Arduino MEGA 2560 (ATmega16u2)

В основе платы Arduino Mega 2560 лежит микроконтроллер ATmega2560. На плате имеется 54 цифровых пина ввода/вывода, 15 из которых могут быть использованы как выходы ШИМ, 16 аналоговых входов, 4 аппаратных последовательных порта UART, кварцевый резонатор с частотой 16 МГц, порт USB, разъем питания, разъем ISCP (In Circuit Serial Programming, программирование в устройстве по последовательному протоколу) и кнопка сброса микроконтроллера. Для того, чтобы начать работу с этой платой необходимо просто подключить ее, используя интерфейс USB к компьютеру, или же просто подать питание от источника постоянного тока, в качестве которого может выступить и батарейка. Arduino Mega 2560 совместима с большинством плат расширения (шилдов), разработанных для Arduino UNO, Duemilanove или Diecimila.

Arduino Mega 2560 заменила собой плату Arduino Mega.

Mega 2560 отличается от всех предыдущих плат тем, что не использует аппаратные мосты USB-to-serial компании FTDI. Вместо этого, он имеет микроконтроллер ATmega16U2 (ATmega8U2 в версиях платы 1 и 2), запрограммированный для работы в качестве USB-to-serial преобразователя.
Во второй ревизии Mega2560 имеет резистор, подтягивающий линию 8U2 HWB на землю, что упрощает перевод в режим DFU.

В Arduino Mega 2560 в ревизии 3 произведены следующие изменения:

• Цоколевка 1.0: добавлены пины SDA и SCL, расположенные рядом с выводам AREF и два других новых пина размещены рядом c выводом RESET. IOREF позволяет шилдам адаптироваться к напряжению, подаваемому с платы. В будущем шилды будут совместимы и с платами, основанными на микроконтроллерах AVR, работающими с напряжением 5 В, и с платой Arduino Due, работающей с напряжением 3.3 В.
• Усилена цепь RESET.
• Произведена замена ATmega 8U2 на 16U2.

Характеристики Arduino Mega 2560

Питание

Arduino Mega может получать питание от USB-порта или внешнего источника. Источник питания выбирается автоматически.

Внешнее питание (не по USB) может подаваться от блока питания или батареи. Блок питания подключается к 2.1 мм разъему на плате, который имеет центральный плюсовой вывод. Батарейное питание можно подключать к выводам GND и VIN разъема питания POWER.

Плата может работать от внешнего источника напряжения в диапазоне от 6 до 20 вольт. При напряжении источника питания менее 7 В, на 5 вольтовом выводе может быть меньше 5 В и плата может работать нестабильно. Если напряжение внешнего источника превышает 12 В, регулятор напряжения может перегреться и вывести плату из строя. Рекомендованный диапазон напряжения питания 7-12 вольт.

Выводы питания:

• VIN. Входное напряжение платы Arduino при использовании внешнего источника (если отсутствует напряжение 5 вольт на USB-соединении или от другого источника питания). Можно подавать питание на этот вывод, или же, если питание подается на 2.1 мм разъем, то можно с этого вывода получить к питающему входному напряжению.
• 5V. Напряжение на этих выводах регулируется встроенным в плату регулятором напряжения. Плата может быть запитана либо через 2.1 мм разъем питания (7-12 В), через USB-подключение (5 В), или же через вывод VIN (7-12 В) на плате. Подача питания через выводы 5 В или 3.3 В обходит регулятор и может привести к выходу платы из строя. Так делать не рекомендуется.
• 3V3. Напряжение 3.3 вольта формируется при помощи встроенного в плату регулятора. Максимальный ток потребления не должен превышать 50 мА.
• GND. Выводы земли.
• IOREF. Этот вывод обеспечивает опорное напряжение, с которым работает микроконтроллер. Для правильной конфигурации внешних плат, можно считывать напряжение с этого вывода и выбирать соответсвующий источник питания или включать преобразователи напряжений для работы с 5 В или 3.3 В.

Память

ATmega имеет 256 Кб флеш-памяти для хранения программного кода (из которых 8 Кб используется для загрузчика), 8 Кб ОЗУ, и 4 Кб энергонезависимой памяти (EEPROM может считываться и записываться при помощи библиотеки, которая так и называется — EEPROM).

Входы и выходы

Каждый из 54 цифровых пинов на Arduino Mega может работать в режиме входа или выхода, используя функции pinMode, digitalWrite и digitalRead. Выходы работают на 5 В. Каждый пин может отдать или принять максимум 40 мА и имеет внутренни подтягивающий резистор 20-50 кОм (отключен по умолчанию). Плюс к этому, некоторые выводы имеют специальные функции:

• Serial: 0 (RX) и 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) и 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) и 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) и 14 (TX). Для отправки данных по последовательному порту с уровнями TTL-логики используется RX, для получения — TX. Пины 0 и 1 также подключены к соответствующим выводам микросхемы преобразователя USB-to-TTL ATmega16U2
• Внешние прерывания: 2 (прерывание 0), 3 (прерывание 1), 18 (прерывание 5), 19 (прерывание 4), 20 (прерывание 3) и 21 (прерывание 2). Эти выводы могут быть установкой прерывания низким уровнем, по переднему или заднему фронту или перепадом. Более подробно см.описание функции attachInterrupt.
• PWM: со 2 по 13 и с 44 по 46. Обеспечивают выход 8-битного ШИМ-сигнала, используя функцию analogWrite.
• SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Эти пины поддерживают передачу данных по SPI, используя библиотеку SPI. Пины SPI также могут быть выведены на блок ISCP, который на физическом уровне совместим с Uno, Duemilanove и Diecimilia.
• LED: 13. Это встроенный в плату светодиод, который подключен к 13 выводу. При значении HIGH на выводе, светодиод включается, при низком — выключается.
• TWI (I2C): 20 (SDA) и 21 (SCL). Обеспечивает соединение по протоколу I²C, используя библиотеку Wire. Расположение этих выводов отличается на платах Duemilanove или Diecimila.

Mega2560 имеет 16 аналоговых входов, каждый из которых дает 10 битное разрешение (1024 различных значений). По умолчанию, напряжение измеряется между землей и 5 вольтами, хотя возможно изменить верхний диапазон, используя вывод AREF и функцию analogReference.

На плате имеется еще пара выводов:

• AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с analogReference.
• RESET. Низкий уровень сигнала на этом входе перезагружает микроконтроллер. Обычно используется дополнительная кнопка сброса на шилдах, которые блокируют кнопку сброса на самой плате Arduino.

Связь

Arduino Mega 2560 имеет несколько различных возможностей для осуществления связи с другим компьютером, другой платой Arduino, или другим микроконтроллером. ATmega2560 имеет 4 аппаратных порта UART для соединения по последовательному порту с TTL-уровнями (5 вольт). ATmega16U2 (ATmega 8U2 на платах 1 и 2 ревизий) перенаправляет один из каналов через USB и предоставляет виртуальный COM-порт для ПО на компьютере (компьютерам, работающим под Windows требуется файл .inf, но компьютеры под Mac OS X и Linux распознают плату в виде COM-порта автоматически). Arduino IDE имеет монитор порта, который позволяет отправлять и получать на плату Arduino простые текстовые данные. Светодиоды RX и TX мигают, сигнализируя о передаче данных через микросхему ATmega8U2/ATmega16U2 и USB-соединение на компьютер (но не при пераче данных через последовательный порт, используя пины 0 и 1).

Библиотека SoftwareSerial позволяет работать с подключением по последовательному порту для любых цифровых выводов Mega 2560.

ATmega2560 также поддерживает соединение по протоколам I²C и SPI. Для упрощения использования обмена по протоколу I²C используется библиотека Wire, для соединения по SPI — библиотека с таким же названием SPI.

Программирование

Arduino Mega можно программировать, используя Arduino IDE.

Микроконтроллер ATmega2560 на плате Arduino Mega поставляется с прошитым загрузчиком, который позволяет загружать новый код в микроконтроллер без использования внешнего аппаратного программатора. Загрузчик использует оригинальный протокол STK500 (заголовочные файлы C).

Можно не использовать загрузчик и программировать микроконтроллер через выводы блока ISCP, используя Arduino ISP или аналогичный.

Исходный код прошивки ATmega16U2 (или 8U2 в версиях плат 1 и 2) доступен для скачивания в репозитории Arduino. ATmega16U2/8U2 загружается, используя загрузчик DFU, который активируется следующим образом:

• На платах верcии 1: замыкаем перемычку на обратной стороне платы (рядом с картой Италии) и перезагружаем 8U2.
• На платах версии 2 или более поздней: имеется резистор, подтягивающий линию 8U2/16U2 HWB к земле, что облегчает переход в режим DFU. Можно использовать ПО от Atmel под названием Flip (для Windows) или DFU программатор (Mac OS X и Linux). Также можно переписать прошивку внешним программатором, используя разъем ISP (перезаписав загрузчик DFU). Подробности здесь.

Автоматическая (программная перезагрузка)

Вместо того, чтобы физически нажимать клавишу сброса перед загрузкой, Arduino Mega 2560 разработан таким образом, что позволяет программный сброс с подключенного компьютера. Одна из линий, управляющая потоком данных ATmega8U2 - линия DTR, подключена к линии сброса ATmega2560 через конденсатор емкостью 100 нФ. Активация этой линии, используя низкий уровень напряжения позволяет сбросить микросхему. Программное обеспечение Arduino использует эту возможность, позволяя загружать код простым нажатием на кнопку загрузки в среде Arduino. Подача сигнала низкого уровня синхронизировано с началом записи кода, что сокращает таймаут загрузчика.

Это имеет еще одно применение. Когда Mega 2560 подключается к компьютеру под управлением Mac OS X или Linux, каждый раз происходит программная перезагрузка (через USB). Программа загрузчика на Mega 2560 выполняется примерно полсекунды. В процессе программирования происходит задержка нескольких первых байтов кода, чтобы избежать получение некорректных данных (всех, кроме кода новой программы). Если производится разовая отладка скетча, записанного в платформу, или ввод каких-либо других данных при первом запуске, необходимо убедиться, что программа на компьютере перед передачей данных ожидает в течение секунды.

На Mega2560 имеется возможность отключить линию автоматической перезагрузки разрывом соответствующей линии. Чтобы восстановить линию, необходимо опять соединенить контакт на разрыве. Линия маркирована как «RESET-EN». Отключить автоматическую перезагрузку также возможно подключив резистор 110 Ом 5 В и данной линией. Подробности здесь.

Защита USB от перегрузки по току

Arduino Mega 2560 имеет самовосстанавливающийся предохранитель, который защищает порты USB вашего компьютера от коротких замыканий и перегрузки по току. Хотя большинство компьютеров обеспечивают свою собственную внутреннюю защиту, предохранитель обеспечивает дополнительный уровень защиты. При токе потребления через USB более чем 500 мА, предохранитель автоматически разрывает соединение, пока короткое замыкание или перегрузка не будут устранены.

Физические характеристики и совместимость с платами расширения

Длина и ширина печатной платы Mega2560 составляют 10,2 и 5.3 см соответственно. Разъем USB и силовой разъем выходят за границы данных размеров. Три отверстия в плате позволяют закрепить ее на поверхности. Расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 равняется 0,4 см, хотя между другими выводами оно составляет 0,25 см.

Arduino Mega2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Uno, Duemilanove или Diecimila. Расположение выводов 0 – 13 (и примыкающих AREF и GND), аналоговых входов 0 – 5, силового разъема, блока ICSP, порта последовательной передачи UART (выводы 0 и 1) и внешнего прерывания 0 и 1 (выводы 2 и 3) на Mega соответствует расположению на вышеприведенных платформах. Связь SPI может осуществляться через блок ICSP, как на платформах Duemilanove/Diecimila, так и на Mega2560. Однако расположение выводов (20 и 21) связи I²C на платформе Mega не соответствуют расположению тех же выводов (аналоговые входы 4 и 5) на Duemilanove/Diecimila.