной на ATmega16U2.

С точки зрения электронного дизайна этот раздел похож на раздел микроконтроллера. Этот MCU имеет заголовок ICSP, внешний кристалл с нагрузочными конденсаторами (CL) и конденсатор фильтра Vcc.

Обратите внимание, что в линиях D + и D- USB есть последовательные резисторы. Они обеспечивают надлежащий импеданс завершения для сигналов USB. Вот некоторые дальнейшие чтения об этих резисторах:

1. Почему резисторы серии данных USB
2. FAQ для разработчиков USB

Z1 и Z2 являются резисторами, зависящими от напряжения (VDR), также называемыми варисторами. Они используются для защиты линий USB от переходных электростатических разрядов.

Конденсатор емкостью 100 нФ, соединенный последовательно с линией сброса, позволяет Atmega16U2 отправлять импульс сброса на Atmega328. Вы можете прочитать больше об этом конденсаторе Вот ,

Сила

Для источника питания у вас есть возможность использовать USB или гнездо постоянного тока. Теперь пришло время ответить на следующий вопрос: «Если я подключу адаптер постоянного тока и USB, какой источник питания будет?»

Регулятор 5 В - это NCP1117ST50T3G, а Vin этого регулятора подключен через вход постоянного тока через диод M7, версию SMD знаменитого Диод 1N4007 (PDF). Этот диод обеспечивает защиту от обратной полярности.

Выход регулятора 5 В подключен к остальной сети 5 В в цепи, а также ко входу регулятора 3,3 В LP2985-33DBVR. Вы можете получить доступ к 5 В непосредственно с 5-контактного разъема питания.

Другой источник 5 В - это USBVCC, который подключен к стоку FDN340P, P-канальному MOSFET, а источник подключен к сети 5 В. Затвор транзистора подключен к выходу операционного усилителя LMV358, используемого в качестве компаратора. Сравнение между 3V3 и Vin / 2. Когда Vin / 2 больше, это приведет к высокой выходной мощности компаратора, а P-канальный MOSFET выключен. Если Vin не подается, V + компаратора понижается до GND, а Vout низкий, так что транзистор включен, а USBVCC подключен к 5V.

Механизм переключения источника питания. Нажмите, чтобы увеличить.

LP2985-33DBVR является регулятором 3V3. Оба регулятора 3V3 и 5V являются LDO (Low Dropout), что означает, что они могут регулировать напряжение, даже если входное напряжение близко к выходному напряжению. Это улучшение по сравнению со старыми линейными регуляторами, такими как 7805 ,

Последнее, о чем я расскажу, это защита питания, которая предоставляется в Arduino UNO.

Как упомянуто выше, VIN от гнезда постоянного тока защищено от обратной полярности с помощью последовательного диода M7 на входе. Имейте в виду, что контакт VIN в разъеме питания не защищен. Это потому, что он подключен после диода М7. Лично я не знаю, почему они решили сделать это, когда могли подключить его перед диодом, чтобы обеспечить такую ​​же защиту.

VIN-контакт от разъема питания. Нажмите, чтобы увеличить.

Когда вы используете USB в качестве источника питания и для защиты вашего порта USB, есть предохранитель PTC (положительный температурный коэффициент) ( MF-MSMF050-2 ) последовательно с USBVCC. Это обеспечивает защиту от перегрузки по току, 500 мА. При достижении предела перегрузки по току сопротивление PTC значительно возрастает. Сопротивление уменьшается после снятия перегрузки по току.

Чтение Прочные цепи Пост о защите в Arduino очень полезен.

Теперь вы должны быть более знакомы с электронным дизайном Arduino UNO и лучше понимать его аппаратное обеспечение. Надеюсь, это поможет вашим дизайн-проектам в будущем!

Похожие

Комментарии