Arduino UNO: Board Anatomie
Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Abb. 1 zeigt die Hauptkomponenten des Arduino Uno R3.
| RX, TX | Das sind die Sende- und Empfangspins der seriellen Schnittstelle (Universal AsynchronousReceiver Transmitter, UART).
Bevor der USB-Bus erfunden wurde, waren beispielsweise Mäuse und Modems per serieller Schnittstelle mit dem PC verbunden. Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt in der Regel zwischen 1200 und 115200 Baud. Heute spielt der UART nur noch im Entwicklerbereich eine Rolle. |
| SCL, SDA | Die zwei Pins gehören zum I2C-Bus (Inter IC Communication), über den der Arduino Daten mit Sensoren und anderer Elektronik austauschen kann. Im Unterschied zum UART gibt es nur eine Leitung für die Hin- und Rückrichtung (SDA, Serial Data), dank eines einheitlichen Protokolls und eines Taktsignals (SCL, Serial Clock) gibt es aber keine Konflikte auf dem Bus. |
| SPI | Das Serial Peripheral Interface ist ein
synchroner serieller Bus, mit Hin-, Rück- und Taktleitung. Beim Arduino dient er dem Datenaustausch mit Sensoren und Steuer - modulen, aber auch der Programmierung seines Flash-Speichers mit einem speziellen Gerät. Standardmäßig arbeitet der SPI auf dem Arduino mit 4 MHz. |
| Digital (PWM~) | Die digitalen Pins lassen
sich jeweils als Ein- oder Ausgang programmieren. Arbeiten sie als Eingang, kann man dem Arduino mit einer Spannung von 0 V eine logische 0 und mit 5 V eine logische 1 von außen signalisieren, auf die er reagieren kann. Ist ein Pin als Ausgang konfiguriert, kann er per Programm seiner Umwelt oder weiterer Elektronik eine logische 1 oder eine logische 0 signalisieren. Daneben kann man die Ausgangsspannung von 5ˇV auch direkt benutzen, um eine Leuchtdiode (LED) zum Leuchten zu bringen oder ein Relais zu schalten, das wiederum ein anderes Gerät mit Batterieversorgung oder gar mit Netzspannung anschaltet. Zu beachten ist, dass ein Ausgang als Dauerlast nur einen Strom von 20 Milliampere liefert, kurzzeitig auch bis zu 40. Darüber droht ein dauerhafter Schaden des Pins. Um das zu verhindern, muss man den Strom mit einem Widerstand begrenzen. Wie man das macht, erfahren Sie im hinteren Teil des Hefts. Alternativ können einige der digitalen Pins (zu erkennen an der Tilde ~ vor der Nummer auf dem Board) ein sogenanntes PWM-Signal ausgeben. Neben der Leistungssteuerung von LEDs benötigt man dieses Signal in erster Linie zur Ansteuerung von Servo-Motoren, wie man sie im Modellbau einsetzt. |
| Analog In (A0–A5) | Da die Welt eben
nicht nur schwarz (5ˇV) und weiß (0ˇV) ist, benötigt man noch eine Möglichkeit, Spannungen irgendwo dazwischen zu messen. Ein Analog-Digital-Wander wandelt, wie beim Mikrofon-Eingang am PC, analoge Signale in digitale Werte zwischen 0 und 1023 (10 Bit). Der UNO hat eigentlich nur einen einzigen internen Wandler, mit einem eingebauten Umschalter kann er jedoch die einzelnen externen Eingänge auf den Eingang des A/DWandlers legen. Grundsätzlich lassen sich auch alle Analog- und Bus-Pins als I/O-Pins festlegen, sodass der Arduino UNO insgesamt 20 digitale Ein- und Ausgänge befehligen kann. |
| 5 V/3,3 V | Die beiden Pins dienen der
Spannungsversorgung von Erweiterungsshields oder anderen elektronischen Komponenten. |
| VIn | Hier liegt die Spannung
an, mit der der Ardu - ino bei Verwendung eines externen Netzteils versorgt wird. Shields mit Motoren und anderen Verbrauchern mit höherem Spannungsbedarf benötigen diesen Pin. |
| GND | Das ist der gemeinsame Bezugspunkt
beim Zusammenschalten von Komponenten mit dem Arduino. Man kann ihn sich vereinfacht wie den Minuspol einer Batterie vorstellen. |
| AREF | Die analogen Eingänge nehmen
die Digitalisierung in Bezug auf eine bestimmte Spannung vor, standardmäßig 5ˇV. Man kann aber auch durch eine externe Spannungs referenz einen anderen Wert vorgeben. Liefert beispielsweise ein Sensor nur eine maximale Spannung von 1ˇV, würde man bei AREFˇ=ˇ5ˇV nur ein Fünftel des Wertebereichs (0–205) nutzen. Sinnvoller wäre, AREF mit einer Referenzspannung von 1ˇV zu speisen. |
| IOREF | Damit signalisiert der Arduino
einem Shield, mit welchem Spannungspegel er arbeitet. In der Regel spielt dieser Pin keine Rolle. |
| Reset | Neben dem manuellen Druck auf
den Resetkopf kann auch eine externe Schaltung einen Neustart des Arduino auslösen. |
Spezifikation
| PC | NVIDIA® Jetson Nano™, PN: 3450 B01, 4 GB 64-bit LPDDR4 @ 25.6 GB, 64-bit Quad-Core ARM A57, 472 GFLOPS @5 W, 128 NVIDIA CUDA® GPU |
Interner Aufbau
Der Kern des Arduino ist der Mikrocontroller ATmega328 des Herstellers Atmel: Das Blockschaltbild des ATmega328 ist recht umfangreich, denn in dem kleinen IC sind viele Funktionen untergebracht, die früher beispielsweise – abgesehen von der Videoausgabe – als einzelne Komponenten auf den Platinen der Heimcomputer oder auf den Mainboards der ersten PCs verbaut waren. Wenn man sich die einzelnen Blöcke in Ruhe anschaut, ergeben sich aber recht einfach die Zusammenhänge. Zentrales System ist der 8-Bit-Prozessor (CPU), dem ein Arbeitsspeicher (SRAM) für das Ablegen von temporären Daten und ein Programmspeicher (Flash) zur Seite gestellt sind. Die 32 KByte Größe des Flash und die 2 KByte des RAM sind zwar im Vergleich zu einem modernen PC lachhaft klein, allerdings wollen wir ja auch keine grafische Benutzeroberfläche mit Browser, Mail und anderem Schnickschnack auf dem Arduino laufen lassen. Aus dem Flash liest die CPU die einzelnen Befehle des Programms (Sketch) nacheinander ein und führt sie aus. Ein sogenannter Programm Counter hilft ihr, sich die Speicher - adresse zu merken, ab der der nächste Befehl dran ist. Wenn die CPU sich zwischendurch mal bestimmte Werte merken muss, legt sie diese in ihren internen Registern oder im RAM ab – der Flash kann nämlich während des Betriebs nicht so ohne Weiteres Daten speichern. Während das RAM beim Abschalten alle Daten verliert, behält der Flash jedoch sein Programm fest gespeichert wie ein USB-Stick. Um trotzdem auch mal während eines Programmlaufs erzeugte Daten über das Abschalten hinwegzuretten, dient der EEPROM. Das laufende Programm übergibt ihm Daten für die feste Speicherung, auf die es später nach jedem Anschalten wieder zugreifen kann. Dem aufmerksamen Leser wird an dieser Stelle der fundamentale Unterschied zum PC aufgefallen sein: Der PC kopiert seine Programme vor der Ausführung immer in seinen Arbeitsspeicher, um anschließend von dort die Befehle einzulesen. Dieses Konzept nennt sich Von-Neumann-Architektur, benannt nach dem Mathematiker John von Neumann. Das Konzept der getrennten Speicher wie beim ATmega nennt sich hingegen Harvard-Architektur. Durch die Zuschaltung von Port-Bausteinen (PORT B, C, D) wird der Mikroprozessor zum Mikrocontroller – weil er über die Ports nun seine Umwelt kontrollieren kann. Neben den bereits erwähnten Schnittstellen USART, SPI und I2C (der heißt aus lizenzrechtlichen Gründen bei Atmel allerdings Two Wire Interface, kurz TWI) gibt es noch mehrere Timer und Counter (T/C 0, 1, 2) im ATmega. Sie helfen der CPU, Zeitspannen zu messen, etwa um Ausgänge mikrosekundengenau ein- beziehungsweise auszuschalten oder die Dauer extern anliegender Signale zu messen. Um die CPU gruppieren sich noch weitere Bausteine, die die zuverlässige Arbeit gewährleisten sollen. Bleibt ein Programm bei seinem Ablauf aus irgendeinem Grund hängen – viele kennen das bereits vom PC – kann der Watchdog den Controller neu starten und somit wieder auf die Spur bringen. Einen ähnlichen Zweck hat die eingebaute Überwachung der Spannungsversorgung Power Supervision: Sinkt die Spannung unter 4ˇV, so kann dies die Logik des Controllers durcheinanderbringen, die anschließend unter Umständen mit falschen Daten weiterrechnet. Sicherheitshalber resetted die Überwachung den Controller – und zwar so lange, bis die Versorgungsspannung wieder auf einen für den zuverlässigen Betrieb geeigneten Wert gestiegen ist.
Datenblatt:
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