Arduino TIAN

Программируемый контроллер ARDUINO TIAN

• Микропроцессор LINUX-части
• Процессор: Atheros AR9342
• Производительность: MIPS 74K
• Рабочее напряжение: 3.3 В
• Флеш-память для прошивки: 16 Мб
• Флеш-память хранения данных: 4 Гб (eMMC)
• ОЗУ-память: 64 Мб, DDR2
• Тактовая частота: 560 МГц
• WiFi: 802.11 b/g/n 2.4ГГц двухдиапазонный
• Ethernet: 802.3 10/100/1000 Мбит/с, контроллер Qualcomm Atheros AT8035
• USB: 1 порт USB 2.0 хост
• Arduino-микроконтроллер
• Микроконтроллер: SAMD21G18A
• Архитектура: ARM Cortex-M0+
• Рабочее напряжение: 3.3 В
• Флеш-память: 256 Кб
• ОЗУ-память: 32 Кб
• Загрузчик: 69 Кб в закрытой области
• Тактовая частота: 48 МГц
• Аналоговые входы АЦП: 8, 12-бит
• Аналоговые выходы ЦАП: 1, 10-бит
• Максимальный ток входа/выхода: 40 мА
• Основные
• Bluetooth-связь: Bluetooth с EDR / BLE 4.0, на чипе CSR8510
• Питание платы: 5 В (USB) или 7-12 В (внешний источник)
• ШИМ выводы: 12, 8-бит
• Размер платы: 53 х 68,5мм
• Вес: 36гр
• Светодиодная индикация состояний и событий

Возможности

Новая плата ARDUINO TIAN оснащена микроконтроллером Atmel SAM21G18A c 32-разрядным ядром ARM Cortex M0 (Arduino-часть), сопряжённым в пару с мощным высокоинтегрированным MIPS-процессором Qualcomm Atheros AR9342 (Linux-часть). AR9342 работает под управлением установленной операционной системы Linino, основанной на Linux-ядре OpenWRT. Плата содержит в себе многофункциональный двухдиапазонный Wi-Fi модуль стандарта IEEE802.11n с частотой 2,4/5 ГГц, а также два разъёма для подключения внешних антенн. Ко всему, плата обладает встроенной eMMC-памятью объёмом 4 ГБ, модулем Bluetooth BLE 4.0, USB-хостом и Ethernet-интерфейсом.

LininoOS основана на специально подготовленной версии дистрибутива Linux для встраиваемых систем OpenWRT, изначально обладающей около 3000 предварительно установленных и доступных пакетов. LininoOS предлагает пользователям полностью записываемую файловую систему с возможность управления пакетами (файлами), имеющими подпись GPG.

Примечание! GPG (GNU Privacy Guard) – это свободное средство для шифрования данных. GPG обеспечивает безопасную передачу информации и может подтвердить подлинность источника сообщения.

Благодаря интегрированным в Linino возможностям обмена данными - LininoIO, TIAN позволяет создавать проекты из области "Пространство Интернет-вещей", состоящей из целой сети физических устройств, транспортных средств, домашней бытовой техники или других предметов, оснащённых электроникой, программным обеспечением, датчиками, приводами и связью. Все эти "умные" устройства могут самостоятельно собирать данные и обмениваться ими между собой.

LininoIO - программная платформа, способная интегрировать возможности микроконтроллера в процессорную среду. Вы с лёгкостью сможете создавать приложения с применением языков JavaScript (Node.js), Python, пользоваться командным интерпретатором Bash и т.д. LininoOS позволит взять полное управление над платой, а также над всеми совмещаемыми с модулем TAIN устройствами.

В версии LininoOS модуля TIAN уже предустановлены некоторые компоненты программного обеспечения, включая интерпретатор языка Python 2.7 и кроссплатформенная служебная программа командной строки cURL. Установка дополнительных пакетов программного обеспечения на Linux-системах возможно при помощи пакетного менеджера "opkg", предварительно скомпилированный вариант которого можно найти в последних версиях LininoOS.

Обзор платы TIAN

Светодиодная индикация:

• ETH - сигнализирует обмен данными по LAN-подключению Ethernet;
• MCU ON - питание Arduino-микроконтроллера SAMD21;
• LNX ON - питание Linux-процессора Atheros 9342;
• L13 - доступный пользователю для программирования светодиод, привязанный к 13 контакту;
• TX, RX - отображает процесс обмена данными между USB-портом для программирования и связующим USB-в-TTL микроконтроллером CP2105;
• BT - сообщает об обмене данными по Bluetooth;
• WLAN - мигает при поиске и передачи данных по Wi-Fi;
• USB - светиться при подключении устройств к USB-концентратору.

Питание

ADUINO TIAN предоставляет следующие варианты подключения питания к плате:

• Порт micro-USB, соединённый кабелем с компьютером или любым другим USB-разъёмом, обеспечивающим номинальное напряжение 5 вольт. Максимальный ток такого подключения составляет 900мА, включая питание всех частей платы.
• Внешний источник питания (не USB). Ими могут быть адаптеры или блоки питания, преобразующие переменное напряжение в постоянное, а также батареи или аккумуляторы.

Модуль автоматически определяет доступность источника питания из возможных вариантов. В случае одновременного подключения нескольких источников, внешнее питание является приоритетным для платы.

Примечание! Требования к внешнему питанию: 600мА и 5 вольт.

Силовые контакты:

• Vin. Входящее напряжение для Arduino-платы, когда используется внешний источник напряжения. Вы можете подключить напряжение к этому контакту. Диапазон допустимого напряжения контакта - 5 вольт ± 5%.
   
  Примечание! Модуль TIAN не имеет бочкообразного разъёма подключения внешнего источника, который присутствует у большинства подобных Arduino-плат. Поэтому, коммутация осуществляется непосредственно к выводам Vin (плюс) и GND (минус).
   
• 5V. Стабилизированное питание, используемое микроконтроллером и другими компонентами платы. Напряжение 5 вольт поступает от контактов Vin, либо от USB-порта через встроенный выпрямитель. Максимальный выходной ток составляет 2 ампера (в зависимости от источника питания).
• 3V3. Генерируемые внутренним регулятором 3.3 вольта. Максимальный пропускной ток составляет 2А (в зависимости от источника питания).
• GND. Выводы заземления.
• IOREF. Рабочее напряжение платы, а также напряжение контактов ввода/вывода. У TIAN это напряжение 3.3 вольта.

Память

ATSAMD21G18 оснащён: 256 Кб флеш-памяти, доступных пользователям; дополнительными 69 Кб памяти, занятых загрузчиком; 32 Кб ОЗУ-памяти. Загрузчик предварительно прошит производителем микросхемы Atmel и хранится в выделенной памяти. Доступ к загрузчик защищён фьюзами, хранящимися в энергонезависимой памяти.

Примечание! Фьюзы (Fuses) – это несколько специальных байт, отвечающие за разные настройки микроконтроллера, которые можно прошить только внешним программатором.

Ввод и Вывод

Прямого доступа к контактам ввода/вывода контроллера Atheros AR9342 не предусмотрено. Все его линии привязаны к чипу Atmel SAMD21. Atheros подключен к USB-концентратору с 4 портами (см. Блок-схему в файле Принципиальной схемы). Концентратор также связывает Bluetooth, память eMMC, микроконтроллер SAMD21 и дополнительный USB-порт.

Каждый из 23 цифровых контактов может быть использован для ввода и вывода логических данных (0 или 1) при помощи программных функций pin Mode(), digitalWrite() и digitalRead(). Напряжение логических данных составляет: "1" - 3.3 вольта, "0" - 0 вольт. Максимальный ток для каждого вывода - 40 мА. Контакты имеют внутренние нагрузочные резисторы (по умолчанию отключены) 20-50 кОм. Некоторые из выводов наделены специализированными функциями:

• Последовательный асинхронный интерфейс UART: 0 (RX) и 1 (TX). Применяются для приёма (RX) и передачи (TX) 3.3 вольта последовательных данных, задействовав возможности последовательной аппаратной части микроконтроллера SAMD21.
   
  Примечание! Основной класс Serial у TIAN относится к USB (CDC)-связи. Для установки последовательной связи через контакты 0 и 1 необходимо использовать класс Serial5. Последовательная связь между Atmel SAMD21 и AR9342 на TIAN организована на аппаратном уровне и настроена на совместное взаимодействие между процессорами.
   
• Двунаправленный последовательный интерфейс I2C/TWI: контакты SDA и SCL поддерживают TWI-связь с подключением библиотеки Wire. Эти выводы не соединены ни с одним другим цифровым входом/выходом.
   
• Внешние прерывания: все выводы (кроме контакта 2), обладают внешними прерываниями - контакт 0 (прерывание 11), контакт 1 (прерывание 10) и т.д. Каждый контакт можно настроить на генерацию прерывания по низкому уровню, по восходящему или спадающему фронту (задержка программы для предотвращения ложного прерывания в момент подачи питания), или на любое изменение уровня на входе вывода прерывания. Оперирует прерываниями программная функция attachInterrupt().
   
• Контакт 7 соединён с процессором AR9342 и может использоваться для автоматизированного процесса согласования между контроллерами SAMD21 и AR9342. Рекомендуется соблюдать осторожность при возможных конфликтах, если выводу планируется назначить прерывание.
   
• LINUX (MIPS) вкл./выкл.: Linux-сторону допускается включать/выключать через контакт 32. Пример: включение - digitalWrite(32, HIGH), выключение - digitalWrite(32, LOW).
   
• ШИМ: широтно-импульсная модуляция, позволяющая регулировать исходящее напряжение вывода. ШИМ организован на контактах от 2 до 13 с разрядностью 8-бит (256 возможных значений). Значения напряжений устанавливаются программной функцией analogWrite(). Разрядность допускается изменять программной функцией analogWriteResolution(). Одновременно не могут быть задействованы контакты 4 и 10, а также 5 и 12.
   
• Последовательный периферийный интерфейс SPI: только на группе из 6 контактов ICSP-разъёма. Выводы поддерживают SPI-связь с применением библиотеки SPI.
   
  Примечание! SPI-выводы не соединены с любыми другими цифровыми входами/выходами, как на других подобных Arduino-платах. Подключаемый к TIAN модуль расширения, не имеющий такого же ответного 6-ти контактного ICSP-разъёма SPI-интерфейса, просто не будет работать.
   
• Аналоговые входы: А0-А5, A6-A7. TIAN оснащён 8-ю аналоговыми входами, которые могут быть задействованы как цифровые входы/выходы. Контакты А0-А5 расположены также, как и на UNO R3. Контакты A6-A7 - на цифровых выводах 8 и 9. Каждый аналоговый вход имеет разрядность 10-бит (1024 возможных значения).
   
• AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Изначально, измерение входящего напряжения настроено от общего (0 вольт) до 3.3 вольта. С помощью контакта AREF и программной функции analogReference() настраивается верхний порог измеряемого напряжения.
   
• 10-битный Цифро-Аналоговый Преобразователь (ЦАП) на контакте А0. Оперируется программной функцией analogWrite().

В модуль TIAN установлены 3 кнопки сброса с различными функциями: "MCU RST" для перезапуска SAMD21, "LNX RST" для перезагрузки AR9342, "WLAN RST" для сброса Wi-Fi (7-10 секунд) и сброса настроек до заводских (более 30 секунд).

Связь

В модуле ARDUINO TIAN реализовано несколько возможностей для взаимодействия с компьютером, с другими Arduino-платами или прочими микроконтроллерами, с различными устройствами, такими как телефоны, планшеты, камеры и т.д. Контроллер SAMD21 располагает одним аппаратным UART и тремя аппаратными USART интерфейсами для создания последовательной 3.3В-коммутации. В программном обеспечении ARDUINO IDE присутствует "Монитор последовательного порта", позволяющий отправлять в модуль и получать от модуля простые текстовые сообщения. Установленные на плату светодиоды RX и TX будут мигать, когда происходит обмен данными между микроконтроллером SAMD21 и USB-портом (индикация не отображается для последовательной связи при подключении к выводам 0 и 1). Порт USB соединён с микросхемой Silicon Labs CP2105 и осуществляет последовательную (CDC) связь через USB, предоставляя возможность подключаться к "Монитору последовательного порта" или другим приложениям вашего компьютера.

В программное обеспечение ARDUINO IDE включены библиотеки Wire (I2C/TWI-связь) и SPI (SPI-связь), упрощающие установление связи между модулем и подключаемыми дополнительными платами или микроконтроллерами.

Распиновка выводов TIAN

Принципиальная схема модуля ARDUINO TIAN.

Техническая документация контроллера SAMD21.

Подготовка TIAN к первому включению

Прежде, чем вы начнёте, загрузите на компьютер и установите бесплатно распространяемый редактор Arduino IDE. Запустите его. Соедините плату с компьютером через USB-порт, который находится ближе всего к кнопке сброса, при помощи USB-кабеля. Дождитесь окончания распознавания вашего устройства операционной системой компьютера, при котором будут автоматические определёны два виртуальных COM-порта. Один порт (Enhanced COM Port/Programming Port) предназначен для UART SAMD21, второй (Standart COM Port/Console Port) - для Linux-процессора. В редакторе ARDUINO IDE они будут именоваться соответственно: Arduino Tian и Arduino Tian (MIPS Console Port).

Примечание! Если этого не произошло, установите дополнительный пакет драйвера для связующего UBS-в-TTL чипа CP210x, скачать который под разную ОС (Windows, OSX, Linux) можно по ссылке.

При первом подключении платы TIAN к компьютеру, редактор ARDUINO IDE попросит вас установить дополнение, поддерживающее работу с модулем. Обязательно установите пакет Arduino SAMD Boards (32-bits ARM Cortex-M0+) через Менеджер плат "Инструменты -> Плата -> Менеджер плат".

В процессе загрузки вам будет предложено установить загруженные драйвера на ваш компьютер, соглашайтесь до полного окончания установки.

Далее, необходимо настроить сам редактор, чтобы он понимал, с какой платой вы будете работать. Выполните несколько простых шагов:

• Запустите ARDUINO IDE;
• Перейдите во вкладку "Инструменты -> Плата", и в раскрывшемся списке выберите "Arduino Tian".
• Перейдите во вкладку "Инструменты -> Порт", и в раскрывшемся списке выберите "COMxx (Arduino Tian)" для контроллера SAMD21.

Автоматический (программный) сброс

Tian сконструирован таким образом, чтобы при прошивке новой программы не требовалось производить ручной сброс микроконтроллера. Перезапуск осуществляется программным обеспечением ARDUINO IDE. Процесс запускается при открытии USB-порта на скорости 1200 бит/сек., приводя к "мягкому сбросу", и заставляет плату перезагрузиться, одновременно разрывая USB-связь. При этом, созданные ранее виртуальные порты аннулируются. Запускаясь, стартовый загрузчик остаётся активным на протяжении 8 секунд. Загрузчик можно запустить вручную, нажав кнопку "MCU RST" на TIAN. Важно знать о том, что подключаемое к модулю питание не приводит к запуску загрузчика, плата сразу начинает выполнять ранее прошитый в микроконтроллер код программы. Если программное обеспечение не в состоянии сбросить плату, вы всегда сможете запустить загрузчик, нажав кнопку сброса на плате.

Примечание! Каждое открытие "Монитора последовательного порта" на скорости 1200 бит/сек. также приведёт микроконтроллер к сбросу.

Примечание! В настоящий момент библиотека Bridge не совместима, используйте библиотеку Ciao. Установить её можно в Менеджере библиотек ARDUINO IDE: "Инструменты -> Управлять библиотеками..." и в поиске набрать "Ciao".

Программирование (USB подключение)

Пользователям ОС Linux необходимо ознакомится с руководством Linux-версии ARDUINO IDE. Загрузка пользовательских программ не SAMD21 немного отличается от привычного способа для AVR-контроллеров других Arduino-плат. Перед повторным программированием необходима очистка флеш-памяти микроконтроллера. Операция загрузки исполняемого кода самостоятельно управляет выделенной областью ПЗУ на SAMD21 во процессе прошивки.

Убедитесь, что вы верно настроили редактор, как рассказано в разделе "Подготовка к первому включению". Попробуйте загрузить первый скетч (так называется любая программа, созданная в редакторе) из библиотеки примеров, имеющихся в среде программирования ARDUINO IDE.

Теперь просто нажмите кнопку "Загрузить" в левом верхнем углу окна (круглая стрелка вправо) и подождите несколько секунд. Пока скетч компилируется и загружается, вы увидите мигание светодиодов RX и TX на вашей плате. По окончании процесса, в строке статуса (внизу окна) появиться надпись "Загрузка завершена". Спустя еще несколько секунд, встроенный светодиод L13 начнёт мигать оранжевым цветом. Поздравляем! Вы научились настраивать и программировать вашу Arduino!

Программирование (беспроводное, по Wi-Fi)

Если ваши TIAN и компьютер подключены к одной сети, вы можете загружать скетчи и программировать SAMD21, используя беспроводное соединение. После конфигурирования платы, подключите её к сети, указанной в произведённых настройках. Откройте ARDUINO IDE. В меню редактора "Инструменты -> Порт" вы должны увидеть перечень доступных портов с указанием имени вашего TIAN и его IP-адреса. В меню "Инструменты -> Плата" выберите ARDUINO TIAN. Откройте простой пример (Файл>Примеры>01.Basics>Blink) и прошейте скетч в плату. Вам будет предложено ввести пароль администратора. Используйте тот, который был введён вами в настройках конфигурирования. Как только программа загрузится в плату, процессор SAMD21 перезапустится. Спустя несколько секунды вы сможете наблюдать моргание светодиода, подключенного к контакту 13.

TAIN, как и многие Arduino-платы, поддерживает программирование через виртуальный WER-редактор ARDUINO. Его удобство в том, что не нужно загружать обычный установочный пакет редактора на ваш ПК. Таким образом, возможно программирование SAMD21 по беспроводной связи с любого ПК или мобильного устройства, настроенного на общую локальную сеть.

Руководство по настройке беспроводного соединения Wi-Fi

Руководство, шаг за шагом продемонстрирует, как впервые настроить вашу Arduino. Плата должна быть подключена к одному источнику питания с выходным током не менее 2 ампер. Спустя двадцать секунд после включения модуля, найдите плату Arduino в списке доступных Wi-Fi сетей на вашем компьютере.

Примечание! Если вам требуется перезапустить Wi-Fi на Arduino, нажмите и удерживайте кнопку сброса "WLAN RST" в интервале 5-30 секунд.

Установите на компьютере соединение с Wi-Fi сетью ARDUINO-TIAN, откройте браузер и напишите следующий адрес: http://arduino.local или IP-адрес http://192.168.240.1 в адресной строке. Через несколько секунд появиться страница с запросом пароля (по умолчанию - arduino).

Примечание! Может не корректно работать на браузерах мобильных устройств.

Введите пароль и нажмите кнопку "Login". Теперь, вы в Arduino OS, которая запустит программу "Помощник конфигурирования Arduino".

Примечание! Помощник запускается только один раз при первом входе в Arduino OS.

Присвойте вашей плате уникальное Имя, установите Пароль (8 или больше символов) и выберите вашу часовую зону/регион. Рекомендуется установить эти параметры, поскольку они могут помочь подключиться к локальной сети Wi-Fi. Настройка локальной временной зоны также выбирает основной домен верхнего уровня вашей страны. Если оставить поля пустыми, система сохранит пароль arduino по умолчанию. Когда вы закончите, нажмите "Далее" (Next).

Выберите вашу беспроводную сеть и введите пароль. Нажмите "Далее" (Next) для продолжения конфигурирования.

Вы увидите переключатели изменения доступа к Rest API, 1 включен - 0 выключен.

REST - аббревиатура для "Передача Состояния Представления" (Representational State Transfer). Это программная архитектура, раскрывающая различные части аппаратной платформы Arduino через URL-адреса. По умолчанию, доступ к API REST защищен паролем. Допускается изменить доступ к сервису без использования пароля, установив в соответствующем поле значение 0 (выключен).

Завершите настройки нажатием кнопки "Сохранить" (Save).

Дождитесь окончания операции сохранения новых изменений. Теперь подключите ваш ПК к той же сети, что и TIAN, и получите доступ к вашей плате, введя имя.local/ или IP-адрес в адресной строке.

Ethernet-подключение

При проводном LAN-подключении к модему/маршрутизатору, модуль автоматически получит новый свободный IP-адрес, выделенный DHCP-сервером вашей локальной сети. Если вы хотите напрямую соединить модуль с вашим компьютером, настройте компьютерные интерфейсы на работу со статическим IP или активируйте DHCP-сервер.

Сброс процессоров (AR9342, WiFi и SAMD21)

Перезапуск AR9342 с одновременной перезагрузкой LininoOS осуществляется нажатием кнопки "LNX RST". Перезапуск SAMD21 с одновременной перезагрузкой прошитого ранее скетча происходит при нажатии кнопки "MCU RST". Перезапуск Wi-Fi произойдёт, когда вы нажмёте кнопку "WLAN RST", при этом замигает светодиод "WLAN".

Если вы перешли на другую локальную сеть, доступ через web-интерфейс к TAIN станет более невозможным. Соединение восстанавливается повторным конфигурированием сетевых настроек TIAN. Для этого необходимо сбросить настройки до заводских нажатием и удержанием кнопки "WLAN RST" на время более 30 секунд. Спустя несколько секунд, TIAN запустить свою сеть ARDUINO-TIAN-XXXXXXXXXXXX. Все сетевые настройки, произведённый ранее, обнулятся. Вдобавок, будут удалены все установленные ранее файлы.

Произведите настройки заново так, как рассказано в разделе "Руководство по настройке беспроводного соединения Wi-Fi". Обратите внимание, что мастер настроек запускается только при первом входе в ArduinoOS.

1 - иконка всех настроек, 2 - сетевые настройки Arduino