UNO R4 WiFi EVB

Arduino — одна из самым известных и популярных учебно-образовательных платформ по программированию микроконтроллеров, имеющая персональную интегрированную среду разработки приложений - Arduino IDE. Полностью открытая платформа Arduino выделяется среди других своей оглушительно успешной многолетней историей. Развитие учебной платформы Arduino продолжается и в настоящее время - выходят в свет новые электронные платы, совершенствуется оригинальное программное обеспечение. За последние десятилетия для Arduino обнародовано множество интересных и увлекательных учебных материалов. За годы существования Arduino, огромный безвозмездный вклад в её поддержку привнесло сообщество из профессиональных разработчиков и любителей-энтузиастов, своими руками создавших неисчислимое количество проектов уникальных многофункциональных устройств, примеры которых доступны для всех желающих. Ими написано множество программных библиотек для Arduino IDE, добавляющих платформе значительно бóльшую универсальность.

Arduino — это аппаратно-программный конструктор, основанный на микроконтроллерах семейства AVR и ARM, позволяющий создавать законченные устройства для индивидуального применения или предназначенные для задач массового рынка. Платформа Arduino обладает нескончаемым потенциалом относительно возможностей расширения проектируемого приложения. Устройство с Arduino-контроллером может состоять из двух и более совместимых модулей, а также включать в себя сколько угодно самых разных электронных компонентов. Поддержка цифро-аналоговых интерфейсов предоставляет высокий уровень коммуникации Arduino-контроллера с аналогичными платформами или иным внешним оборудованием.

Технические характеристики

• Модель: UNO R4 WiFi, Arduino-совместимая
• Напряжение питания
  • 5В DC через порт USB Type-C
  • 6~16В DC через разъём DC5525 или вывод VIN
  • 3.7В DC через VRTC (для домена RTC)
• Напряжение логики: 5В (3.3В ESP32)
• Ток нагрузки на один логический вывод, макс.: 8мА
• Ток нагрузки на все логические выводы, макс.: 60мА
• Основная часть
  • Микроконтроллер: 32-разрядный ARM Cortex-M4 R7FA4M1AB3CFM, Renesas Electronics
  • Тактовая частота, макс.: 48МГц
  • Встроенная память
    • ОЗУ: 32кБ RAM
    • ПЗУ: 256кБ Flash
    • EEPROM: 8кБ
  • Цифровые входы-выходы: 14 (20)
  • Аналоговые входы: 6, разрядность 14 бит
• Дополнительная часть
  • Беспроводная связь: Wi-Fi 4 / Bluetooth 5.0
  • Радиомодуль: 32-разрядный 2-ядерный Xtensa LX7 ESP32-S3-MINI-1-N8
  • Тактовая частота, макс.: 240МГц
  • Встроенная память
    • ОЗУ: 512кБ SRAM
    • ПЗУ: 384кБ ROM
  • Диапазон частот трансивера: 2408~2484МГц
  • Цифровые входы-выходы: 14 (контактные площадки)
• Интерфейсы: UART, I2C, SPI, CAN, ШИМ (PWM), ЦАП (DAC), прерывания (INT), часы реального времени RTC
• Порты
  • USB Type-C: программирование R7FA4M1, HID-функции 
  • Qwiic: для подключения 3.3-вольтовых I2C-модулей
• Управление: кнопка сброса Reset, переключатель шины USB между R7FA4M1/ESP32-S3
• Вывод данных: программируемая LED-матрица 8*12(96) мини-светодиодов
• Индикация: напряжение питания, активность UART(RX,TX), пользовательский D13
• Защита: от переполюсовки напряжения питания, от перегрузки по току
• Температура эксплуатации: -40°С ~ +85°С
• Размеры: 68.85 х 53.34 х 12.5мм
• Вес: 20г

Первичная часть UNO R4 WiFi

UNO R4 WiFi EVB — Arduino-совместимая оценочная плата, во многом повторяющая дизайн максимально "заряженной" модели Arduino UNO 4-й ревизии. Первичная её часть построена на 32-разрядном микроконтроллере ARM Cortex-M4 R7FA4M1AB3CFM с тактовой частотой 48МГц, обеспечивающего 3-кратно возросшую производительность в вычислительных операциях (против 16МГц UNO R3). Обновлённый процессор вносит в UNO R4 новые опции: интерфейс 12-битного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), увеличенное до 14 бит разрешение аналого-цифрового преобразователя (АЦП), CAN-интерфейс, интерфейс операционного усилителя OPAMP, нативный порт USB последовательной шины RX/TX (отделённый от второй последовательной шины UART RX/TX), существенно расширенный объём ОЗУ и ПЗУ.

UNO R4 не имеет персональной операционной системы, в главном чипе лишь записано мини-ПО для запуска приложения и для загрузки нового пользовательского кода. Пользовательские порты общего назначения расположены на UNO R4 WiFi по периметру в  "классическом" стиле, принадлежат они микроконтроллеру R7FA4M1. Все цифровые и аналоговые порты, как и раньше, оперируют логическими сигналами с 5-вольтовым уровнем напряжения. Нагрузочный ток на один логический вывод ограничен до 8мА, суммарный ток всех выводов не должен превышать 60мА.

Вторичная часть UNO R4 WiFi

Вторичная часть UNO R4 WiFi представлена модулем радиопередатчика ESP32-S3-Mini-1-N8 со встроенной антенной, образующая интерфейс беспроводной связи стандартов Wi-Fi 4 и Bluetooth 5.0. По умолчанию чип ESP32-S3 функционирует в роли "промежуточного моста", через него "проходит" вся информация между портом USB Type-C и контроллером R7FA4M1. UNO R4 WiFi обладает электронным переключателем с программным управлением, соединяющим USB-С либо с ESP32-S3, либо с ARM Cortex M4. В добавок на плате есть нераспаянная перемычка принудительной установки прямого маршрута от USB-С к R7FA4M1.

Для контроллера ESP32 на печатной плате разведены служебные выводы — площадки под пайку и контактный разъём 3х2. Через эти выводы ESP32 может быть запрограммирован любой другой совместимой прошивкой. Исходное состояние Wi-Fi/BT-чипа возвращается повторной записью оригинальной прошивки. Логика контроллера ESP32-S3 работает исключительно с 3.3-вольтовыми уровнями и не поддерживает прямое подключение оборудования с 5-вольтовой логикой/питанием.

В UNO R4 оснащена матрицей из 96 мини-светодиодов с расположением сегментов в форме прямоугольника 8х12. LED-матрица позволяет создавать в приложении визуальное отображение информации из статичных изображений или многокадровой анимации. Она также может быть использована для программирования простеньких игр уровня тетрис-змейка. Линии управления сегментами матрицы привязаны к основному контроллеру R7FA4M1 и не имеют физического доступа. Микросхема интегрированного DC-преобразователя предусматривает питание UNO R4 от напряжения в расширенном диапазоне 6~16В постоянного тока.

Альтернативный взгляд на UNO R4 WiFi

Бонусом ревизии UNO R4 WiFi EVB является наличие второго "дублирующего" ряда группы цифровых и аналоговых портов, другого чипа LDO системы питания платы, расчитанного на нагрузку до 800мА, и механического микропереключателя, заменяющего контактные плащадки для принудительного переключения USB-шины между чипами R7FA4M1/ESP32-S3.

Важно учитывать свободные ресурсы встроенного понижающего регулятора напряжения с пропускной способностью по току до 800мА. На R7FA4M1 может тратиться до 150мА, на ESP32-S3 — до 400мА. 

Компоненты и интерфейсы UNO R4 WiFi

Диаграмма коммуникационных выводов/интерфейсов, функциональное назначение

Только для опытных пользователей! Представленная модифицированная версия диаграммы выводов UNO R4 WiFi содержит дополнительную информацию о расположении и назначении доступных коммуникационных линий микроконтроллера ESP32-S3-Mini-1-N8. Разводка линий ESP32-S3 оформлена круглыми контактными площадками Ø0.7мм по двум сторонам WiFi/BT-контроллера. Логика ESP32 работает только с 3.3-вольтовыми сигналами.

Программное обеспечение

1. Программная среда разработки приложений Arduino IDE (web-ресурс)
2. Онлайн-редактор для светодиодной матрицы UNO R4 WiFi (web-ресурс)

Документация

1. Электрическая принципиальная схема Arduino UNO R4 WiFi (PDF)
2. Учебники и руководства для Arduino UNO R4 WiFi (web-ресурс)
3. Сборник демонстрационных проектов Arduino (web-ресурс)