Arduino MEGA 2560 R3

Модуль ARDUINO MEGA 2560 R3

• Микроконтроллер: ATmega2560
• Тактовая частота: 16МГц
• ОЗУ память: 8Кб
• ПЗУ память: 256Кб, из которых 8Кб использует загрузчик
• EEPROM память: 4Кб
• Напряжение питания: 5В (USB), 6 ~ 12В (разъём DC5521)
• Напряжение логики: 5В
• Цифровые входы/выходы: 70
• Аналоговые входы: 16
• ШИМ выходы: 15
• Максимальный ток через каждый вход/выход: 40мА, рекомендуемый: 20мА
• Максимальный ток для выхода 3.3 В: 50мА
• Физическая кнопка сброса "Reset"
• USB-разъем Type-B
• Индикация: питание, программируемый светодиод на выводе D13
• Размеры: 110 x 53 x 15мм
• Вес: 36 г.

Платформа Arduino

ARDUINO — это широко распространённая платформа с открытым исходным кодом. Платформа основывается на простых микроконтроллерных платах ввода-вывода в сочетании с несложной в понимании средой программирования. Открытое программное обеспечение ARDUINO IDE поддерживается в ОС Windows, Linux и Mac OS.

Платформа ARDUINO максимально универсальна и дружественна к пользователям. Она подходит для любых целей и задач, связанных с проектированием микроэлектроники любого типа и сложности, начиная от простой домашней автоматики или робототехники, и заканчивая многофункциональными промышленными решениями. С её помощью можно также быстро и легко обучаться программированию микроконтроллеров на языках С/С++ или Python, параллельно изучать принципы и методы управления электронными схемами. ARDUINO объединяет несколько типов микроконтроллеров с различной архитектурой, поддерживает разные технологии коммуникации и предоставляет высокий уровень совместимости с современным электронным цифро-аналоговым оборудованием.

Рождение Arduino MEGA2560

Самой перовой микроконтроллерной платой для платформы Arduino была UNO (на итальянском языке означает "первая"). На протяжении сравнительного небольшого периода времени, пока UNO успешно развивалась и обрастала всевозможными проектами, стало понятно, что её ресурсов не всегда может хватать для реализации более амбициозных приложений. Вслед за UNO, инженерами-конструкторами Arduino была разработана её значительно расширенная и улучшенная версия - Arduino MEGA. Третья ревизия платы с программируемым микроконтроллером AVR Atmega2560 R3 является продолжением предшествующих MEGA 2560 Rev2, MEGA 2560 и MEGA 1280.

Отличие Arduino MEGA2560 R3 от ранних версий

Arduino Mega 2560 - это оценочная плата разработчика приложения, построенная на микроконтроллере AVR ATmega2560 с тактовой частотой 16МГц, втроенной памятью ОЗУ 8Кб, ПЗУ 256Кб и EEPROM 4Кб. Модуль содержит 70 физических портов (контактов) ввода/вывода для передачи/приёма цифровых и аналоговых сигналов. В это число входят 16 аналоговых контактов и 15 контактов с поддержкой ШИМ-модуляции. На плате распаян чип Atmega16U2 преобразователя USB/UART-TTL, который используется для программирования и отладки Mega2560 через USB-порт. Ранее его место занимал более медленный в работе Atmega8u2.

Все аппаратные интерфейсы микроконтроллера Atmega2560 предназначены для организации коммуникации с внешней периферией и разведены по цифровым контактам. Это последовательные интерфейсы UART (х4), IIC/I2C/TWI (х1) и SPI (х1). В отличие от прошлых версий MEGA2560, один и тот же единственный интерфейс I2C выведен на плате дважды. Дублирующие контакты IIC расположены рядом со входом опорного напряжения "AREF". Сделано это для удобства пользователей. В ревизию R3 добавлены два новых контакта - IOREF и ещё один без названия, зарезервированный для будущих нововведений. Также представлены разъём питания DC5521, кнопка сброса "RESET" и несколько светодиодных индикаторов. Кроме того, SPI интерфейс контроллера Atmega2560 доступен в коннекторе ICSP внутрисхемного программирования.

Плата Arduino MEGA2560 совместима со многими существующими модулями расширения, выполненными в форм-факторе R3 для моделей UNO, MEGA2560, DUE и др. Схема MEGA2560 содержит два встроенных регулятора: первый с выходным напряжением 5 вольт, второй - с напряжением 3,3 вольта. Оба понижающих DC-DC преобразователя можно использовать для питания расширений. Однако регуляторы эти имеют ограничение по току нагрузки 0.8А и 0.15А соответственно, и подключены последовательно один за другим. В добавок, 5-вольтовый преобразователь является прямым источником питания Atmega2560, когда MEGA2560 запитывается через разъём DC5521.

Интерфейсы и компоненты MEGA2560 R3

Коммуникационные интерфейсы

• UART (асинхронный последовательный): четыре аппаратных интерфейса RX0/TX0 .... RX3/TX3, расположенные в группе контактов Communication (коммуникация) и совмещённые с цифровыми портами 0, 1 (UART0), 18, 19 (UART1), 16, 17 (UART2) и 14, 15 (UART3). Входы RXx позволяют принимать информацию в Atmega2560, выходы TXx - передавать данные из Atmega2560. Встроенный чип Atmega16u2 подключенный к USB-порту и к линиям RX0/TX0, эмулирует виртуальный COM-порт на любом современном ПК с возможностью отладки кода приложения через терминал (консольный порт);

• IIC/I2C/TWI (межинтегральный синхронный последовательный полудуплексный): низкоскоростной интерфейс I2C расположен по краям группы контактов Communication (коммуникация). Совмещён с цифровыми портами 20 (SDA) и 21 (SCL), где SDA - линия двунаправленной передачи данных между ведущим (Atmega2560) и ведомыми устройствами, а SCL - линия синхронизации (тактирования) сигналов. Скорость обмена информацией установлена по умолчанию - 50 Кбит/с (частота 100кГц), максимально возможная частота - 400 кГц. Линии интерфейса I2C на плате ATMEGA2560 запараллелены, т.е. его парные порты SDA и SCL просто дублируют друг друга;

• SPI (периферийный синхронный последовательный дуплексный): интерфейс выведен в группе контактов Digital (цифровые). Поддерживает режимы ведущий/ведомый, может работать на частотах от 125кГц до 8Мгц (по умолчанию в Arduino IDE установлена частота 250кГц).  Использует 4 цифровых порта 50 (MISO - вход ведущего выход ведомого), 51 (MOSI - выход ведущего вход ведомого), 52 (линия синхронизации сигналов), 53 (SS - выбор ведомого). Интерфейс SPI повторяется в разъёме ICSP рядом с микроконтроллером ATmega2560.

Функциональное назначение портов MEGA2560

• Цифровые входы/выходы передают и принимают данные, cформированные логическими сигналами 1 (HIGH) и 0 (LOW). В их число входят все контакты платы MEGA2560 за исключением группы POWER. Аналоговые входы A0-A15 также поддерживают режим цифровых портов. Управление цифровыми входами/выходами осуществляется функциями digitalRead() и digitalWrite();

• Аналоговые входы А0-А15 чувствительны ко всему диапазону входного напряжения в диапазоне 0-5В. Встроенный АЦП преобразует уровень напряжения на контакте в его пропорциональное цифровое 10-битное значение: 0-5В = 0-1023 значение. Контакты А0-А15 не могут генерировать выходной аналоговый сигнал;

• ШИМ (PWM) — выводы 8-битной широтно-импульсной модуляции находятся в группах PWM и Digital. Это цифровые порты 2~13 и 44~46. Широтно-импульсная модуляция позволяет генерировать логические импульсы с фиксированной частотой и изменяемой длительностью сигнала относительно его периодичности (коэффициентом заполнения, скважностью). Усредняемое значение напряжения логических импульсов можно приблизить к аналоговому напряжению;

• INT и PCINT прерывания — могут "реагировать" на входящий сигнал, требующий к себе немедленного внимания (вызов прерывания). Входящий сигнал (запрос) прерывания расценивается Atmega2560 как команда для принудительной остановки выполнения текущей программы и запуска специальной функции, содержащей перечень приоритетных действий для обработки наступившего события (обработчик прерывания, ISR, Interrupt Service Routine), с последующим возвратом в приостановленный код. Размещение цифровых выводов с поддержкой функции прерывания INTx: 2-3, 18-21, PCINTx: 0, 10-15, 50-53, A8-A15;

• AREF - устанавливает опорное (эталонное) напряжение для всех имеющихся на плате аналоговых входов. Уровень напряжения 1.1В, 2.56В или 5В на входе AREF определяет верхнюю границу (100%), от которой АЦП высчитывает пропорциональное цифровое представление 0..1023 для напряжения на аналоговых портах. Например, AREF=2.56В, на входе Ax=1.1В, результатом операции будет значение 440;

• IOREF служит выходом опорного напряжения 5В для модулей расширений, способных самостоятельно подстраиваться под рабочее напряжение системы;

• Reset наравне с одноимённой физической кнопкой в центре платы MEGA2560 используется для управляемого сброса микроконтроллера с перезапуском всего ПО, записанног в памяти микроконтроллера;

• ICSP — 6-пиновый коннектор, предназначенный для внутрисхемного программирования микроконтроллера прямо в схеме устройства, исключающий необходимость предварительного демонтажа чипа. Коннектор объединяет выводы питания, управления и интерфейс SPI. Для прошивки используются внешние ICSP-программаторы. MEGA2560 располагает двумя коннекторами ICSP, под одному для  ATmega2560 и ATmega16U2.

Питание MEGA2560

Существует три способа подключения питания к ARDUINO MEGA 2560 R3:

• Порт USB. Это наиболее часто используемый способ на этапах разработки и тестирования проекта. Питание MEGA2560 через USB считается не самым удобным, если планируется переносное или автономное приложение;

С целью защиты USB-порта от перегрузки, в схему энергопитания ARDUINO MEGA2560 встроен специальный самовосстанавливающийся предохранитель. Он размыкает цепь питания, если плата потребляет от USB ток более 500мА. И снова замыкает цепь USB-питания, когда ток нагрузки снижается до разрешённых значений;

• Разъём DC5521. В него подключается любой внешний источник энергии с концевым штекером, обладающим размерами 5.5х2.1мм, и работающий в сетях переменного тока с выходом напряжения +7~12В постояного тока до 1000мА (рекомендуется 2000мА). Этот способ питания MEGA2560 считается наилучшим для приложений с фиксированным местоположением, когда имеется доступ к линиям бытовой/промышленной электропроводки. А также для тех приложений, которые содержат в своей конструкции компоненты с высоким энергопотреблением: двигатели, сервометоры, дисплеи и др.;

• Контакты Vin + GND. К ним присоединяются перезаряжаемые аккумуляторы и батареи автономного питания с выходным напряжением +7~12В постоянного тока. Этот способ питания незаменим для любых мобильных приложений на основе MEGA2560.

При любом варианте подключения, плата MEGA2560 автоматически определяет источник и переключает входы питания на самое высокое напряжение.

Сопроводительная документация

• Электрическая принципиальная схема MEGA2560 (ориг.Arduino, PDF)

Подготовка к началу использования

В некоторых младших моделях ARDUINO, таких как Arduino PRO MINI, для работы с платой требовалась подпайка контактов и подключение дополнительных USB/TTL преобразователей сигналов. Модуль имеет все необходимые компоненты для подключения, достаточно соединить его USB-кабелем с компьютером. Произойдет автоматическая установка драйвера и создание виртуального COM-порта. На экране вы увидите сообщение

На плате загорится зеленый светодиод "ON", информирующий вас о подключенном  питании.

Большинство приступающих к знакомству с ARDUINO задаются вопросом, почему же при включении абсолютно новой платы пользовательский светодиод оранжевого цвета "L" мигает. Всё очень просто -  для контроля качества и проверки работоспособности платы ARDUINO, производитель фабрично записывает в память контроллера исполняемый код с миганием этого программируемого индикатора.

Программирование

ARDUINO MEGA 2560, как и большинство плат семейства ARDUINO, можно программировать двумя вариантами:

• С помощью уже установленной вами оболочки программирования ARDUINO IDE в паре с USB-подключением. Вшитый в микроконтроллер ATmega2560 загрузчик позволяет загружать код программы через USB-порт без необходимости использования внешних программаторов.

• Внешние программаторы, такие как USBASP, AVRISP STK500 или другие с поддержкой интерфейса SPI. Применяется протокол STK500. С их помощью можно вносить изменения в код микроконтроллера без использования загрузочной микропрограммы (загрузчика). Для каждого из двух микроконтроллеров, основного ATmega 2560 и связующего ATmega16U2, реализованы собственные независимые 6-пиновые разъемы ICSP. Данный способ поможет вам использовать полный объем доступной памяти.

Написанная в редакторе программа для ARDUINO называется "скетч". Перед тем, как вы начнете писать или загружать скетч в микроконтроллер, необходимо провести настройку редактора ARDUINO IDE и сообщить ему какое устройство вы используете:

• В меню Инструменты (Tools)/Плата (Boards) панели управления редактором выберите ваше устройство: Arduino/Genuino Mega or Mega 2560

• В меню Инструменты (Tools)/Процессор (Processor) следует указать ATmega2560 (Mega 2560)

• И последним шагом указываем созданный при подключении COM-порт. В ОС Windows порты могут быть COM2, COM3 и т.д. На ОС MAC наименование порта может выглядеть как /dev/tty.usbserial-A6006hSc. Выбираем Инструменты (Tools)/Порт (Port) и выделяем COM... (Arduino/Genuino Mega or Mega 2560)

Все настройки произведены. Теперь вы можете загружать скетч в вашу ARDUINO MEGA 2560. После нажатия кнопки "Загрузить" на плате замигают светодиоды RX и TX, показывающие передачу данных, а на экране компьютера появиться сообщение "Загрузка завершена" (Done Uploading). Ваша MEGA 2560 R3 приступит к выполнению программного кода.

Творите и создавайте!