Arduino due проекты. Расширенные возможности SPI

Для подключения Arduino Due к компьютеру понадобится USB-кабель типа Micro-B. USB-кабель необходим как для питания, так и для прошивки устройства.

Один конец кабеля с разъемом micro-USB вставьте в разъем для программирования Arduino Due (находится возле разъема питания). Для прошивки скетча необходимо в среде программирования Ардуино IDE из меню Tools > Board выбрать пункт Arduino Due (Programming port), а также из меню Tools > Serial Port выбрать соответствующий последовательный порт.

Основные отличия от плат на основе микроконтроллеров ATMEGA

В целом, для программирования и работы с Arduino Due используются те же принципы, что и с другими моделями Ардуино. Однако, есть и несколько ключевых отличий Due от других плат.

Печатная плата Due похожа на модель Arduino Mega 2560.

Напряжение

Микроконтроллер в составе Arduino Due работает от 3.3В, что влечет за собой некоторые ограничения. В частности, напряжение, используемое для питания подключаемых датчиков или управления исполнительными устройствами, так же не может превышать 3.3В. В случае подачи большего напряжения (например, 5В, характерных для большинства плат Ардуино) Arduino Due выйдет из строя.

Устройство может быть запитано, как от USB, так и от разъема питания. Во втором случае, напряжение питания должно лежать в диапазоне от 7В до 12В.

В Arduino Due есть импульсный стабилизатор напряжения с высоким КПД, соответствующий требованиям, предъявляемым USB-хост устройствам. Благодаря этому, Ардуино может служить источником питания для какого-либо USB-гаджета, подключаемого к штатному USB-порту, выполняющего роль хоста. Ардуино может работать в качестве USB-хоста только при питании от внешнего источника.

Последовательные порты на Arduino Due

В Arduino Due есть два USB-порта. Штатный USB-порт (обозначен на рисунке, как Native ) соединен непосредственно с процессором SAM3X и поддерживает последовательную CDC-связь через объект SerialUSB . Второй USB-порт - это порт для программирования (обозначен на рисунке, как Programming port). Он подключен к контроллеру ATMEL 16U2, выступающего в роли USB-UART преобразователя. По умолчанию для загрузки программ и взаимодействия с Ардуино используется порт для программирования.

Преобразователь USB-UART порта для программирования соединен с первым UART`ом контроллера SAM3X. Поэтому программно взаимодействовать с эти портом можно через объект "Serial".

Штатный USB-порт подключен непосредственно к выводам контроллера SAM3X, отвечающим за функцию USB-хоста. Штатный USB-порт позволяет использовать Arduino Due как в качестве внешнего периферийного устройства компьютера (например, USB-мыши или клавиатуры), так и в роли USB-хоста, к которому можно подключать различные устройства (такие, как мышь, клавиатура или Android-смартфон, например). А с помощью объекта "SerialUSB", описанного в языке программирования Ардуино, этот же порт можно использовать и как виртуальный последовательный порт.

Автоматический (программный) сброс

Микроконтроллер SAM3X отличается от AVR-микроконтроллеров тем, что перед перепрошивкой его флеш-памяти, ее содержимое сперва необходимо стереть. Чтобы сделать это вручную, необходимо где-то на секунду зажать кнопку очистки памяти, нажать кнопку Upload в среде Ардуино, а затем нажать кнопку сброса.

Чтобы не повторять эту процедуру каждый раз, она была автоматизирована и может выполнятся программно как через штатный порт, так и через порт для программирования:

Процедура программной очистки (т.н. "soft-erase") автоматически активируется при закрытия порта, открытого на скорости 1200 бит/с. При это очищается флеш-память контроллера, устройство сбрасывается и стартует загрузчик. Если по какой-либо причине во время этого в процессоре произойдет сбой, то вероятнее всего soft-erase не произойдет, поскольку эта процедура выполняется программно самим контроллером.

Открытие и закрытие штатного порта на скоростях, отличных от 1200 бод, не приведет к перезагрузке контроллера SAM3X. Для того, чтобы использовать программу Serial Monitor для наблюдения данных, отправляемых вашим скетчем, необходимо добавить несколько строк кода в программный блок setup(). Такой фрагмент заставит контроллер SAM3X дождаться открытия порта SerialUSB перед выполнением основной программы:

While (!Serial) ;

Нажатие кнопки сброса на Arduino Due приводит не только к перезагрузке SAM3X, но и к сбросу USB-соединения. В случае, если программа Serial Monitor открыта, то после разрыва соединения необходимо закрыть и заново открыть ее для восстановления сеанса связи.

USB-порт для программирования взаимодействует с USB-UART преобразователем Ардуино, который в свою очередь соединен с первым UART`ом микроконтроллера SAM3X (а именно, с выводами RX0 и TX0). Причем микросхема USB-UART преобразователя управляет также выводами Reset и Erase главного микроконтроллера. При открытии последовательного порта, USB-UART преобразователь перед тем, как обмениваться данными с UART`ом контроллера, формирует на выводах Erase и Reset активный уровень сигнала, что приводит к очистке памяти SAM3X. Этот способ более надежен, чем "программная очистка" при использовании штатного USB-порта, и работает даже в случае зависания процессора.

Для программного взаимодействия с этим портом в среде разработки Ардуино используйте объект "Serial". Аналогично построена работа с USB-портом и на Arduino Uno, поэтому все программы, написанные для Uno, будут так же работать и на Due. Кроме того, порт для программирования Arduino Due ведет себя так же, как и последовательный порт Uno, в том плане, что USB-UART преобразователь в составе устройства сбрасывает главный контроллер при каждом открытии последовательного порта.

Нажатие кнопки сброса во время использования порта для программирования не разрывает USB-соединение с компьютером, поскольку сбрасывается только главный контроллер SAM3X.

USB-хост

Arduino Due может работать в качестве USB-хоста для периферийных устройств, подключаемых к порту SerialUSB. Для получения дополнительной информации и примеров кода, см. справку по USB-хост .

Когда Due используется в качестве хоста, он же служит источником питания для подключенного устройства. Поэтому в таком режиме работы настоятельно рекомендуется запитывать Arduino Due от внешнего источника питания.

Разрядность АЦП и ШИМ

В Arduino Due есть возможность изменять разрядность для считывания и формирования аналоговых величин (которые, по умолчанию, равны 10 и 8 битам, соответственно). Максимальная разрядность АЦП и ШИМ составляет 12 бит. Для получения дополнительной информации см. описание функций analogWriteResolution() и analogReadResolution() .

Расширенные возможности SPI

Установка драйверов для Arduino Due

OSX

• В операционной системе OSX установка драйверов не требуется. В зависимости от установленной версии ОС, при подключении устройства к компьютеру должно появится диалоговое окно, предлагающее открыть Сетевые настройки (“Network Preferences”). Кликните "Network Preferences...", дождитесь появления окна и нажмите кнопку "Apply". Arduino Due появится в системе под статусом "Not Configured", но при этом будет работать нормально. Теперь можно выйти из системных настроек.

Windows (протестировано на XP и 7)

Linux

• На Linux установка драйверов не требуется вообще.

Прошивка программы в Arduino Due

С точки зрения пользователя, процесс прошивки программ в Arduino Due осуществляется точно так же, как и в других моделях Ардуино. Несмотря на то, что для прошивки скетчей можно использовать любой USB-порт Due, все же рекомендуется задействовать для этой цели порт для программирования.

Для прошивки своей программы через порт для программирования, сделайте следующее:

• Подключите устройство к компьютеру, подсоединив USB-кабель к порту для программирования Ардуино (этот порт расположен ближе к разъему питания).
• Откройте среду разработки Ардуино.
• В меню "Tools" выберите пункт "Serial Port" и укажите последовательный порт, ассоциированный в системе с Arduino Due
• Из меню "Tools > Boards" выберите пункт "Arduino Due (Programming port)"

После выполнения указанных действий можно прошивать в Ардуино свою программу.

Общие сведения

Arduino Nano - это полнофункциональное миниатюрное устройство на базе микроконтроллера ATmega328 (Arduino Nano 3.0) или ATmega168 (Arduino Nano 2.x), адаптированное для использования с макетными платами. По функциональности устройство похоже на Arduino Duemilanove, и отличается от него размерами, отсутствием разъема питания, а также другим типом (Mini-B) USB-кабеля. Arduino Nano разработано и выпускается фирмой Gravitech.

Схема и исходный проект

Связь

Arduino Nano предоставляет ряд возможностей для осуществления связи с компьютером, еще одним Ардуино или другими микроконтроллерами. В ATmega168 и ATmega328 есть приемопередатчик UART, позволяющий осуществлять связь по последовательным интерфейсам посредством цифровых выводов 0 (RX) и 1 (TX). Микросхема FTDI FT232RL обеспечивает связь приемопередатчика с USB-портом компьютера, и при подключении к ПК позволяет Ардуино определяться как виртуальный COM-порт (драйвера FTDI включены в пакет программного обеспечения Ардуино). В пакет программного обеспечения Ардуино также входит специальная программа, позволяющая считывать и отправлять на Ардуино простые текстовые данные. При передаче данных компьютеру через USB на плате будут мигать светодиоды RX и TX. (При последовательной передаче данных посредством выводов 0 и 1 данные светодиоды не задействуются).

ATmega168 и ATmega328 в Arduino Nano выпускается с прошитым загрузчиком, позволяющим загружать в микроконтроллер новые программы без необходимости использования внешнего программатора. Взаимодействие с ним осуществляется по оригинальному протоколу STK500 ( , ).

Автоматический (программный) сброс

Чтобы каждый раз перед загрузкой программы не требовалось нажимать кнопку сброса, Arduino Nano спроектирован таким образом, который позволяет осуществлять его сброс программно с подключенного компьютера. Один из выводов микросхемы FT232RL, участвующий в управлении потоком данных (DTR), соединен с выводом RESET микроконтроллера ATmega168 или ATmega328 через конденсатор номиналом 100 нФ. Когда на линии DTR появляется ноль, вывод RESET также переходит в низкий уровень на время, достаточное для перезагрузки микроконтроллера. Данная особенность используется для того, чтобы можно было прошивать микроконтроллер всего одним нажатием кнопки в среде программирования Ардуино. Такая архитектура позволяет уменьшить таймаут загрузчика, поскольку процесс прошивки всегда синхронизирован со спадом сигнала на линии DTR. Такая архитектура позволяет уменьшить таймаут загрузчика, поскольку процесс прошивки всегда синхронизирован со спадом сигнала на линии DTR.

Однако эта система может приводить и к другим последствиям. При подключении Arduino Nano к компьютерам, работающим на Mac OS X или Linux, его микроконтроллер будет сбрасываться при каждом соединении программного обеспечения с платой. После сброса на Arduino Nano активизируется загрузчик на время около полсекунды. Несмотря на то, что загрузчик запрограммирован игнорировать посторонние данные (т.е. все данные, не касающиеся процесса прошивки новой программы), он может перехватить несколько первых байт данных из посылки, отправляемой плате сразу после установки соединения. Соответственно, если в программе, работающей на Ардуино, предусмотрено получение от компьютера каких-либо настроек или других данных при первом запуске, убедитесь, что программное обеспечение, с которым взаимодействует Ардуино, осуществляет отправку спустя секунду после установки соединения.

Общие сведения

Arduino Due - это устройство на основе микропроцессора Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 (datasheet). Это первая плата Ардуино на базе 32-разрядного микроконтроллера ARM. В ее состав входят 54 цифровых вывода (из которых 12 могут работать в качестве ШИМ-выходов), 12 аналоговых входов, 4 UART (аппаратных приемопередатчика, осуществляющих последовательную передачу данных), генератор тактовой частоты на 84 МГц, USB с поддержкой технологии OTG, 2 ЦАП (цифро-аналоговых преобразователя), 2 TWI, разъем питания, разъем SPI, разъем JTAG, кнопка сброса и кнопка очистки памяти.

Внимание: в отличие от других плат Ардуино, рабочее напряжение Arduino Due составляет 3.3В. Соответственно, максимальное напряжение, которое могут выдержать его выводы, равно 3.3В. Подача на вывод большего напряжения (например, 5В) может привести к выходу платы из строя.

В состав устройства входит все необходимое для обеспечения работы микроконтроллера; для начала работы достаточно просто подать питание от AC/DC-адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля. Arduino Due совместим со всеми платами расширения, работающими от 3.3В, и соответствует требованиям распиновки 1.0:

• Выводы SDA и SCL (TWI) расположены возле вывода AREF.
• Присутствует вывод IOREF, позволяющий платам расширения подстраиваться под рабочее напряжение Ардуино. Благодаря этому, платы расширения могут быть совместимы как с 3.3В-Ардуино (подобными Due), так и с 5В-Ардуино на основе микроконтроллеров AVR.
• Предусмотрен свободный вывод, зарезервированный для будущих целей.

Преимущества использования ядра ARM

Благодаря использованию 32-разрядного ядра ARM, Arduino Due во многом превосходит типичные платы на базе 8-разрядных микроконтроллеров. Наиболее существенные отличия заключаются в следующем:

• 32-битное ядро позволяет обрабатывать 4х-байтовые данные всего за один такт. (Для получения более подробной информации см. описание типа int).
• Тактовая частота - 84 МГц.
• Объем оперативной памяти SRAM составляет 96 КБайт.
• Объем флеш-памяти программ - 512 КБ.
• Наличие DMA-контроллера, позволяющего разгрузить центральный процессор от выполнения ресурсоемких операций с памятью.

Схема, исходный проект и расположение выводов

Характеристики

Питание

Arduino Due может быть запитан от USB либо от внешнего источника питания - тип источника выбирается автоматически.

В качестве внешнего источника питания (не USB) может использоваться сетевой AC/DC-адаптер или аккумулятор/батарея. Штекер адаптера (диаметр - 2.1мм, центральный контакт - положительный) необходимо вставить в соответствующий разъем питания на плате. В случае питания от аккумулятора/батареи, ее провода необходимо подсоединить к выводам Gnd и Vin разъема POWER.

Напряжение внешнего источника питания может быть в пределах от 6 до 20 В. Однако, уменьшение напряжения питания ниже 7В приводит к уменьшению напряжения на выводе 5V, что может стать причиной нестабильной работы устройства. Использование напряжения больше 12В может приводить к перегреву стабилизатора напряжения и выходу платы из строя. С учетом этого, рекомендуется использовать источник питания с напряжением в диапазоне от 7 до 12В.

Ниже перечислены выводы питания, расположенные на плате:

• VIN. Напряжение, поступающее в Arduino непосредственно от внешнего источника питания (не связано с 5В от USB или другим стабилизированным напряжением). Через этот вывод можно как подавать внешнее питание, так и потреблять ток, когда устройство запитано от внешнего адаптера.
• 5V. На вывод поступает напряжение 5В от стабилизатора напряжения на плате, вне независимости от того, как запитано устройство: от адаптера (7 - 12В), от USB (5В) или через вывод VIN (7 - 12В). Запитывать устройство через выводы 5V или 3V3 не рекомендуется, поскольку в этом случае не используется стабилизатор напряжения, что может привести к выходу платы из строя.
• 3V3. 3.3В, поступающие от стабилизатора напряжения на плате. Данный стабилизатор также обеспечивает питание микроконтроллера SAM3X. Максимальный ток, потребляемый от этого вывода, составляет 800 мА.
• GND. Выводы земли.
• IOREF. Этот вывод предоставляет платам расширения информацию о рабочем напряжении микроконтроллера Ардуино. В зависимости от напряжения, считанного с вывода IOREF, плата расширения может переключиться на соответствующий источник питания либо задействовать преобразователи уровней, что позволит ей работать как с 5В, так и с 3.3В-устройствами.

Память

Объем флеш-памяти программ микроконтроллера SAM3X составляет 512 КБ (2 блока по 256 КБ). Устройство выпускается с прошитим загрузчиком, расположенном в отдельной памяти ПЗУ. Объем доступной оперативной памяти SRAM составляет 96 КБ, представляющих собой два смежных банка памяти по 64 КБ и 32 КБ соответственно. Вся доступная память (Flash, ОЗУ и ПЗУ) имеет общее линейное адресное пространство.

Кнопка удаления, расположенная на плате, позволяет очистить Flash-память микроконтроллера SAM3X и стереть текущую загруженную программу. Для этого необходимо нажать и удерживать ее в течение нескольких секунд.

Входы и выходы

• Цифровые входы/выходы: выводы 0 - 53

• Интерфейс SPI: выводы SPI (на платах Ардуино разъем ICSP)

• Интерфейс CAN: выводы CANRX и CANTX

Данные выводы поддерживают протокол связи CAN, однако на данный момент его реализация в Arduino API пока отсутствует.

• "L" светодиод: вывод 13

Встроенный светодиод, подсоединенный к выводу 13. При отправке значения HIGH светодиод включается, при отправке LOW - выключается. Помимо этого, яркость свечения светодиода можно регулировать, поскольку вывод 13 может работать как ШИМ-выход.

• Интерфейс TWI 1: выводы 20 (SDA) и 21 (SCL)
• Интерфейс TWI 2: выводы SDA1 и SCL1

Другие выводы на плате:

• AREF

Опорное напряжение АЦП. Используется функцией analogReference() .

• Reset

Формирование низкого уровня (LOW) на этом выводе приведет к перезагрузке микроконтроллера. Обычно этот вывод служит для функционирования кнопки сброса на платах расширения.

Связь

Arduino Due предоставляет ряд возможностей для осуществления связи с компьютером, еще одним Ардуино или другими микроконтроллерами, а также с различными устройствами, такими, как телефоны, планшеты, камеры и т.д. В микроконтроллере SAM3X есть один аппаратный UART и три аппаратных USART для реализации последовательных интерфейсов с TTL-уровнем напряжения 3.3В.

USB-порт для программирования на плате взаимодействует с микросхемой ATmega16U2, выполняющую роль USB-UART преобразователя, который при подключении к компьютеру определяется как виртуальный COM-порт. (Для корректной идентификации на Windows-системах потребуется.inf-файл, на системах с OSX и LINUX плата распознается автоматически). Микросхема 16U2 соединена с аппаратным приемопередатчиком UART микроконтроллера SAM3X. Для программирования микроконтроллера через микросхему ATmega16U2 используются выводы RX0 и TX0. В пакет программного обеспечения Ардуино входит специальная программа, позволяющая считывать и отправлять на Ардуино простые текстовые данные. При передаче данных через микросхему-преобразователь USB-UART во время USB-соединения с компьютером, на плате будут мигать светодиоды RX и TX. (При последовательной передаче данных посредством выводов 0 и 1, без использования USB-преобразователя, данные светодиоды не задействуются).

В микроконтроллере SAM3X также реализована поддержка последовательных интерфейсов TWI и SPI. В программное обеспечение Ардуино входит библиотека Wire, позволяющая упростить работу с шиной I2C; для получения более подробной информации см. документацию. Для работы с интерфейсом SPI используйте библиотеку SPI.

Программирование

Процесс загрузки программ в микроконтроллер SAM3X отличается от процесса прошивки AVR-микроконтроллеров, используемых в других платах Ардуино. Особенность SAM3X заключается в том, что для его перепрошивки требуется предварительно очищать Flash-память контроллера. Такая необходимость обусловлена тем, что процесс загрузки программы контролируется загрузчиком в ПЗУ SAM3X, который запускается только при условии отсутствия программы во Flash-памяти микроконтроллера.

Таким образом, любой из USB-портов может использоваться для прошивки платы. Тем не менее, рекомендуется использовать USB-порт для программирования ("Programming Port" на рисунке) в силу некоторых особенностей процесса очистки памяти микроконтроллера:

• Порт для программирования: Для использования этого порта в среде разработки Arduino IDE в качестве рабочей платы выберите "Arduino Due (Programming Port)". Подсоедините Due к компьютеру, соединив USB-кабель c разъемом для программирования (расположенным ближе к разъему питания). Порт для программирования взаимодействует с микросхемой 16U2, выполняющей роль преобразователя USB-UART. Микросхема 16U2 в свою очередь соединена с первым UART микроконтроллера SAM3X (выводы RX0 и TX0), а также управляет его выводами Reset и Erase. При открытии и закрытии порта на скорости 1200 бод, на выводах Erase и Reset формируется активный уровень, что приводит к очистке памяти микроконтроллера. Таким образом, срабатывает так называемая процедура "аппаратной очистки" перед взаимодействием с UART SAM3X. Этот способ более надежен, чем "программная очистка" при использовании штатного USB-порта, и работает даже в случае зависания процессора. Именно поэтому для прошивки Arduino Due рекомендуется использовать порт для программирования.
• Штатный USB-порт: Для использование этого порта в среде разработки Arduino IDE в качестве рабочей платы выберите "Arduino Due (Naive USB Port)". Штатный USB-порт соединен непосредственно с микроконтроллером SAM3X. Подсоедините Due к компьютеру, соединив USB-кабель со штатным USB-разъемом (расположенным ближе к кнопке сброса). Открытие и закрытие порта на скорости 1200 бод приведет к срабатыванию процедуры "программной очистки", во время которой очищается flash-память, перезагружается микроконтроллер и стартует загрузчик. Поскольку эта процедура выполняется исключительно программой самого микроконтроллера SAM3X, то в случае зависания последнего процесс очистки может не произойти. При этом открытие/закрытие штатного порта на различных скоростях не поможет перезагрузить микроконтроллер.

В отличие от других плат Ардуино, для программирования которых используется avrdude, процесс прошивки Arduino Due осуществляется с помощью программы .

Исходный код прошивки микроконтроллера ATmega16U2 доступен в репозитории Ардуино . Прошить микроконтроллер можно через разъем для внутрисхемного программирования ISP с помощью внешнего программатора (в этом случае затрется DFU-загрузчик).

Защита USB от перегрузок

В Arduino Due есть восстанавливаемые предохранители, защищающие USB-порт компьютера от коротких замыканий и перегрузок. Несмотря на то, что большинство компьютеров имеют собственную защиту, такие предохранители обеспечивают дополнительный уровень защиты. Если от USB-порта потребляется ток более 500 мА, предохранитель автоматически разорвет соединение до устранения причин короткого замыкания или перегрузки.

Физические характеристики и совместимость с платами расширения

Максимальная длина и ширина печатной платы Arduino Due составляет 10.2 см и 5.4 см соответственно, с учетом USB-разъемов и разъема питания, выступающих за пределы платы. Три крепежных отверстия позволяют прикреплять плату к поверхности или корпусу. Обратите внимание, что расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 не кратно традиционным 2.54 мм и составляет 4 мм.

Arduino Due спроектирован таким образом, чтобы обеспечивать совместимость с большинством плат расширения для Uno, Diecimila или Duemilanove. Расположение основных выводов платы полностью эквивалентно: цифровые выводы 0 - 13 (а также смежные выводы AREF и GND), аналоговые входы 0 - 5, разъем POWER и разъем "ICSP" (SPI) - все выводы расположены на одинаковых расстояниях друг относительно друга. Кроме того, линии основного приемопередатчика UART соединены с одними и теми же выводами (0 и 1). Пожалуйста, обратите внимание, что номера выводов I2C на Arduino Due (20 и 21) отличаются от выводов Duemilanove / Diecimila (аналоговые входы 4 и 5).

Подробная инструкция по работе с Arduino Due (на англ.)