Основы работы с Arduino Nano 2
Микроконтроллер
Основой платы является 8 битный микроконтроллер AVR Atmega 168, работающий на частоте 16 МГц. Микроконтроллер или МК - выполняет ту же самую роль, что процессор в телефоне или на компьютере. Он имеет множество ножек (серые полоски), которые выполняют роль электродов. Они способны как считывать сигнал, так и генерировать. Каждая ножка выведена на плате в форме металлизированного отверстия, пронумерована и имеет название Пин.Максимально микроконтроллер может принять и выдать напряжение в 5В, сила тока на вход ограничена 200 мА на все входы суммарно, при подключении через USB выдать может до 500 мА. Любое перенапряжение/перегрузка чреваты смертью МК.
АЦП
Опорное напряжение
Аналого-цифровой преобразователь. Позволяет перевести аналоговое напряжение в дискретное значение в виде набора бит. Для преобразования необходимо опорное напряжение, которое является эталонным для МК. Сам процесс происходит так:
- Берется половина от опорного напряжения и сравнивается с входным напряжением, если входное меньше опорного - в бит записывается единица, иначе - ноль.
- Далее к половине опорного прибавляется или отнимается четверть (в зависимости от значения первого измерения, если половина опорного меньше входного - прибавляется, иначе отнимается) и снова сравнивается. Аналогично присваивается единица или ноль.
- Так происходит до 10 итерации, каждое последующее значение делится на все больший коэффициент ( 1/2, 1/4, 1/8 и т.д.)
Так, за 10 итераций мы получаем 10 битный результат - число, не более 2^10 степени - 1024.
Тогда, чтобы собрать результат мы должны сложить произведение каждого бита на соотвествующее ему напряжение, т.е. первому биту соответствует половина напряжение - 512, далее 256 и т.д.
Таким образом, мы получаем, что минимально возможное значение есть Опорное напряжение деленное на 1024 (все биты нули кроме самого последнего). Чтобы перевести 10 битный результат в напряжение необходимо домножить минимальное напряжение на результат.
Важно правильно подобрать опорное напряжение, т.к. в зависимости от интервала измеряемого явления мы можем не получить необходимой точности. Т.е. если мы измеряем напряжение, пик которого лежит ниже, чем 1В мы не получим достаточной точности при опорном напряжении в 5В.
МК имеет на борту 2 встроенных опорных напряжение 5В и 1.1В. Если этого недостаточно, можно использовать стороннее, которое подключается через пин REF/AREF. Максимальное опорное напряжение для МК - 5В.
Частота дискретизации
Сравнение является циклическим процессом, поэтому оно так же происходит на определенной частоте. В МК имеется встроенный делитель частоты, т.к. АЦП не может работать с частотой МК.
Нетрудно догадаться, что чем выше скорость сравнения, тем менее точный результат. Так, опытно установлено, что максимально точно можно измерить напряжение на частоте в 125кГц (делитель 128). Т.е. за 1 секунды мы получаем 125 тысяч сравнений или одно сравнение в 0,008 миллисекунд, что очень быстро, но не всегда достижимо. Так же, опытно установлено, что при частоте в 1МГц (делитель 16) - миллион сравнений в секунду или одно в 0,0001, получается одновременно точный и быстрый результат. В зависимости от требований измерения можно выбирать нужную частоту дискретизации. Стоит так же учитывать, что цифры в 0,0001 миллисекунду на практике недостижимы из за обилия других задач для МК.
Пины
Делятся на аналоговые и цифровые. Нумеруются как A - аналоговые, D - цифровые. Отличие между аналоговым и цифровым сигналом рекомендуется изучить отдельно. Аналоговые входы могут только принимать напряжение, цифровые как принимать, так и отдавать напряжение в 5В. Некоторые пины имеют возможность генерировать ШИМ сигнал.
Рекомендуется крайне осторожно подавать напряжение, т.к. МК тяжело переносит отклонения.
Светодиоды
На борту установлено 4 светодиода, важны из них 3:
- Встроенный светодиод настраивается пользователем самостоятельно. В решении служит индикатором выполненный программы. Является 13 цифровым входом D13.
- Светодиоды связи - RX светодиод сигнализирует о том, что он получает данные с компьютера, TX - сигнализирует о передачи данных на компьютер.
Источники питания
С помощью платы можно так же питать сторонние компоненты. Так, имеется 2 варианты:
- 5В - питание, подаваемое USB портом компьютера, максимальная сила тока 500мА. Стоит учитывать, что оно может использоваться как опорное для АЦП, и снижаться из-за нагрузки.
- 3.3В - напряжение, генерируемое микросхемой-преобразователем, которая обеспечивает связь платы с компьютером.
Кнопка RESET
Перезапускает МК, позволяет исправить ситуацию с неправильным кодом или любую другую ошибку.
