Due Nuove Schede Arduino UNO R4: Minima e WiFi

Il potente Arduino UNO R4 è il nuovo membro dell’iconica famiglia Arduino UNO. È persino disponibile in due versioni.
Diamo un’occhiata alla Minima e alla WiFi.

Diamo un’occiata da vicino alle nuove schede Arduino UNO R4 Minima e Arduino UNO R4 WiFi.

La Famiglia Renesas

Le due nuove schede sono basate su un dispositivo di Renesas, l’RA4M1 (Figura 1). Questo ARM Cortex-M4 a 32 bit funziona a 48 MHz e dispone di 32 KB di RAM e 256 KB di memoria flash.

Figura 1: Le schede UNO R4 sono controllate da un microcontrollore Renesas R(7F)A4M1.

Da notare è che l’RA4M1 può funzionare con un’alimentazione fino a 5 V, mentre la maggior parte degli altri microcontrollori di tipo ARM richiede 3,3 V. Questo rende l’MCU un candidato adatto per potenziare la famiglia basata su 5 V e 8 bit AVR, di cui l’Arduino UNO R3 è un famoso membro.

Più Periferiche su Arduino UNO R4

Sostituire un vecchio controller a 8 bit e 28 pin con un moderno dispositivo a 64 bit e 32 bit ha, come ci si può aspettare, un impatto sulla complessità del prodotto. Tuttavia, questo tocca principalmente la parte software, come indicato dal datasheet del MCU lungo circa 1.400 pagine (contro meno di 300 per l’ATmega328). La scheda UNO R4 Minima ha una complessità di design simile alla R3. La UNO R4 WiFi è una scheda più densa, poiché utilizza lo spazio vuoto della Minima per una matrice LED 8×12 e un modulo ESP32-S3-MINI-1.

Il datasheet è così ampio perché il MCU di Renesas dispone di molte più periferiche rispetto all’ATmega328 di Microchip. Non tutte queste sono supportate dalle R4 perché non tutti i pin del MCU sono accessibili, ma alcune sono interessanti. Queste includono un bus CAN e USB 2.0 Full-Speed (host o dispositivo).

Un connettore USB-C sostituisce il connettore USB-B.

Serial e Serial1

L’RA4M1 integra due porte SPI, due porte I²C e quattro interfacce di comunicazione  seriale  (SCI). Un SCI può essere un UART, un master I²C o una semplice porta SPI (cioè fino a sei porte I²C o SPI), e persino un’interfaccia per smart card. Secondo Arduino, queste porte sono disponibili, almeno in parte. Tuttavia, guardando lo schema della Minima, sembra che sia connessa solo una porta I²C. I pin A4, A5, D4 e D5 espongono una seconda porta SPI, anche se le specifiche della scheda menzionano solo una.

È importante notare che la porta seriale tradizionale su USB e pin 0 e 1 è stata divisa in Serial e Serial1. Per impostazione predefinita, Serial si riferisce alla porta USB della UNO R4, mentre i pin 0 e 1 sono per Serial1. È possibile mappare Serial su pin 0 e 1 definendo NO_USB prima di includere esplicitamente Arduino.h, ma questo scollega la porta seriale dalla porta USB. Programmi e librerie che si basano sul modo UNO R3 potrebbero incontrare problemi sulla UNO R4.

Il DAC di Arduino UNO R4

Arduino UNO R4 dispone di un convertitore digitale-analogico (DAC) a 12 bit per produrre segnali analogici reali invece di surrogati basati su PWM. C’è anche un opamp e un comparatore insieme a un DAC interno a 8 bit, e il convertitore analogico-digitale è largo 14 bit invece dei 10 della UNO R3. La libreria analogWave è stata aggiunta per semplificare l’uso del DAC. Generare una forma d’onda sinusoidale, a dente di sega o quadrata è semplice come chiamare una funzione della libreria. Naturalmente, è possibile fare molto di più. Pertanto, sul lato analogico, la UNO R4 ha molto più da offrire rispetto alla UNO R3.

L’IDE per Arduino UNO R4

Riguardo all’Arduino IDE, passare a una nuova famiglia di processori finora non supportata implica anche l’aggiunta di supporto software. Come abbiamo imparato nel corso degli anni nel nostro mondo controllato dai computer, il nuovo software tende a introdurre problemi, quindi probabilmente ci vorrà del tempo prima che l’esperienza UNO R4 diventi fluida come quella della UNO R3.

Fortunatamente, la UNO R4 Minima rende la risoluzione dei problemi un po’ più semplice, poiché dispone di un’interfaccia SWD, che consente un debugging serio (seriale) (Figura 2). La UNO R4 WiFi va ancora oltre, poiché il suo modulo ESP32-S3 può agire come debugger CMSIS-DAP integrato.

Figura 2: Il connettore SWD sulla UNO R4 Minima.

Modem Wi-Fi

Ora che abbiamo menzionato la Arduino UNO R4 WiFi, vediamo in che modo differisce dalla UNO R4 Minima. Innanzitutto, c’è ovviamente il modulo Wi-Fi & Bluetooth LE, un ESP32-S3 di Espressif. Comunica con il MCU tramite una porta seriale (Serial2) in modalità AT-command. Gli altri pin del modulo Wi-Fi sono esposti come piccole pastiglie saldanti. È possibile riprogrammare il modulo, poiché i pin richiesti per questo sono accessibili su un’intestazione 2×3 (e sul lato inferiore della PCB). La nuova libreria Arduino WiFiS3 fornisce un supporto software di alto livello per il modulo.

Matrice LED

Una matrice LED rossa da 96 pixel (8×12) (Figura 3) consente agli utenti di tracciare dati, creare animazioni e fornire feedback più complessi e sofisticati nei progetti. Una nuova libreria fornisce funzioni per mostrare animazioni su di essa. È anche disponibile un tool web per progettare animazioni.

Figura 3: La Arduino UNO R4 WiFi ha una matrice di LED rossi 8×12.

La matrice utilizza il Charlieplexing per collegare i 96 LED a soli 11 porti GPIO (D28 a D38 nella notazione Arduino). Ciò significa che solo alcuni LED possono essere attivi in un determinato momento, poiché i pixel sono composti da due LED collegati in antiparallelo e i pixel condividono i porti. Poiché l’occhio umano è lento, il multiplexing veloce inganna il cervello facendogli vedere immagini complete. La frequenza di aggiornamento deve essere elevata quando si gestiscono quasi cento pixel. Pertanto, la libreria gestita da timer funziona a 10 kHz.

Una Seconda Porta I²C per Arduino UNO R4

La UNO R4 WiFi dispone di due porte I²C (Wire & Wire1). Un connettore I²C compatibile con Qwiic (standard SparkFun) fornisce accesso alla seconda porta. Questi connettori potrebbero essere fastidiosamente piccoli, ma, poiché lo standard Qwiic impone una tensione di alimentazione di 3,3 V, la scheda è dotata di un livellatore di tensione. Ciò significa che la scheda può gestire sia la comunicazione I²C a 5 V che a 3,3 V.

Alimentazione

Quando non alimentata tramite la porta USB, l’alimentazione sulla Arduino UNO R3 è un regolatore di tensione lineare di base. Sulle schede UNO R4 questo è stato sostituito da un regolatore switching. Consente un intervallo di tensione di ingresso molto più ampio, da 6 V a 24 V (Figura 4). Il regolatore, anch’esso un prodotto di Renesas, può erogare fino a 1,2 A con un’efficienza di circa il 90%.

Figura 4: La gamma di tensione di ingresso delle schede è compresa tra 6 V e 24 V.

Si noti che la UNO R4 WiFi dispone anche di un connettore per alimentare l’orologio in tempo reale (RTC).

Conclusione

Le due schede Arduino UNO R4, la Minima e la WiFi, sembrano essere dei credibili successori della UNO R3. Hanno lo stesso layout, connettori di espansione e I/O a 5 volt completi. La UNO R4 WiFi è un po’ come una UNO R4 Minima con uno shield di espansione integrato. Con il suo modulo Wi-Fi, la matrice LED e il connettore Qwiic, è facile realizzare applicazioni IoT.

La UNO R4 è molto più potente della UNO R3, con più di tutto, dalla memoria alle periferiche alla velocità di funzionamento. Ho dovuto installare manualmente un pacchetto speciale delle schede Arduino UNO R4 nell’IDE 1.8.19 prima di poter programmare. L’IDE v2 rileva la UNO R4 e propone di installare il software richiesto. Pertanto, per la maggior parte degli utenti, la UNO R4 sarà una sostituzione plug-and-play della UNO R3.

Arduino UNO R4: un Grande Passo Avanti

Infine, molto interessante è il connettore di debug sulla Minima e le capacità di debug CMSIS-DAP del modulo ESP32-S3 sulla WiFi, una funzione che molti sviluppatori attendevano da circa l’inizio di Arduino. Questo porta la Arduino UNO nell’arena dello sviluppo professionale, finalmente. Pertanto, la Arduino UNO R4 può essere considerata un potente passo avanti.