Arduino NANO V3.0 CH340

Модуль Nano V3.0 (CH340) на микроконтроллере ATmega328, совместимый с ARDUINO

• Микроконтроллер: ATmega328P
• Тактовая частота: 16 МГц
• Флеш-память: 32 Килобайта (2 Килобайта отведено под загрузчик)
• ОЗУ-память: 2 Килобайта
• EEPROM-память: 1 Килобайт
• Рабочее напряжение: 5 вольт
• Входное напряжение, VIN: 7-12 вольт
• Входное напряжение максимальное, VIN: 6-18 вольт
• Цифровые входы/выходы: 19
• Выходы регулируемого напряжения, ШИМ: 6
• Аналоговые входы, АЦП: 8
• Максимальный постоянный ток входа/выхода: 40 мА, рекомендуемый: 20мА
• Максимальный постоянный ток выхода 3.3В: 30 мА
• USB-разъем: miniUSB Type-B
• Светодиодная индикация: питание, последовательный UART (RX и TX), вывод D13
• Кнопка сброса "Reset"
• Миниатюрные размеры: 45 х 18 мм
• Вес модуля: 6 гр

Модуль ARDUINO NANO нашёл огромную популярность среди начинающих и профессиональных разработчиков проектов и устройств, в основе которых используются ARDUINO-совместимые платы. Сердцем модуля служит микроконтроллер ATmega328P, работающий от стандартного для большинства ARDUINO-плат базовых 5 вольт и на частоте кварцевого резонатора 16 мегагерц, также отлично зарекомендовавший себя в широко известной сообществу ARDUINO плате UNO.

Модуль NANO располагает почти всеми доступными возможностями старшей модели, расположенными на 30 выводах, за исключением отсутствующего бочкообразного разъёма подключения внешнего источника питания. Физические размеры значительно уменьшены за счёт двухстороннего монтажа электронных компонентов.

Любое подключение к модулю потребует от вас умений в пайке. Для максимального удобства, поставляемые в комплекте разъёмы-ножки, с шириной шага 2.54мм между контактами, изначально не припаяны. Вы можете самостоятельно установить данные разъёмы или использовать любые сторонние коннекторы. Если сводить размер готовой модели к самому минимуму, логичным будет непосредственная припайка к выводам соединительных проводов. Установив стандартные ножки в макетную плату для монтажа без пайки, и поместив на них сверху в соответствии с выводами плату модуля, у вас получиться закрепить их максимально ровно. В дальнейшем, это поможет без труда соединять элементы конструкции при прототипировании вашего изделия, находящего в процессе создания и тестирования.

Фактически, ни один из созданных проектов не обходиться без всевозможных дополнительных датчиков, сенсоров, экранов, моторов и других полезных и часто используемых расширений. При желании, вам доступно наращивание микроконтроллера большим ассортиментом существующих расширений, имеющих аналогичный с NANO физический размер. Или, при необходимости, произвести непосредственную коммутацию с дополнительными разноразмерными дисплеями, датчиками, сенсорами, используя проводное соединение. Плата ARDUINO NANO обеспечивает два варианта выходного питания: 5 вольт и 3.3 вольта, заведомо не ограничивая пользователя в подборе совместимых по рабочему напряжению подключаемых модулей. Используя проводное соединение или специальные платы-переходники, модуль можно легко адаптировать под расширения стандарта UNO R3.

Еще одним незначительным ограничением является отсутствующий самовосстанавливающийся предохранитель, отключающий питание модуля от USB-порта в случае превышения максимально допустимой общей нагрузки по току в 500 миллиампер или тока короткого замыкания. Важно знать, что все современные персональные компьютеры обладают встроенной защитой USB-порта от перегрузок и позволяют нагружать порт максимальным током до 900 миллиампер. Просим вас быть внимательными при проектировании и коммутации устройства.

Стоит упомянуть, что плата оснащена бюджетным микроконтроллером CH340, выполняющему роль связующего звена между имеющимся у платы NANO miniUSB-портом и основным контроллером ATmega328P. Данный микрочип разработан китайской компанией WCH. Подробную информацию о его настройке вы можете найти в разделе "Установка CH340G".

Размеры NANO позволяют использовать плату при создании миниатюрных проектов. Она с лёгкостью помещается в небольшой корпус, размеры которого будут близки к размерам спичечного коробка.

Расположение элементов и выводов на плате NANO

Цифровые входы/выходы расположились по обеим боковым сторонам платы. Они способны оперировать напряжением логической "единицы" 5 вольт и напряжением логического "нуля", равного аналогичному значению напряжения. Выводы могут работать в настраиваемых для каждого контакта режимах приёма и передачи значений логических уровней. Максимальный пропускной ток отдельного цифрового вывода составляет 40 миллиампер. Некоторые из цифровых контактов совмещены с аналоговыми и обладают дополнительным функциональным инструментарием. Для взаимодействия с цифровыми выводами применяются функции pinMode(), digitalWrite(), digitalRead().

• TX1 и RX0 - асинхронный последовательный интерфейс UART. RX (вывод 0, "receive") осуществляет приём входящей информации, TX (вывод 1, "transfer") организует передачу исходящей. Сопряжение с другим устройством осуществляется по схеме RX->TX, TX->RX. Оба вывода подключены к ответным контактам связующей микросхемы CH340. Индикация обмена данных светодиодами RX и TX при таком подключении не осуществляется.
• На выводы D2 и D3 назначены внешние прерывания INT0 и INT1. Используются совместно с функцией attachInterrupt().
• A4 и А5 совмещены с двунаправленным последовательным интерфейсом IIC/I2C/TWI. A4 линия последовательные данных SDA (Serial Data). А5 - шина тактирования SCL (Serial Clock).
• D10, D11, D12 и D13 - выполняют роль последовательного периферийного интерфейса SPI, имеющего 4 линии управления. При обмене данными между двумя устройствами главный из них управляем процессом. По линии SS (10) определяется начало и конец сеанса передачи данных. MOSI (11) - линия передаваемых данных от главного к второстепенному, MISO (10) - линия приема информации от второстепенного к главному. Обе линии подключаются ко второму устройству по схеме MOSI->MISO и MISO->MOSI. SCK (SCLK, 13) - шина тактирования, генерируемая главным устройством импульсов синхронизации.
• ШИМ - выводы широтно-импульсной модуляции, имеющие разрешение 8 бит. Контакты позволяют гибко управлять исходящим напряжением в диапазоне от 0 до 5 вольт. Установка нужного напряжения осуществляется при помощи функции analogWrite(). Выводы имеют маркировку D3, D5, D6, D9, D10 и D11.

Аналоговые выводы обозначены на плате в цифро-буквенном виде A0 - A7 и расположены по одной стороне модуля, имеют разрешение 10 бит. Контакты А0-А5 полностью совместимы с цифровыми функциями, а контакты А6-А7 исключительно с аналоговыми функциями.

Вдобавок, аналоговые выводы А4 и А5 совмещены с линиями двунаправленного последовательного интерфейса IIC/I2C/TWI. Контакт А4 - канал последовательных данных SDA (Serial Data), канал А5 - шина тактирования SCL (Serial Clock).

Прочие выводы

Светодиодная индикация:

• Питание (PWR), светодиод светится при подключенном источнике питания к плате;
• Пользовательский (L), управляемый светодиод цифрового контакта 13. Зажигается и гаснет при установке значений высокого уровня HIGH и низкого уровня LOW на вывод D13.
• Передача данных RX и TX, - светодиоды подключены к связующему микроконтроллеру CH340 и отображают процесс приёмо-передачи данных по USB.

REF - задаёт опорное напряжение и выполняет функцию сравнения между напряжением на входе любого аналогового вывода и опорного. Используется программная функция analogRead(), генерирующая значения от 0 до 1023 (10-бит). При задании опорного напряжения 5 вольт и сравнивая напряжение аналогового входа 2.5 вольта, результатом будет значение 512.

ICSP - внутрисистемное программирование ATmega328P. Группа из 6 контактов позволяет осуществить непосредственный доступ к памяти микроконтроллера, минуя все цепи обмена данными у платы. Программирование через разъём ICSP позволяет увеличить свободную память до максимального размера путём удаления загрузчика с возможностью его повторной записи обратно. Чаше всего применяются программаторы USB ASP, AVRISP STK500 или любые другие, имеющие интерфейс SPI и поддерживающие оригинальный протокол STK500.

Reset вывод - перезапуск микроконтроллера ATmega328P, происходящий при передаче на контакт напряжения низкого уровня "0" (значение LOW). Функция сброса также используется при программирования микроконтроллера. При вызове перезапуска, загрузчик контроллера ATmega328 несколько секунд ожидает новый код, после чего переходит к выполнение уже имеющейся в памяти программы. В среде разработки ARDUINO API данная функция осуществляется автоматически.

Кнопка Reset - ручной перезапуск микроконтроллера.

Назначение выводов

Питание

На любой из стадий - создания, проектирования или в законченном варианте вашего изделия, плату NANO можно подключить к источнику питания нижеприведёнными способами:

• Мини-B USB разъём, напряжение 5 вольт;
• Вывод VIN (30й контакт) - неотрегулированное напряжение в допустимом диапазоне от 6 до 12 вольт. Поступаемое на вывод VIN напряжение преобразуется встроенным регулятором в постоянные 5 вольт;
• 5V - название вывода говорит само за себя. К данному контакту подключается стабилизированное (отрегулированное) рабочее напряжение 5 вольт. Превышение недопустимо по причине того, что поступающее через вывод питание не соединено с преобразователем. Последствия повышенного напряжения на входе могут стать необратимы.

Вывод GND является общим (заземлением, минусом, нулём) в любом подключении.

При одновременном подключении к плате нескольких источников питания, выбор происходит автоматически, и приоритетным становиться источник с более высоким потенциалом.

Выводы 5V и 3.3V могут быть использованы как источник базового напряжения для подключаемых дополнительных модулей расширения.

Модуль ARDUINO NANO содержит в себе только один (против 2 у старших моделей) преобразователь напряжения на 5 вольт. Пониженное напряжение 3.3 вольта генерируется микросхемой CH340 и доступно лишь в единственном варианте общего питания - через порт USB. Таким образом, если завершённое устройство использует какой-либо другой источник питания, напряжение на контакте 3.3V станет недоступным пользователю. Максимальный допустимый ток нагрузки вывода 3.3V составляет 30 миллиампер.

Память ATmega328P

Микроконтроллер ATmega328P содержит в себе 32 килобайта доступной для программирования флеш-памяти, из которых 2 килобайта выделено для загрузчика - предварительно записанного специального программного кода, позволяющего программировать память контролера с помощью среды разработки ARDUINO API.

Также, присутствуют 2 килобайта оперативной энергозависимой памяти, и 1 килобайт электрически стираемой перепрограммируемой энергонезависимой памяти EEPROM.

Принципиальная схема

Установка драйвера CH340, первое подключение

В некоторых младших сериях ARDUINO, таких как Arduino PRO MINI, для работы  требовалась припайка контактов с последующим подключением дополнительных модулей преобразования сигналов USB-в-TTL. В модуле NANO уже реализован один из подобных конвертеров, вам достаточно соединить USB-порт с компьютером, используя кабель. Вы увидите следующее:

Заглянув в Диспетчер устройств, вы обнаружите нераспознанное операционной системой подключение по USB 2.0

Для корректной работы потребуется установка программного обеспечения для чипа CH340G, который создаст виртуальный COM-порт на вашем компьютере. Драйвер для него можно загрузитьпо ссылке. Поддерживаются ОС Windows: XP, Vista, 7, 8, 8.1, 10.

После установки драйвера Диспетчер устройств будет выглядеть следующим образом:

На плате загорится светодиод "ON", информирующий вас о подключенном к плате питании и, спустя доли секунды, светодиод "L" начнёт мигать. При отсутствии в памяти микроконтроллера ATmega328P какой-либо программы, а также при наличии программы, не обращающейся к выводу D13, пользовательский светодиод "L" гореть не будет. Предварительно загруженная программа служит проверкой исправности и работоспособности модуля.

Программирование микроконтроллера

Вероятно, вы ранее никогда не были знакомы с комплексом ARDUINO, сочетающий в себе микроконтроллерные платы и среду разработки программного обеспечения на их основе. Если это так, то для начала потребуется загрузить и установить на ваш компьютер бесплатный визуальный редактор ARDUINO IDE. Затем, необходимо произвести несложные настройки, которые помогут понять программной оболочке, какую модель ARDUINO следует программировать.

Платы ARDUINO можно программировать двумя вариантами: программаторами или с помощью уже установленной вами редактора ARDUINO IDE. Заранее вшитый в микроконтроллер ATmega328P загрузчик позволяет загружать код программы через USB-порт. Присутствие кода загрузчика в микроконтроллере облегчает процесс программирования, исключая необходимость в применении внешних программаторов.

Любая программа, написанная для плат семейства ARDUINO, именуется "Скетч". Прежде чем вы начнете писать или загружать скетч в NANO, проведите настройку редактора ARDUINO IDE:

• В меню Инструменты (Tools)/Плата (Boards) панели управления редактором выберите ваше устройство: Arduino NANO

• В меню Инструменты (Tools)/Процессор (Processor) тип контроллера - ATmega328P (Old Bootloader).

• Сообщаем редактору созданный при подключении виртуальный COM-порт. В ОС Windows порты могут быть COM2, COM3 ... COM10 и т.д. На ОС MAC наименование порта может выглядеть как /dev/tty.usbserial-A6006hSc. Выбираем Инструменты (Tools)/Порт (Port) и выделяем COM...

Теперь вы можете смело запускать ваш скетч. После нажатия кнопки "Загрузить" на плате замигают светодиоды RX и TX, указывающие на активность передачи данных через USB-вTTL конвертор, и в окне редактора появиться сообщение "Загрузка завершена" (Done Uploading). Ваш модуль ARDUINO NANO моментально приступит к выполнению программного кода.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос №1. Не получается прошить Nano в Arduino IDE.

Ответ. Чип Atmega328P, установленный на плате Arduino Nano, может быть фабрично прошит одним из двух варинатов загрузчиков (мини ПО), отличающихся друг от друга скоростью связи. Версия нового загрузчика "Atmega328P" работает на скорости 115200 бод, в то время как ранняя версия "Atmega328P (Old bootloader)" — 57600 бод. Обе версии не совместимы между собой. Если не получается прошить контроллер первым вариантом, следует воспользоваться вторым. Если обе версии неработоспособны, потребуется запись нового загрузчика для Nano из Arduino IDE.