Плата Arduino Leonardo R3, ATmega32u4 (105398)

Arduino Leonardo — контроллер на базі ATmega32u4 (технічний опис, pdf). Платформа має 20 цифрових входів/виходів (7 з яких можуть використовуватися як виходи ШІМ та 12 як аналогові входи), кварцовий генератор 16МГц, роз'єм мікро-USB, силовий роз'єм, роз'єм ICSP і кнопку перезавантаження. Для роботи необхідно підключити платформу до комп'ютера за допомогою USB-кабелю, або подати живлення за допомогою адаптера AC/DC або батареї.

На відміну від усіх попередніх плат, ATmega32u4 має вбудовану підтримку для USB з'єднання. Це дозволяє поставити як Leonardo буде видно при підключенні до комп'ютера - це може бути клавіатура, миша, віртуальний серійний/COM порт.

Характеристики

Схема та вихідні данні:

Принципіальна схема: arduino-leonardo-schematic-rev3b.pdf

Живлення

Arduino Leonardo може отримувати живлення через підключення USB або від зовнішнього джерела живлення. Джерело живлення вибирається автоматично.

Зовнішнє живлення (не USB) може подаватися через перетворювач напруги AC/DC (блок живлення) або акумуляторною батареєю. Перетворювач напруги підключається за допомогою роз'єму 2.1мм із центральним позитивним полюсом. Провід від батареї підключається до виводів Gnd і Vin роз'єму живлення.

Платформа може працювати при зовнішньому живленні від 6В до 20В. При напрузі живлення нижче 7В, вивід 5V може видавати менше 5В, при цьому платформа може працювати нестабільно. При використанні напруги вище 12В регулятор напруги може перегрітися та пошкодити плату. Рекомендований діапазон від 7В до 12В.

Виведення живлення:

• VIN - вхід використовується для подачі живлення від зовнішнього джерела (без 5В від роз'єму USB або іншого регульованого джерела живлення). Подача напруги живлення відбувається через вивід.
• 5V - регульоване джерело напруги, що використовується для живлення мікроконтролера та компонентів на платі. Живлення може подаватися від виводу VIN через регулятор напруги або від роз'єму USB, або іншого регульованого джерела напруги 5В.
• 3V3 - напруга на виводі 3.3В генерується вбудованим регулятором на платі. Максимальне споживання струму 50мА.
• GND - виводи заземлення.
• IOREF - вивід з робочою напругою входів/виходів плати. Для Leonardo це 5В. Передбачається використання платами розширення для правильного вибору робочої напруги. 

Пам'ять

Мікроконтролер ATmega32u4 має 32кБ флеш пам'яті, з яких 4кБ використовується для зберігання завантажувача, а також 2.5кБ ОЗУ (SRAM) і 1Кб EEPROM (яка читається та записується за допомогою бібліотеки EEPROM).

Входи та Виходи

Кожен із 20 цифрових виводів Leonardo може бути налаштований як вхід або вихід, використовуючи функції  pinMode(), digitalWrite() та digitalRead(). Виводи працюють при напрузі 5В. Кожен вивід має резистор навантаження (за замовчуванням відключений) 20-50 кОм і може пропускати до 40 мА. Деякі висновки мають особливі функції:

• Послідовна шина: 0 (RX) та 1 (TX). Виводи використовуються для отримання (RX) та передачі (TX) даних TTL. Ці виводи підключені до відповідних виводів мікросхеми послідовної шини ATmega32U4 USB-to-TTL. Зверніть увагу що в Leonardo, клас Serial відноситься до послідовного з'єднання USB CDC. Послідовне з'єднання через виводи 0 і 1 здійснюється через клас Serial1.
• TWI: 2 (SDA) та 3 (SCL). За допомогою виводів здійснюється зв'язок I2C (TWI), для створення якої використовується бібліотека Wire.
• Зовнішнє переривання: 2 і 3. Дані виводи можуть бути налаштовані на виклик переривання або на молодшому значенні, або на передньому або задньому фронті, або при зміні значення. Детальна інформація міститься в описі функції attachInterrupt().
• ШІМ: 3, 5, 6, 9, 10, 11 та 13. Будь-який з виводів забезпечує ШІМ з роздільною здатністю 8 біт за допомогою функції analogWrite().
• SPI: на роз'ємі ICSP. За допомогою даних виводів здійснюється зв'язок SPI, для чого використовується бібліотека SPI. Зверніть увагу, що у Leonardo виводи SPI не розведені на цифрові входи/виходи, як це було в попередніх версіях Arduino контролерів.
• LED: 13. Вбудований світлодіод, підключений до цифрового виводу 13. Якщо значення на виводі має високий потенціал, то світлодіод горить.
• Аналогові входи: A0-A5, A6-A11 (на цифрових виводах 4, 6, 8, 9, 10 та 12). Leonardo  має 12 аналогових входів, помічених від A0 до A11. Всі аналогові входи можуть працювати у режимі цифрових входів/виходів. Входи з A0 по A5 совпадають з аналоговими входами UNO. Входи з A6 по A11 на цифрових виводах 4, 6, 8, 9, 10 та 12 відповідно. Розподільна здатність аналогових входів — 10 біт, тобто 1024 різних значень. За замовчуванням значення на аналогових входах вимірюється від землі (0) до 5 Вольт, верхня межа діапазону може бути змінена за допомогою входу AREF та analogReference() функції.

  Додаткова пара виводів платформи:

• AREF - опорна напруга для аналогових входів. Використовується з функцією analogReference().
• Reset - низький рівень сигналу на виводі перезавантажує мікроконтролер. Зазвичай використовується для підключення кнопки перезавантаження на платі розширення, що закриває доступ до кнопки на платі Arduino.

  Зверніть увагу на з'єднання між виводами Arduino та портами ATmega328.

Зв'язок

На платформі Arduino Leonardo може встановлювати зв'язок із комп'ютером, іншими пристроями Arduino або мікроконтролерами кількома способами. ATmega32U4 підтримують послідовний інтерфейс UART TTL (5В), який здійснюється виводами 0 (RX) та 1 (TX). ATmega32U4 також дозволяє організувати послідовне з'єднання з програмами на стороні комп'ютера через USB так, щоб вони "спілкувалися" з платою через віртуальний COM порт. Leonardo за допомогою стандартних драйверів USB COM (для Windows потрібен  .inf файл) може підключатися як USB 2.0 пристрій. Моніторинг послідовної шини (Serial Monitor) середовища розробки Arduino дозволяє посилати і отримувати текстові дані при підключенні до платформи. Світлодіоди RX і TX на платформі блимають при передачі даних через USB підключення (але не при використанні послідовної передачі через виводи 0 і 1). 

Бібліотекою SoftwareSerial можливо створити послідовну передачу даних через будь-який із цифрових виводів Leonardo.

ATmega32U4 підтримує інтерфейси I2C (TWI) і SPI. В Arduino включено бібліотеку Wire для зручності використання шини I2C. Для SPI може використовуватися бібліотека SPI.

Arduino Leonardo вміє визначатися під час підключення до комп'ютера як пристрій миша чи клавіатура. Керування цим режимом здійснюється через класи Keyboard та Mouse.

Програмування

Платформа програмується за допомогою ПЗ Arduino. З меню  Tools > Board вибирається «Arduino Leonardo» (згідно з встановленим мікроконтролером). Детальна інформація знаходиться в довіднику та інструкціях.

Мікроконтролер ATmega32U4 на Leonardo поставляється із записаним завантажувачем, що спрощує запис нових програм без використання зовнішніх програматорів. Зв'язок здійснюється протоколом AVR109.

Є можливість не використовувати завантажувач та запрограмувати мікроконтролер через виводи ICSP (внутрішньосхемне програмування). Детальна інформація знаходиться в даній інструкції.

Автоматичне (програмне) перезавантаження

Leonardo розроблено таким чином, щоб перед записом нового коду перезавантаження здійснювалося самою програмою Arduino на комп'ютері, а не натисканням кнопки на платформі. Перезавантаження спрацьовує, коли віртуальний CDC COM порт відкривається зі швидкістю 1200 бод, а потім закривається. Коли це відбувається, процесор йде на перезавантаження, розриваючи USB з'єднання. Після перезавантаження стартує завантажувач (бутлодер) і залишається активним приблизно 8 секунд. Завантажувач можна також ініціювати натисканням кнопки Reset. Зверніть увагу, що при подачі живлення контролер відразу переходить до виконання завантаженої програми користувача без виконання завантажувача.

Струмовий захист роз'єму USB

В Arduino Leonardo вбудований запобіжник (автомат), який самовідновлюється, що захищає порт USB комп'ютера від струмів короткого замикання і надструмів. Хоча практично всі комп'ютери мають подібний захист, проте цей запобіжник забезпечує додатковий бар'єр. Запобіжник спрацьовують при проходженні струму більше 500 мА через USB порт і розмикає ланцюг до тих пір, поки нормальні значення струмів не будуть відновлені.

Фізичні характеристики

Розмір друкованої плати Leonardo становить 6.9 на 5.3см. Роз'єм USB та силовий роз'єм виходять за межі даних розмірів. Чотири отвори у платі дозволяють закріпити її на поверхні. Відстань між цифровими виводами 7 та 8 дорівнює 0,4см, хоча між іншими виводами вона становить 0,25см.