Arduino USB UART чипы и драйвера CH340, CH340G, FTDI

Название Arduino является в настоящее время этаким «модным» словом для большинства радиолюбителей и всех, кто мало-мальски знаком с электроникой, поскольку данная платформа позволяет создавать электронные устройства быстро и дешево. Наличие обширного онлайн сообщества данной платформы делает ее идеальным выбором для тех, кто только начал свое знакомство с электроникой и программированием. Даже людям, не имеющим технического образования (а именно для таких она и была первоначально создана), освоить Arduino будет достаточно просто.

Почему так актуальна эта платформа? Как начать работу с ней? Как она может улучшить ваш стиль жизни? Все эти вопросы будут рассмотрены в данной статье. Для этого мы познакомимся с установкой среды Arduino IDE на ваш компьютер и загрузим в нее небольшую программу, реализующую мигание светодиода, который мы подключим к Arduino с использованием макетной платы.

Что такое Arduino

К сожалению некоторые начинающие радиолюбители считают Arduino микроконтроллером, но это не совсем так. Давайте попробуем разобраться что же это.

Arduino представляет собой платформу разработки с открытым исходным кодом, которая состоит из простого в использовании оборудования и среды программирования. Наиболее распространенным типом оборудования является Arduino UNO, а среда программирования называется Arduino IDE. Кроме Arduino UNO существует еще достаточно много аналогичных плат — Arduino Mega, nano, mini, но в данной статье в целях обучения мы будем использовать именно Arduino UNO. А Arduino IDE – это как раз та программная среда, с помощью которой мы будем программировать плату Arduino UNO.

Где купить Arduino Nano

Традиционно самые низкие цены предлагают зарубежные интернет-магазины. В России цены почти всегда будут выше на 20-200 процентов, но не придется ждать заказа около месяца.

Приведем ссылки на надежных поставщиков Aliexpress:

Установка Arduino IDE

Прежде чем начать работу с Arduino необходимо установить среду программирования Arduino IDE на ваш компьютер/ноутбук. Все описанные далее шаги по установке данной программной среды будут ориентированы на операционную систему Windows, для остальных операционных систем последовательность действий будет примерно такой же. Если возникнут проблемы с другими системами, то помощь можно найти по следующим ссылкам – для пользователей Mac и пользователей Linux. Перед началом установки Arduino IDE убедитесь что вы обладаете правами администратора на вашем компьютере – это облегчит установку.

Шаг 1. Загрузите Arduino IDE с официального сайта — https://www.arduino.cc/download_handler.php.

Шаг 2. Запустите скачанный exe файл.

Шаг 3. В открывшемся окне кликните на “I Agree” чтобы согласиться с условиями лицензии Arduino.

Шаг 4. В окне опций установки отметьте все галочки (см. рисунок).

Шаг 5. На этом шаге необходимо выбрать место установки Arduino IDE. По умолчанию стоит путь установки в Program files на диске C – крайне рекомендуется оставить именно этот путь.

Шаг 6. На этом шаге вы можете наблюдать как Arduino IDE устанавливается на ваш компьютер (см. рисунок). После того как установка будет завершена нажмите кнопку “completed”.

Шаг 7. После завершения установки запустите на выполнение файл Arduino.exe. Откроется окно IDE с минимумом кода внутри него – см. рисунок.

Добавление пользователя в группу использования порта Arduino

Чтобы избежать возможных проблем при использовании Arduino IDE, добавьте системного пользователя в группу dialout.

Это процедура доступа к последовательному порту из программного обеспечения Arduino (IDE), если вы получаете ошибку.

Может случиться так, что при загрузке эскиза вы получите следующую ошибку:

“Error opening serial port …” (Ошибка открытия последовательного порта …)

Если вы получаете эту ошибку, вам необходимо установить разрешения последовательного порта.

Введите в терминале следующую команду:

$ ls -l /dev/ttyACM*

вы получите что-то вроде:

crw-rw— – 1 root dialout 188, 0 5 apr 23.01 ttyACM0

Данные, которые нам нужны, — это “dialout” (это владелец группы файла).

Теперь нам просто нужно добавить нашего системного пользователя в группу:

$ sudo usermod -a -G dialout

где ваше имя пользователя Linux. Вам нужно будет выйти из системы и снова войти в систему, чтобы это вступило в силу.

В моем случае это так:

$ sudo usermod -a -G dialout smilojkovic

После этой команды вы сможете нормально запустить IDE и загрузить код на свою плату или использовать последовательный монитор.

Подключение вашей платы Arduino к компьютеру

После того как вы установили Arduino IDE на свой компьютер следующим логичным шагом будет подключение платы Arduino UNO к компьютеру. Чтобы сделать это просто используйте кабель для программирования (синего цвета) и соедините его с платой Arduino и USB портом вашего компьютера.

Синий кабель для программирования может выполнять следующие три функции:

1. Он запитывает плату Arduino UNO, то есть чтобы обеспечить выполнение программ на ней необходимо просто запитать ее с помощью USB кабеля.
2. Через него программируется микроконтроллер ATmega328, находящийся на плате Arduino UNO. То есть код программы пересылается из компьютера в микроконтроллер именно по этому кабелю.
3. Он может функционировать в качестве кабеля для последовательной связи, то есть с его помощью можно передавать данные с Arduino UNO в компьютер – это полезно для целей отладки программы.

После того как вы подадите питание на плату Arduino UNO на ней загорится маленький светодиод – это свидетельствует о том, что на плату подано питание. Также вы можете заметить как мигает другой светодиод – это результат работы программы по управлению миганием светодиода, которая по умолчанию загружена в вашу плату ее производителем.

Поскольку вы подключаете плату Arduino в первый раз к компьютеру необходимо некоторое время чтобы драйвера для нее успешно установились. Чтобы проверить правильно ли все установилось и определилось откройте «Диспетчер устройств (Device manager)» на вашем компьютере.

В диспетчере устройств откройте опцию «Порты» “Ports (COM & LPT)”, кликните на ней и посмотрите правильно ли отображается там ваша плата.

При этом стоит отметить, что не стоит обращать внимание на то, какой номер порта отобразился у вашей платы Arduino – он может, к примеру, выглядеть как CCH450 или что то подобное. Этот номер порта просто определяется производителем платы и больше ни на что не влияет.

Если вы не можете в диспетчере устройств найти опцию “Ports (COM & LPT)”, то это означает, что ваша плата не корректно определилась компьютером. В большинстве случает это означает проблему с драйверами – по какой то причине они автоматически не установились для вашей платы. В этом случае вы должны будете вручную установить необходимые драйверы.

В некоторых случаях в указанной опции диспетчера устройств может отобразиться два COM порта для вашей платы и вы не будете знать какой из них правильный. В этой ситуации отключите и снова подключите плату Arduino к компьютеру – какой из COM портов при этом будет появляться и исчезать, значит тот и правильный порт.

Следует помнить о том, что номер COM порта будет изменяться при каждом новом подключении вашей платы к компьютеру – не пугайтесь, в этом нет ничего страшного.

Arduino LLC Часто задаваемые вопросы относительно обновления

Какая ОС совместима с драйверами Arduino LLC?

Windows имеет действительный драйвер для Arduino LLC.

В чем причина обновления драйверов Arduino LLC?

Обновлённые драйверы сделают доступными функции , повысят производительность ПК и позволят расширить функциональность аппаратного обеспечения. Установка неверных драйверов Arduino LLC может привести к сбоям системы, снижению производительности и общей нестабильности.

Как узнать, когда обновлять драйверы Arduino LLC?

Мы рекомендуем периодически обновлять драйверы устройств Arduino LLC, обычно не реже нескольких раз в год.

Почему некоторые люди игнорируют обновления драйверов Arduino LLC?

Большинство людей опасаются, что они вызовут сбой компьютера или ошибку, если они обновят драйверы устройств Arduino LLC.

Загрузка программы мигания светодиода

Теперь загрузим нашу первую программу в плату Arduino при помощи программной среды Arduino IDE, которую мы только недавно установили. Установленная Arduino IDE содержит несколько примеров программ, которые будут весьма полезны для начинающих. Давайте откроем один из этих примеров программ используя следующий путь File -> Examples -> Basics -> Blink (как показано на рисунке).

При этом откроется программа Blink – ее цель состоит в том чтобы заставить мигать встроенный светодиод на плате Arduino. После открытия программы нам необходимо выбрать правильную плату Arduino – чтобы сделать это выберите пункт меню Tool -> Boards -> Arduino UNO/Genuino как показано на рисунке ниже.

Далее мы должны выбрать правильный порт для нашей платы. Ранее мы увидели, что для нашей платы был определен порт COM13. В вашем случае это может быть другой порт. Но для нашего рассматриваемого случая мы должны выбрать пункт меню Tools -> Port -> COM13.

Если все сделано правильно, то вы должны заметить что номер порта (в нашем случае COM 13) появится внизу экрана. После этого вам необходимо нажать кнопку загрузки программы (подсвечена синим цветом) на плату Arduino как показано на рисунке ниже.

После нажатия этой кнопки вы увидите надпись “Compiling sketch” и затем, если загрузка программы прошла успешно, вы увидите сообщение “Done Uploading” как показано на рисунке ниже.

Если у вас на данном этапе возникают какие либо ошибки, не рассмотренные в данной статье, то вы их можете попробовать найти в статье про 10 самых распространенных ошибок при работе с Arduino.

Теперь попробуем написать программу, которая будет зажигать светодиод при нажатии кнопки.

7Загрузка скетчав память Ардуино

Теперь можно загрузить программу в память платы. Подключите плату к компьютеру, подождите несколько секунд, пока происходит инициализация платы. Нажмите кнопку Загрузить, и Ваш скетч запишется в память платы Arduino. Светодиод должен начать весело подмигивать вам с периодичностью 2 секунды (1 секунду горит, 1 выключен). Ниже приведён код нашей первой программы для Ардуино.
void setup() {
// блок инициализации pinMode(13, OUTPUT); // задаём пин 13 в качестве выхода.
}void loop() {
// цикл, который повторяется бесконечно, пока включена плата: digitalWrite(13, HIGH); // подаём на 13 вывод высокий уровень — зажигаем светодиод delay(1000); // на 1000 мсек = 1 сек. digitalWrite(13, LOW); // подаём на 13 вывод низкий уровень — гасим светодиод delay(1000); // на 1 сек.
}
// далее цикл повторяется

Почитайте комментарии в тексте программы – их достаточно чтобы разобраться с нашим первым экспериментом. Сначала описываем блок инициализации setup()

, в котором задаём начальные значения переменных и функции выводов Arduino. Далее следует бесконечный цикл
loop()
, который повторяется снова и снова, пока на плату подаётся питание. В этом цикле мы выполняем все необходимые действия. В данном случае – зажигаем и гасим светодиод. Оператор
delay()
задаёт длительность выполнения (в миллисекундах) предшествующего оператора. Оператор
digitalWrite()
указывает Ардуино, на какой вывод подать напряжение, и какой именно уровень напряжения.Ваш первый скетч готов!

Полезный совет

В сети есть множество сайтов, посвящённых работе с платами семейства Arduino. Читайте, осваивайте, не бойтесь экспериментировать и познавать новое! Это увлекательное и полезное занятие, которое принесёт вам много удовольствия.

Схема соединений

Представлена на следующем рисунке.

Кнопку подсоединим ко второму контакту Arduino, то есть одним концом кнопка будет подсоединена ко второму контакту Arduino, а вторым – к земле. То есть всегда когда мы будем нажимать кнопку на второй контакт Arduino будет подаваться земля.

Светодиод подсоединен к контакту 3 через резистор 1 кОм. То есть катод светодиода подсоединен к земле, а анод – к контакту 3 Arduino через резистор.

Примеры проектов с Arduino Nano

Проектов с использованием платы Нано существует огромное количество. По идее, в любой проект для Arduino Uno можно совершенно спокойно внести плату Nano и не придется менять современно ничего в коде. Именно поэтому часто после отладки проекта на “большом и удобном” Uno схему переделывают под нано и используют в рабочем варианте “уменьшенный” контроллер, который легче сделать миниатюрным.

Подключение светодиодов к Arduino Nano

В качестве тестовой программы, проверяющей работу платы, можно использовать мигание светодиодом. На плате имеется встроенный светодиод L, с которым обычно выполняются первые проекты. Но можно подключить и внешний светодиод к выходу D13. Мы, конечно, не забываем, что светодиод обязательно подключать через резистор, чтобы не сжечь его и не повредить плату. Анод светодиода подключается к резистору, который присоединяется к выходу D13. Катод светодиода – к земле. Вот пример схемы:

В Arduino IDE есть пример, который включает мигание светодиода. Для этого нужно перейти в меню Файл>>Образцы>>1. Basics>> Blink и загрузить пример. После выгрузки пода Ардуино будет выполнять программу, мигая светодиодом раз в секунду.

Подключение LCD 1602 к Arduino Nano

Экран LCD 1602 достаточно распространенный, для него существует разнообразные виды шилдов, но также его можно подключить напрямую к Ардуино. Для подключения дисплея к плате нужны Arduino Nano, макетная плата, экран LCD 1602 и соединительные провода.

Выбор пинов, к которым нужно подключать дисплей, может быть любым. Для примера будет выбрана такая конфигурация: контакт RW с дисплея подключается к земле, 4й контакт дисплея – к А0 на Ардуино, 6-й контакт – к Е (Enable), с 11-го по 14-й подключаются к D4-D7. Экран подключен. Для того, чтобы началь писать код, нужно подключить библиотеку LiquidCrystal. В ней также имеется тестовый скетч, который позволит проверить работоспособность установки. Код находится по адресу Arduino\libraries\LiquidCrystal\examples\HelloWorld\HelloWorld.ino, в скетче нужно только поменять номера контактов, к которым подключен экран. Если все подключено правильно, на мониторе загорится надпись.

Подключение nrf24l01 к Arduino Nano

Радиомодуль nrf24l01 используется в случаях, когда нужно получать данные от датчиков, которые расположены на удалении от управляющего устройства. Модуль прост в использовании и легко подключается к Ардуино.

Подключение к Ардуино Нано изображено на рисунке. Земля с платы соединяется с землей модуля, напряжение – на 3,3В, 3й контакт (CE) – к D9, с 4 по 7й – к D10-D12. Для 3го контакта и 4-го можно использовать любые пины, главное указать это потом в коде.

К радиомодулю может быть также припаян конденсатор между выходами земля и питание, который позволит уменьшить шумы, и сделает работу устройства более стабильной.

Для работы с модулем существует несколько библиотек. Наиболее распространенные библиотеки – это RF24 и Mirf. Выбор той или иной библиотеки определяется удобством использования.

Обзор популярных шилдов для Arduino Nano

Платы расширения (или arduino shield, шилд) используются для решения различных задач и упрощения проектов. На плате расширения устанавливаются все нужные электронные компоненты, а взаимодействие с другими контроллерами осуществляется через стандартные контакты Ардуино.
Nano Uno shield – это шилд, который позволяет превратить плату Нано в Уно. Платформа имеет различные колодки для подключения, кнопку перезагрузки и гнездо питания.

Arduino Nano Ethernet Shield – используется для обеспечения работы с сетью через Ethernet. Аналогичен такому же шилду для Arduino Uno, но имеет меньшие размеры и гораздо удобнее в реальных проектах.

Arduino Nano Motor Shield – шилд, который используется в робототехнических проектах для подключения моторов и двигателей к плате Ардуино. Его основная задача – обеспечение управления устройствами, которые потребляют большой (по сравнению с Ардуино) ток. Также с помощью шилда можно управлять мощностью мотора и менять его направление вращения. Моделей плат Motor Shield существует множество, у всех имеется в схеме мощный транзистор, теплоотводящие компоненты, схемы для подключения внешнего источника напряжения и разъемы ля подключения двигателей.

Arduino Nano Sensor Shield – самая распространенная платформа. Шилд прост – основной его задачей является обеспечение удобного подключения к плате Ардуино других устройств. На шилде расположены дополнительные разъемы питания и земли, разъемы для подключения внешнего источника напряжения, светодиод и кнопка перезагрузки.

Arduino Data Logging Shield – шилд, который позволяет писать лог данных с датчиков. Также он используется как файловое хранилище или часы реального времени. Для работы с шилдом существует специальная библиотека, которая позволяет логировать информацию на карту памяти.

Arduino Proto Shield – платформа для быстрого прототипирования или создания своего шилда. На этих платах расположены площадки для монтажа нужных компонентов, выведена кнопка сброса, 2 светодиода и разъем для внешнего питания. С их помощью можно повысить компактность устройства.

Функции программ

Ниже приведен список наиболее часто используемых функции при программировании Arduino:

• pinMode – устанавливает вывод в режим входа или выхода;
• analogRead – считывает аналоговое напряжение на аналоговом входном выводе;
• analogWrite – записывает аналоговое напряжение в аналоговый выходной вывод;
• digitalRead – считывает значение цифрового входного вывода;
• digitalWrite – задает значение цифрового выходного вывода в высокий или низкий уровень;
• Serial.print – пишет данные в последовательный порт в виде удобочитаемого текста ASCII.

Описание обеспечения

Arduino Nano может получать питание через подключение Mini-B USB, или от нерегулируемого 6 – 20 В (вывод 30), или регулируемого 5 В (вывод 27), внешнего источника питания. Автоматически выбирается источник с самым высоким напряжением.

Микросхема FTDI FT232RL получает питание, только если сама платформа запитана от USB. Таким образом при работе от внешнего источника (не USB), будет отсутствовать напряжение 3.3 В, генерируемое микросхемой FTDI, при этом светодиоды RX и TX мигают только при наличие сигнала высокого уровня на выводах 0 и 1.

Интересно почитать: Как сделать микрофон из телефона своими руками.

На Arduino Nano доступны следующие контакты для доступа к питанию:

• Vin : Напряжение от внешнего источника питания (не связано с 5 В от USB или другим стабилизированным напряжением). Через этот вывод можно как подавать внешнее питание, так и потреблять ток, если к устройству подключён внешний адаптер.
• 5V : На вывод поступает напряжение 5 В от стабилизатора платы. Данный стабилизатор обеспечивает питание микроконтроллера ATmega328. Запитывать устройство через вывод 5V не рекомендуется — в этом случае не используется стабилизатор напряжения, что может привести к выходу платы из строя.
• 3.3V : 3,3 В от стабилизатора микросхемы FT232RL. Максимальный ток вывода — 50 мА.
• GND : земля.
• IOREF : Вывод предоставляет платам расширения информацию о рабочем напряжении микроконтроллера. В зависимости от напряжения, плата расширения может переключиться на соответствующий источник питания либо задействовать преобразователи уровней, что позволит ей работать как с 5 В, так и с 3,3 В устройствами.

Память

Микроконтроллер ATmega328 имеет 32 КБ флеш-памяти для хранения кода программы, 2 КБ используется для хранения загрузчика. ATmega328 имеет 2 КБ ОЗУ и 1 КБ EEPROM.

Ввод / вывод

Каждый из 14 цифровых выводов Nano, используя функции pinMode(), digitalWrite(), и digitalRead(), может настраиваться как вход или выход. Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (стандартно отключен) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:

• Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX) – Выводы используются для получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы подключены к соответствующим выводам микросхемы последовательной шины FTDI USB-to-TTL.
• Внешнее прерывание: 2 и 3 – Данные выводы могут быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте, или при изменении значения. Подробная информация находится в описании функции attachInterrupt().
• ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11 – Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite().
• SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) – Посредством данных выводов осуществляется связь SPI, которая, хотя и поддерживается аппаратной частью, не включена в язык Arduino.
• LED: 13 – Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит. На платформе Nano установлены 8 аналоговых входов, каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний предел посредством функции analogReference().
• I2C: 4 (SDA) и 5 (SCL) – Посредством выводов осуществляется связь I2C (TWI).
• AREF – Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с функцией analogReference().
• Reset – Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки перезагрузки на плате расширения, закрывающей доступ к кнопке на самой плате Arduino.

Материал в тему: Самодельная антенна Харченко: инструкция и советы.

Элементы платы

Arduino Nano состоит из множества элементов, в числе которых:

• микросхемы;
• пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды);
• разъемы;
• регуляторы.

Микросхема платы FT232R

Микросхема позволяет подключать плату через USB. Чип, установленный в AN, не может работать напрямую с USB-интерфейсом, поэтому FT232R преобразует его в UART-интерфейс.

Сердце платформы — микроконтроллер ATmega328P

ATmega328P — главный элемент управления платой. В него загружается написанный программистом скетч, и контроллер рассылает команды различным элементам платы. Например, микроконтроллер заставляет диоды мигать, реле — переключаться, а пьезоэлемент — издавать звуки.

Светодиодная индикация

В плату встроено 4 светодиода, у каждого из которых свое назначение:

1. RX- и TX-светодиоды мигают, когда происходит передача данных по UART.
2. L-диод зажигается, когда на него подается высокий уровень сигнала, и гасится при низком уровне.
3. ON-светодиод горит при наличии питания на плате.

Дополнительно практически на любой пин микроконтроллера можно завести другие светодиоды, 7-сегментные индикаторы или даже дисплеи.

Разъем mini-USB

С помощью разъема mini-USB плату можно подключить к персональному компьютеру. Также AN может получать через этот интерфейс питание от внешних источников.

Линейный понижающий регулятор напряжения 5 В

В качестве регулятора используется микросхема LM1117MPX-5.0. Она обеспечивает преобразование сигнала питания AN в сигнал питания микроконтроллера ATmega и других логических элементов, которые не поддерживают питание более 5 В. Например, элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) запитываются от сигнала такой величины.

ICSP-разъем для ATmega328

Этот интерфейс позволяет загружать прошивку в микроконтроллер стандартным способом. Специальный шлейф одним концом подключается к программатору, подсоединенному к ПК, а другим — к ICSP-разъему.

Версия nano v 3.0

Эта версия снабжена микроконтроллером ATmega328. В отличии от своего младшего собрата, он имеет вдвое большие объемы энергонезависимой и flash памяти. И может похвастаться тактовой частотой в 16 МГц.

Будет интересно➡ Обзор платы arduino uno для Arduino

Характеристики

• Микроконтроллер: ATmega328
• Предельное напряжение питания: 5-20 В
• Рекомендуемое напряжение питания: 7-12 В
• Цифровых вводов/выводов: 14
• ШИМ: 6 цифровых пинов могут быть использованы как выводы ШИМ
• Аналоговые выводы: 8
• Максимальная сила тока: 40 mAh с одного вывода и 500 mAh со всех выводов.
• Flash память: 32 кб
• SRAM: 2 кб
• EEPROM: 1 кб
• Тактовая частота: 16 МГц

Подключение питания

Этот микроконтроллер можно питать через порт mini-USB от компьютера, паувербанка или от адаптера, подключенного в розетку.Так же пин +5V является не только выводом, но и вводом. Можно подавать ток на него и все это будет работать только при условии, что напряжение подаваемого тока строго равно пяти вольтам.

Комментарий эксперта

Лагутин Виталий Сергеевич

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Задать вопрос

Еще можно подавать постоянный ток с напряжением от 6 до 20 вольт на пин VIN. Это предельные значения! При подачи напряжения 20 вольт на плате будет сильно греться стабилизатор напряжения. Рекомендуемое напряжение для питания через пин VIN — от 7 до 12 вольт.