Arduino LEONARDO R3

Модуль LEONARDO R3

• Микроконтроллер ATmega32U4
• Тактовая частота - 16 МГц
• Рабочее питание - 5 В
• Входное напряжение (рекомендуемое): 7-12 В
• Входное напряжение (предельное): 6-20 В
• Флеш-память - 32 Кб, из них 4 Кб отведены для загрузчика
• ОЗУ-память - 2,5 Кб
• EEPROM-память - 1 Кб
• Цифровые выходы - 22
• Аналоговые входы - 12, 10-бит
• Шим выводы - 7
• Максимальный постоянный ток через вход/выход: 40 мА, рекомендуемый: 20мА
• Максимальный постоянный ток для вывода 3.3 В: 50 мА
• Кнопка сброса "Reset"
• USB-разъем: microUSB
• Светодиодная индикация: питание, передача данных по USB и статус пользовательского вывода D13
• Размеры - 68.6*53.4 мм
• Вес - 25г

При ознакомлении с LEONARDO можно подумать, что вы держите в руках немного видоизменённую UNO. Да, плата визуально очень похожа и имеет такое же расположение контактов ввода/вывода. Только вот различает их целый ряд технических изменений. Что из себя представляет UNO, вы можете ознакомиться по этой ссылке. На этой странице мы подробно рассмотрим плату LEONARDO.

LEONARDO относится к старшим моделям семейства плат ARDUINO и представляет из себя платформу разработки с открытым исходным кодом. Микроконтроллерная плата ввода-вывода в сочетании с бесплатно распространяемой средой программирования - это и есть ARDUINO, лёгкое в понимании, простое и практичное в применении.

Особенности LEONARDO

Самым главным изменением в данной модели стало использование микроконтроллера ATmega32U4, во внутренней схеме которого реализованы аппаратные средства для связи по USB. Благодаря такой архитектуре микросхемы, при подключении к компьютеру ARDUINO LEONARDO определяется как HID-устройство. Это значит, что вы можете использовать плату в создании таких проектов, как мышь или клавиатура.

Заметим также, что контроллер ATmega32U4 выполнен в корпусе QFP44 и припаян к плате. В случае его порчи или выхода из строя вам потребуются знания и опыт по замене SMD-микросхем.

В новом варианте LEONARDO Rev3 рядом с контактом AREF появились выводы SDA и SCL интерфейса IIC/I2C. Добавлен контакт IOREF и еще один рядом с ним, пока никак не реализованный.

В отличии от UNO-подобных плат, в области цифровых выводов у LEONARDO отсутствует интерфейс SPI. Если у вас имеются расширения, использующие SPI контакты на боковой стороне платы, и на них нет специального ответного 6-пинового разъема ICSP, как на LEONARDO, то такие модули расширения просто не будут работать.

Увеличено общее количество аналоговых входов до 12.

Расположение элементов на плате ARDUINO LEONARDO

Интерфейсы передачи данных

• UART (асинхронный последовательный интерфейс): расположен в линейке выводов "цифровые", использует две линии обмена данными и имеет обозначение RX0<-(вывод 0), TX0->(вывод 1). RX (receive) осуществляет прием входящей информации, TX (transfer) организует передачу исходящих данных. Сопряжение с другим устройством осуществляется по схеме RX->TX, TX->RX. Обратите внимание, что в LEONARDO основной класс Serial задействован для HID-устройств. Поэтому, при обращении к данному интерфейсу, используйте класс Serial1.

• IIC/I2C (двунаправленный последовательный интерфейс): расположен в противоположных частях платы. Всего их два, и каждый из них тоже задействует по две линии: последовательные данных - SDA (Serial Data) и шина тактирования SCL (Serial Clock). Выводы первого SDA (2) и SCL (3) располагаются в области "цифровые".
Контакты второго - два крайних пина рядом с выводом AREF. Выводы SDA, равно как и выводы SCL, совмещены друг с другом и используют одинаковые контакты микроконтроллера.

• SPI (последовательный периферийный интерфейс): размещен в разъёме ICSP. При обмене данными между двумя устройствами главный из них управляем процессом. По линии SS (вывод 8 микроконтроллера) определяется начало и конец сеанса передачи данных. MOSI (вывод 10 микроконтроллера) - выход главного, MISO (вывод 11 микроконтроллера) - вход главного. Обе линии подключаются ко второму устройству по схеме MOSI->MISO и MISO->MOSI. SCK (SCLK, вывод 9 микроконтроллера) задействован генерацией главным устройством импульсов синхронизации и называется шиной тактирования. Пожалуйста, не путайте выводы микроконтроллера с номерами пользовательских цифровых выводов.

Обозначение и расположение выводов на LEONARDO

• Аналоговые входы A0-A5 в размещены отдельно в области "аналоговые". Входы A6-A11 совмещены с цифровыми и пронумерованы с обратной стороны платы. Все 12 контактов могут быть использованы как цифровые. Каждый из них имеет разрешение 10-бит и измеряется значениями от "нуля" до 5 В (1024 различных значений).

• ШИМ - выводы широтно-импульсной модуляции вы найдёте в линейке цифровых. Они отмечены знаком тильда "~". Вывод 3 продублирован на новом контакте SCL. Разрядность: 8-бит (пины 3, 11, SCL), 10-бит (пин 13), 16-бит (пины 9, 10, 11) и высокоскоростные (пины 5, 67).

• Внешние прерывания: контакты 3 (прерывание 0), 2 (прерывание 1), 0 (прерывание 2), 1 (прерывание 3) и 7 (прерывание 4). Используются с функцией attachInterrupt().

• AREF - устанавливает опорное (эталонное) напряжение для аналоговых входов. Контакт используется вместе с функцией analogReference(), которая выполняет пропорциональное сравнение напряжений на выводе AREF с аналоговым входом с генерацией значений 0..1023. Например, опорное напряжение устанавливается 5 В, а на входе аналогового контакта подается 2,5 В. Результатом выполнения сравнения станет полученное значение 512.

• IOREF соединён напрямую с выходом напряжения 5 В. Контакт был реализован с целью передачи информации об используемом системой напряжении дополнительным модулям или расширениям, имеющих аналогичный ответный вход, для их автоматической подстройки под общее рабочее напряжение.

• Вывод "Reset" служит для управляемого аппаратного сброса микроконтроллера. Физическая кнопка "Reset" позволяет выполнить сброс вручную.

• Разъем ICSP создан для внутрисистемного последовательного программирования и предоставляет непосредственный доступ к программированию центрального микроконтроллера ATmega32U4 с применением внешних программаторов.

4 светодиода извещают вас о происходящем событии. Распаяны они с одного края платы и имеют обозначения "ON", "L", "TX", "RX". Первый сообщает о поступающем питании на плату, второй доступен по цифровому выводу 13 и может быть запрограммирован пользователем, третий и четвертый отображают процесс обмена информацией при загрузке программ по USB-соединению.

Принципиальная схема

Питание LEONARDO

Подключение питающего напряжения реализованы несколькими способами. Какой бы вариант вы не использовали, плата самостоятельно определит источник и автоматически на него переключится.

• USB. Максимально удобен для проектов, находящихся в стадии разработки или тестировании. Если же вы готовите переносное или подвижное устройство, то такой вариант вряд ли подойдёт. Помните, что свободного разъёма USB от источника питания может запросто не оказаться рядом.

• Внешний источник питания. Подключается к круглому разъему. Вариантов может быть много - это блоки питания от 220 В, аккумуляторы или батареи. При подборе источника используйте штекер с диаметрами: центральный "плюсовой" контакт - 2,1мм и "минусовой" контакт - 5,5мм. Подаваемое через разъём напряжение не должно быть ниже 7 В или выше 12 В. В целом, такой способ удобен в неподвижных устройствах с проводным питанием.

• Сочетание контактов Vin + GND. Внешний источник питания с напряжением 7-12 В соединяется проводами с выводами Vin (положительный) и GND (отрицательный). Пожалуй, самый удобный вариант для мобильных устройств, в которых роль источника выполняют компактные литий-полимерные аккумуляторы или широко распространённые батарейки.

Выводы 3.3В и 5В обеспечивают стабилизированное напряжение и могут используются в качестве источника питания подключаемый дополнительных расширений.

Не запускайте ваш проект (Arduino) при недостаточном питании. Существует вероятность самостоятельного перезапуска LEONARDO, если в проекте планируется использовать модули с высоким энергопотреблением: серво, моторы, большие экранные модули. Лучшим решением стане подключение таких модулей к внешним источникам напряжения. Простого USB-питания может оказаться не достаточно, особенно, когда сервопривод работает с нагрузкой.

Защита USB-порта

Энергосхема LEONARDO обеспечивает дополнительный уровень защиты от перегрузок и спроектирована таким образом, чтобы обезопасить USB-порт от сверхтоков. Помогает ей в этом самовосстанавливающийся предохранитель. В случае, когда плата потребляет ток более 500 мА, предохранитель разрывает цепь основного питания, обесточивая все компоненты платы и снова возвращает питающее напряжение, когда ток будет снижен до допустимого порогового значения или устранено короткое замыкание.

С чего начать

С первого включения! Ваше устройство работает "из-коробки" - просто соедините кабелем USB вашу ARDUINO LEONARDO с компьютером. По загоревшемуся светодиоду "ON" станет ясно, что плата получает питание. Загорится и, спустя доли секунды,  переключиться в режим мигания жёлтый светодиод "L".

Подсказка начинающим: при отсутствии в памяти микроконтроллера ATmega32U4 какой-либо программы, или уже загруженная программа не связана с цифровым выводом D13, светодиод "L" находится в выключенном состоянии. Просто производитель платы, дабы проверить её работоспособность, записал в память микросхемы тестовую программу.

Далее произойдёт автоматическая установка USB-совместимого программного обеспечения и компьютер создаст виртуальный COM-порт.

В операционных системах MAC или Linux плата LEONARDO определяется автоматически, для ОС Windows требуется специальный INF-файл, который уже присутствует в ARDUINO IDE. На ОС MAC наименование порта может выглядеть как /dev/tty.usbserial-A6006hSc.

Возможно, вы ранее никогда не пользовались ARDUINO. Если это так, то для начала потребуется загрузить и установить на ваш компьютер бесплатный редактор ARDUINO IDE. Затем произвести несложные настройки, которые помогут понять редактору, какую плату вы будете программировать.

В меню редактора Инструменты (Tools)/Плата (Boards) выберите из раскрывающегося перечня ваш микроконтроллер ARDUINO LEONARDO. Следующим шагом в меню Инструменты (Tools)/Порт (Port) укажите созданный ранее виртуальный COM-порт. Нумерация портов может быть абсолютно разной на каждом компьютере (COM2, COM3 и так далее). Как это выглядит на пример на ОС Windows:

Более ничего настраивать не нужно. Можно смело начинать программировать!

Программирование

Любая программа, будь она большая или маленькая, в среде ARDUINO называется "скетч". Попробуйте загрузить в микроконтроллер "пустой" скетч, который автоматически генерируется при каждом открытии редактора. Теперь нажмите кнопку "Загрузить" на панели редактора. После расчёта и компиляция кода вы заметите, что на LEONARDO замигают светодиоды RX и TX, после чего светодиод "L" перестанет включаться и выключаться. Попробуйте воспользоваться предоставленной оболочкой программирования простым примером, которые расположены в разделе Файл/Примеры/Основные(Basics). Пусть это будет "Blink" - маленький скетч, устанавливающий светодиод "L" в режим мигания. После его загрузки в микроконтроллер, LEONARDO вернётся к тому виду, к которому вы её приобрели.

Микроконтроллер ATmega32U4 позволяет вам загружать любые скетчи двумя вариантами:

• USB-подключение в паре с редактором ARDUINO IDE. Первоначально, в микроконтроллер уже записана специальная микропрограмма, называющаяся "загрузчик", самостоятельно размещающая код основной программы в постоянной памяти ATmega32U4.
• ICSP-подключение для внешних программаторов. К совместимым программаторам относятся USB ASP, AVRISP STK500 или другие, поддерживающие интерфейс SPI. Обмен информацией происходит по протоколу AVR109. Такой метод позволит не использовать загрузчик и освободить полный объём доступной постоянной памяти.

Создавайте и удивляйте!