Подключаемое железо, интерфейсы

Суть и вообще предназначение Ардуино состоит в быстрой и удобной разработке электронных устройств. Это универсальный контроллер, на базе которого можно сделать законченный девайс (от англ. Device – устройство, прибор) абсолютно произвольного назначения, от полезного (часы-будильник, реле времени с кучей настроек и дисплеем, автоматизацию теплицы, умный дом…) до бесполезного, но забавного или интересного (самонаводящийся вентилятор, машинка на радиоуправлении с пушкой, робот с большим количеством функций и так далее). Для достижения этих целей к Ардуино подключаются различные внешние устройства, с которыми она может взаимодействовать.

Начнем с мира цифрового, в котором устройства общаются друг с другом при помощи цифровых сигналов, так называемых логических, то есть имеющих два простейших состояния: правда и ложь, да и нет, 1 и 0. В большинстве цифровых устройств эти два состояния передаются напряжением 0 и 5 Вольт, но бывает и 0 и 3.3 Вольта. Таким образом микроконтроллер по сути может измерить цифровой сигнал (что подаётся на ногу, 0 или 5 Вольт), или выдать со своей ноги 0 и 5 Вольт соответственно. Закодированный цифровой сигнал выглядит примерно вот так: скачки 0 и 5 (или 3.3) Вольт с разной продолжительностью.

Совокупность правил и длин участков 5 и 0 Вольт называют интерфейсом связи.

Распиновка Nano


  • GPIO – базовый порт ввода-вывода. Может читать и выдавать цифровой сигнал (только 0 и 5 Вольт).
  • PWM – может аппаратно генерировать ШИМ сигнал.
  • ANALOG – пин АЦП, аналогово-цифрового преобразователя. Может измерять напряжение.
  • UART – выводы аппаратного UART для подключения модулей с таким же интерфейсом.
  • I2C– выводы аппаратной шины I2C для подключения модулей с таким же интерфейсом.
  • SPI – выводы аппаратной шины SPI для подключения модулей с таким же интерфейсом.

Простые цифровые датчики


К простым цифровым можно отнести любые датчики, имеющие пин с логическим выходом, то есть напряжение на этом пине может быть только 0 или 5 Вольт в зависимости от показания датчика. Это например ИК датчик движения, кнопка, датчик линии, энкодер, а также практически все остальные датчики с пинами питания и выходом, помеченным как DOOUT или S.

Такие модули подключаются в любые GPIO пины.

Интерфейсы


Некоторые датчики имеют цифровой выход, но выдают не просто 0 и 5V, а передают данные по цифровому интерфейсу связи. Сигнальные пины таких датчиков могут быть подписаны как SCKSDASCLMISOMOSISS и прочими аббревиатурами. Для работы с такими датчиками нужно обязательно смотреть примеры или документацию. По сути любой такой датчик можно подключить на любой GPIO пин и программно эмулировать нужный интерфейс связи, что сложно и будет отбирать лишнее процессорное время. Arduino Nano поддерживает несколько интерфейсов аппаратно, то есть позволяет работать с ними очень быстро и эффективно.

UART


UART – пины D0 (RX) и D1 (TX). По нему чаще всего подключаются Bluetooth, GPS и GSM модули. В общем случае поддерживает подключение только одного модуля. Пины на модуле называются обычно RX и TX. Подключение к модулю осуществляется “наоборот” – RX->TX и TX->RX, так как RX принимает сигналы (Receiver), а TX – передаёт (Transmitter). Для подключения нескольких UART модулей или одновременной работы модуля и “монитора порта” используют программный UART при помощи встроенной библиотеки SoftwareSerial.

  • RX < TX
  • TX < RX

I2C (Wire)


I2C – пины A4 (SDA) и A5 (SCL). Данный интерфейс является шиной, то есть к нему можно подключить параллельно сразу несколько (до 128) устройств с уникальными адресами.

Варианты маркировки и подключение к аппаратному I2C:

  • A4 < SDA (D) – линия данных, Serial DAta
  • A5 < SCL (C, SCK) – линия синхронизации, Serial CLock

SPI


SPI – пины D11 (MOSI), D12 (MISO) и D13 (SCLK), иногда добавляется D10 (SS). Данный интерфейс также является шиной, причём высокоскоростной, и поддерживает подключение по сути неограниченного количества модулей: у модуля есть пин CS (Chip Select), который прижимается микроконтроллером к GND для выбора данного модуля в качестве устройства приёма и передачи данных в текущий момент. SPI – очень распространённый и простой интерфейс, очень часто датчики и модули подключают к любым GPIO пинам и используют программную отправку и приём данных через встроенные функции shiftIn() и shiftOut(). “Сложные” датчики и датчики с большим объёмом и высокой скоростью передаваемых данных (карта памяти, NFC модуль) нужно подключать к аппаратной шине SPI микроконтроллера.

Варианты маркировки и подключение к аппаратному SPI:

  • D11 < MOSI (SDI, DI, DIN, SI) – линия данных от Ардуино к модулю
  • D12 < MISO (SDO, DO, DON, SO) – линия данных от модуля к Ардуино
  • D13 < SCLK (SCK, CLK, SPC) – линия синхронизации
  • D10 < SS (SCK, CLK, SPC) – используется в случаях, когда Ардуино является “датчиком”
  • GPIO < CS (SS, RCK) – выбор текущего модуля прижатием этого пина к GND

Другие


Помимо этих трёх популярных интерфейсов существуют и другие (CAN1-wire и прочее), но так как у нас есть сила микроконтроллера, мы можем эмулировать практически любой протокол и интерфейс связи, так называемый software <название интерфейса> (softwareSerial, softwareI2C…). И тут на помощь приходит комьюнити ардуино, которое уже написало библиотеки для всего что можно, и можно без проблем общаться практически с любой железкой, поддерживающей какой-либо популярный протокол связи. По той же CAN шине можно подключиться к мозгам своего автомобиля и делать с ним всякое. Куча микросхем различного назначения без особых проблем и телодвижений подключаются к ардуино и позволяют собой управлять. Всяческие усилители, драйверы, сдвиговые регистры, ЦАПы, АЦПы, мультиплексоры, цифровые резисторы и сотни других интересных штук.

Аналоговый сигнал


Второй тип связи – аналоговый, работает только “на приём”. Микроконтроллер может измерять напряжение, которое подаётся ему на АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), диапазон измерения ограничен вплоть до опорного напряжения или напряжения питания микроконтроллера, то есть максимум, что может измерить микроконтроллер без дополнительного железа – от 0 до 5 вольт, или от 0 до 3.3 вольт для 3.3 вольтовых моделей. К этому мы ещё вернёмся.

Благодаря наличию АЦП (чтение аналогового сигнала) ардуино может считывать показания любых аналоговых датчиков: термисторы, термопары, фоторезисторы, потенциометры, напряжение шунта и прочее прочее из мира аналоговой электроники. По сути можно подключить всё что угодно без особых навыков, было бы желание и готовая библиотека. Ну и умение читать.

К аналоговым относятся модули и датчики, сигнал с которых выходит в виде напряжения от 0 до 5 Вольт, но меняется “плавно” в зависимости от показания с датчика. Это например микрофон, термистор, фоторезистор, датчик влажности, потенциометр и прочее. Многие аналоговые датчики имеют пины, подписанные так же, как цифровые. Как отличить цифровой датчик от аналогового? Либо по описанию, либо методом “тыка” – подключить в аналоговый пин и вывести сигнал. Некоторые модули имеют цифровой и аналоговый выход одновременно (датчики звука, линии, холла и некоторые другие), пины у них обычно подписаны как DO – цифровой выход и AO – аналоговый. Также аналоговый выход может быть маркирован как OUT или S.

Такие модули подключаются в любые ANALOG пины.

Резюмируя


Теперь по сути дела: датчики, их куча кучная, измерять можно ну просто всё, что вообще измеряется. Электроника: напряжение, ток, сопротивление, работа с переменным током, поля. Параметры микроклимата: температура, влажность, давление, содержание газов, скорость ветра, освещенность, что угодно. Интересных модулей тоже очень много: Bluetooth, сотовая связь, GPS, дисплеи различных типов и размеров, датчики присутствия, как ИК, так и микроволновые, модули для беспроводной связи ардуинок и многое другое.

Можно управлять абсолютно любой железкой, которая выполняет свою функцию просто при подаче питания: лампочка, светодиодная лента, электронагреватель, мотор или любой электропривод, электромагнит, соленоид-толкатель, и это все с любым напряжением питания. Но тут нужно кое что понять: Ардуино (точнее микроконтроллер) – логическое устройство, то есть по-хорошему она должна только отдавать команды другим устройствам, или принимать их от них. Это я к тому, что напрямую от ардуино не работают ни лампочки, ни моторчики, ни нагреватели, ни-хуче-го. Максимум – светодиод. С пониманием этого идём дальше. Чтобы ардуино включила или выключила (подала питание) на другое устройство, нужно устройство – посредник, например реле или транзистор. Ардуино управляет реле, а реле в свою очередь включает любую нужную нагрузку с любым напряжением питания и все такое, подробнее об этом поговорим отдельно.

Как суть всего выше написанного – возможности Ардуино по подключению и управлению различными железками практически безграничны, можно воплотить любую идею, даже самую безумную. Датчики что то измеряют, исполнительные устройства что то контролируют, в это же время ведётся отсылка данных куда-нибудь, что-то отображается на дисплее и контролируется при помощи кнопок. Романтика!

У меня в каталоге ссылок на Ардуино-компоненты можно найти практически все существующие датчики, модули и прочие железки для Ардуино, и практически у каждого есть ссылка на статью с примером и библиотекой. Пользуйтесь!


Важные страницы


  • Набор GyverKIT – большой стартовый набор Arduino моей разработки, продаётся в России
  • Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
  • Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
  • Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
  • Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
  • Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
  • Поддержать автора за работу над уроками
  • Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту (alex@alexgyver.ru)
Назад Распиновка платы
Вперёд Питание платы
Подписаться
Уведомить о
guest
1 Комментарий
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии