Przed kilkoma dniami byliśmy świadkami oficjalnej premiery nowej płytki z rodziny Arduino. Jest to płytka Arduino UNO R4, a więc odświeżona wersja doskonale znanego i lubianego produktu. Nowy moduł daje jednak tak znaczący skok możliwości w stosunku do poprzednich wersji, że można go nazwać małą rewolucją w ekosystemie Arduino.

Czym jest płytka Arduino UNO R4?

Arduino UNO R4 to najnowsza rewizja najpopularniejszego formatu płytek bazowych dla tej platformy. Poprzednie wersje płytki UNO zawierały stosunkowo proste, 8-bitowe mikrokontrolery AVR. Tym razem otrzymujemy moduł wyposażony w o wiele potężniejszy układ Renesas RA4M1 z 32-bitowym rdzeniem Cortex-M4 oraz koprocesorem FPU wspomagającym obliczenia na danych zmiennoprzecinkowych (float, double). Układ jest taktowany sygnałem 48 MHz i oferuje aż 256 KB pamięci Flash oraz 32 KB pamięci operacyjnej SRAM. Tak duże zasoby umożliwiają budowanie dużo bardziej zaawansowanych projektów niż w przeszłości na płytkach poprzedniej generacji.

Rys. 1. Arduino UNO R4 w wersji Minima

Arduino UNO R4 są w pełni kompatybilne sprzętowo z poprzednimi wersjami produktu. Ma identyczne wymiary oraz zawiera wszystkie wyprowadzenia dostępne w poprzednich rewizjach płytki. Jest także zgodny z napięciem 5 V. To oznacza, że z nową płytką jest zgodna każda nakładka i każdy projekt zgodny ze standardem Arduino.

Najważniejsze nowości w UNO R4

Moduł oferuje oczywiście wszystkie interfejsy i magistrale dostępne w poprzednich wersjach produktu, ale nie tylko. Wśród nowych opcji znajdziemy m.in. 12-bitowy przetwornik DAC, obsługę magistrali CAN, a także wejście analogowe za pośrednictwem wbudowanego wzmacniacza operacyjnego. Ta ostatnia funkcja jest przydatna m.in. przy obsłudze czujników analogowych o małym sygnale pomiarowym, takich jak mikrofony.

Ponadto, w Arduino UNO R4 zamiast troszkę już przestarzałego portu USB B zastosowano port USB typu C. To złącze jest już standardem na rynku, a jego zaletami są m.in. małe rozmiary, symetryczność (nie można się pomylić przy podłączaniu przewodu), a także dużo większa odporność na uszkodzenia mechaniczne. Moduł Arduino UNO R4 można też zastosować jako urządzenie USB typu HID, a więc jako urządzenie wskazujące, takie jak myszka czy klawiatura.

Nowy produkt ma też bardziej rozbudowaną sekcję zasilania. Oczywiście płytkę można tradycyjnie zasilać z magistrali USB czy z programatora napięciem 5 V, ale najważniejszą różnicę widać w sekcji zasilania zewnętrznego, a więc tego doprowadzanego do złącza DC Jack. W poprzednich wersjach płytki można było doprowadzić do układu zasilanie z zakresu 7-12 V, natomiast teraz zakres ten poszerzono do 24 V. UNO R4 jest więc jedną z nielicznych płytek na rynku z obsługą tak szerokiego zakresu zasilania. Poprawiono także parametry termiczne płytki oraz zastosowano szereg zabezpieczeń, które chronią elementy płytki podczas awarii czy też nieprawidłowego podłączenia przewodów.

Dodatkowym ciekawym elementem jest natywna obsługa dotykowych przycisków pojemnościowych przez mikrokontroler. Pozwala to tworzyć interesujące interfejsy oparte o tą właśnie technologię.

Dwie wersje płytki: Minima vs WiFi

Arduino UNO R4 dostępne jest w dwóch wersjach – Minima oraz WiFi. Można powiedzieć, że Minima to wersja podstawowa, natomiast WiFi – rozszerzona o kilka ciekawych elementów.

Wersja Minima jest właściwie kopią klasycznych płytek Arduino UNO, oczywiście z nowym procesorem i nowymi funkcjami. Jest to więc niedroga płytka (aktualnie tańsza nawet niż Uno R3!), która jednak daje duże możliwości projektowe. Warto jeszcze wspomnieć o tym, że w tej wersji mamy do dyspozycji port SWD, który pozwala programować i debugować program za pomocą zewnętrznego urządzenia, takiego jak J-Link.

Natomiast wersja WiFi jest o wiele lepiej wyposażona. Poza podstawowymi elementami płytki zawiera m.in. moduł ESP32-S3-MINI z komunikacją Wi-Fi i Bluetooth Low Energy. Jak wszystkie moduły ESP32 oferuje on także rdzenie Xtensa LX7, które biorą na siebie obsługę wszystkich procedur związanych z komunikacją, zwalniając z tego obowiązku główny mikrokontroler. Moduł daje więc szerokie możliwości w zakresie łączenia układu z siecią, co jest kluczowe w trakcie projektowania urządzeń IoT. Protokół Wi-Fi korzysta ze standardowego API, a więc można bezproblemowo użyć innego, istniejącego już kodu wykorzystującego łączność bezprzewodową.

Rys. 2. Arduino UNO R4 w wersji WiFi

Arduino IoT Cloud

Płytka Arduino UNO R4 WiFi jest także w pełni kompatybilne z usługami chmurowymi Arduino Cloud. Daje to możliwości m.in. związane z przesyłaniem, przechowywaniem i analizą danych z urządzenia, budową interaktywnych paneli, które pozwalają na wizualizację danych i sterowanie pracą urządzenia, również za pomocą aplikacji mobilnej Arduino IoT Cloud Remote App. Chmura Arduino pozwala także na wgrywanie kodu na płytkę poprzez sieć (Over-the-Air). Ostatnią ciekawą opcją jest możliwość współdzielenia zmiennych przez kilka płytek Arduino, co pozwala bardzo łatwo przekazywać informacje pomiędzy modułami.

Rys. 3. Przykładowy panel w aplikacji Arduino IoT Cloud

Dodatkowo na płytce mamy też matrycę czerwonych diod LED 12×8, która może służyć jako wyświetlacz, na przykład do prostych animacji lub też prezentacji odczytów z czujnika. Arduino udostępnia galerię animacji, które można zastosować w projekcie, a także narzędzie do tworzenia własnych obrazków.

Rys. 4. Program LED Matrix Editor do tworzenia grafik na matryce diod LED

Oprócz standardowo obecnego złącza na nakładki Arduino, płytkę UNO R4 WiFi wyposażono także w złącze rozszerzeniowe w standardzie Qwiic I2C, znanego m.in. z oferty modułów SparkFun. Oba te złącza pozwalają na właściwie nieograniczone dołączanie płytek rozszerzeniowych i układów możliwych do zastosowania we własnych projektach. Szeroko dostępne są także adaptery na inne standardy, takie jak Grove.

Kolejną interesującą właściwością jest mechanizm obsługi błędów w trakcie pracy kodu. W klasycznych bootloaderach Arduino w momencie wystąpienia błędu w kodzie (jak np. próba dzielenia przez zero) następował crash całego systemu i konieczny był restart płytki. Aktualnie, gdy nastąpi taka sytuacja, na port szeregowy zostanie wypisana dokładna informacja o sytuacji awaryjnej. Daje to możliwość diagnostyki i szybkiego rozwiązywania problemów z kodem.

Zastosowania Arduino UNO R4

Podobnie jak wszystkie dostępne na rynku płytki Arduino, nowy moduł świetnie sprawdzi się we wszelkiego rodzaju programach edukacyjnych. Szereg wbudowanych interfejsów oraz złączy na dodatkowe płytki pozwala na proste zbudowanie projektów, tłumaczenie koncepcji technicznych, a także korzystanie z pełni możliwości środowiska Arduino, bez konieczności czasochłonnego lutowania każdego układu.

Ponadto z nowej płytki na pewno ucieszą się hobbyści i amatorscy projektanci. Zwłaszcza wersja WiFi dostarcza kompletną platformę pozwalającą opracować kompletny, połączony z siecią projekt IoT. Z kolei niedroga wersja Minima umożliwia łatwy start w krainę tworzenia własnych urządzeń IoT,.

Duże możliwości obliczeniowe płytki uprawniają ją także do zastosowania w systemach profesjonalnych. W tym kontekście dużymi zaletami są stosunkowo mocny mikrokontroler, komunikacja bezprzewodowa Wi-Fi i Bluetooth, magistrala CAN i wiele więcej funkcji stosowanych w urządzeniach elektronicznych.

Podsumowanie

Arduino UNO R4 to najnowsza generacja najpopularniejszych płytek bazowych z rodziny Arduino. W porównaniu do dobrze znanych modeli trzymujemy tutaj dużo większe możliwości. Najważniejszą różnica to 32-bitowy mikrokontroler z serii Renesas RA4M1 oferujący o wiele większe zasoby niż dotychczas stosowane 8-bitowce. Płytka dostępna jest w dwóch wersjach: Minima, czyli odpowiednika Arduino UNO R3, a także WiFi. Ta druga zawiera kilka dodatkowych elementów, jak np. moduł ESP32 z komunikacją Bluetooth oraz Wi-Fi, złącze na moduły rozszerzeniowe Qwiic czy wyświetlacz diod LED. Obie płytki są kompatybilne sprzętowo z poprzednikiem. Jednym zdaniem otrzymujemy więc wszystkie możliwości Arduino UNO w nowej, bardziej potężnej wersji co oznacza kompletnie nowe możliwości dla nauczycieli, hobbystów, projektantów, a nawet profesjonalistów.

Płytki Arduino UNO R4 Minima oraz Arduino UNO R4 WiFi są dostępne w ofercie Kamami.pl