Zwei neue Arduino UNO R4 Boards: Minima und Wi-Fi

Der Arduino UNO R4 Minima und der Arduino UNO R4 Wi-Fi wurden bereits vor einigen Monaten angekundigt, und wurden nun offiziell herausgebracht. Jetzt, wo es sie wirklich gibt, wollen wir sie genauer ansehen.

Die Renesas-Familie

Vor einigen Monaten veröffentlichte Arduino das Portenta C33 Board, das mit einem ARM Cortex-M33 Mikrocontroller von Renesas ausgestattet ist: dem RA6M5. Die beiden neuen Boards enthalten ebenfalls einen Prozessor von Renesas, den RA4M1. Dieser 32-Bit-ARM-Cortex-M4 läuft mit 48 MHz und verfügt über 32 KB RAM und 256 KB Flash-Speicher. Es scheint, dass eine Familie von Renesas-Boards entsteht.

Interessant ist, dass der RA4M1 mit einer Versorgungsspannung von bis zu 5 V arbeiten kann, während die meisten anderen ARM-Mikrocontroller 3,3 V benötigen. Dies macht die MCU zu einem geeigneten Kandidaten für die Erweiterung der 5-V-, 8-Bit-AVR-basierten Familie, zu der auch der berühmte Arduino UNO R3 gehört.
 

Mehr Peripherie auf dem UNO R4

Der Ersatz eines alten 8-Bit-Controllers mit 28 Pins durch ein modernes 32-Bit-Device mit 64 Pins hat, wie zu erwarten, Auswirkungen auf die Komplexität des Produkts. Dies betrifft jedoch hauptsächlich den Softwareteil, wie aus dem über 1400 Seiten langen Datenblatt der MCU hervorgeht (<300 Seiten für den ATmega328). Das UNO R4 Minima Board ist von ähnlicher Komplexität wie das R3. Das UNO R4 Wi-Fi hat mehr Komponenten, da es den leeren Platz auf den Minima für eine 8 × 12 LED-Matrix und ein ESP32-S3-MINI-1-Modul nutzt

Das Datenblatt ist so lang, weil der Renesas MCU viel mehr Peripherie als der Microchip ATmega328 bietet. Nicht alle davon werden von den R4s unterstützt, weil nicht alle Pins der MCU zugänglich sind (sie hat ein 64-Pin-Gehäuse. Es gibt auch eine 100-Pin-Version, vielleicht eine Idee für ein neues Mega-Board?), aber ein paar nette Dinge sind vorhanden. Dazu gehören ein CAN-Bus und USB 2.0 Full-Speed (Host oder Device).

Ein USB-C-Anschluss ersetzt den USB-B-Anschluss.

Mehr Comms?

Der RA4M1 verfügt über zwei SPI-Ports, zwei I²C-Ports und vier serielle Kommunikationsschnittstellen (SCI). Eine SCI kann entweder ein UART, ein I²C-Master oder ein einfacher SPI-Port sein (d. h. bis zu sechs I²C- oder SPI-Ports), und sogar eine Smartcard-Schnittstelle. Laut Arduino sind diese Ports zumindest in gewissem Umfang vorhanden*. Schaut man sich jedoch den Schaltplan des Minima an, so scheint nur ein I²C-Port angeschlossen zu sein. Die Pins A4, A5, D4 und D5 weisen auf einen zweiten SPI-Port hin, obwohl in den Board-Spezifikationen nur von einem Port die Rede ist. Ein zweiter serieller Port (Serial1) ist ebenfalls vorhanden, aber er teilt sich seine Pins mit dem SPI-Port.
 

Der UNO R4 hat bessere analoge Funktionen

Der UNO R4 verfügt über einen 12-Bit-Digital-Analog-Wandler (DAC) zur Erzeugung echter Analogsignale anstelle von PWM-basierten Surrogaten. Es gibt auch einen Operationsverstärker und einen Komparator zusammen mit einem internen 8-Bit-DAC und der Analog-Digital-Wandler ADC ist 14-Bit breit anstelle von 10 Bit für den UNO R3. Die analogWave-Bibliothek wurde hinzugefügt, um die Verwendung des DACs zu vereinfachen. Das Erzeugen einer Sinus-, Säge- oder Rechteckwelle ist so einfach wie der Aufruf einer Bibliotheksfunktion. Natürlich kann man noch viel mehr damit machen. Daher hat der UNO R4 auf der analogen Seite viel mehr zu bieten als der UNO R3.

Zusätzliche Software-Komplexität

Was die Arduino-IDE betrifft, so bedeutet der Wechsel zu einer neuen, bisher nicht unterstützten Prozessorfamilie auch, dass Softwareunterstützung hinzugefügt werden muss. Wie wir im Laufe der Jahre in unserer computergesteuerten Welt gelernt haben, neigt neue Software dazu, Probleme zu verursachen, und so wird es wahrscheinlich einige Zeit dauern, bis die UNO R4-Erfahrung so reibungslos wie die der UNO R3 wird.
 

Glücklicherweise macht die UNO R4 Minima die Lösung von Problemen etwas einfacher, da sie über eine SWD-Schnittstelle verfügt, die eine richtige (serielle) Fehlersuche ermöglicht. Der UNO R4 Wi-Fi geht sogar noch einen Schritt weiter, da sein ESP32-S3 Modul als On-Board CMSIS-DAP Debugger fungieren kann.

Wi-Fi-Modem

Nachdem wir nun den Arduino UNO R4 Wi-Fi erwähnt haben, wollen wir sehen, inwiefern er sich vom UNO R4 Minima unterscheidet. Zunächst einmal gibt es natürlich das Wi-Fi & Bluetooth LE Modul, ein ESP32-S3 von Espressif. Es kommuniziert mit der MCU über eine serielle Schnittstelle (Serial2) im AT-Befehlsmodus. Die anderen Pins des Wi-Fi-Moduls sind als winzige Lötpads ausgeführt. Eine Neuprogrammierung des Moduls ist möglich, da die dafür erforderlichen Pins auf einer 2 × 3 Stiftleiste (und auf der Unterseite der Platine) zugänglich sind. Die neue Arduino-Bibliothek WiFiS3 bietet High-Level-Softwareunterstützung für das Modul.

LED-Matrix

Eine rote LED-Matrix mit 96 Pixeln (8 × 12) ermöglicht es den Nutzern, Daten darzustellen, Animationen zu erstellen und komplexere und anspruchsvollere Rückmeldungen in Projekten zu geben. Eine neue Bibliothek bietet Funktionen zur Darstellung von Animationen auf der Matrix**. Ein Webtool für die Gestaltung von Animationen wurde ebenfalls angekündigt.
 

Die Matrix verwendet Charlieplexing um die 96 LEDs mit nur 11 GPIO-Ports (D28 bis D38 in Arduino-Notation) zu verbinden. Das bedeutet, dass immer nur wenige LEDs gleichzeitig aktiv sein können, da die Pixel aus zwei antiparallel geschalteten LEDs bestehen und sich die Pixel die Anschlüsse teilen. Da das menschliche Auge jedoch langsam ist, kann das Gehirn durch schnelles Zeitmultiplexing dazu gebracht werden, vollständige Bilder zu sehen.

Ein zweiter I²C-Anschluss

Der UNO R4 Wi-Fi verfügt über zwei I²C-Anschlüsse (Wire & Wire1). Ein Qwiic-kompatibler (SparkFun-Standard) I²C-Anschluss ermöglicht den Zugriff auf den zweiten Port. Sie sind zwar ärgerlicherweise winzig, aber da der Qwiic-Standard eine 3,3-V-Versorgungsspannung vorschreibt, wird das Board mit einem Level-Shifter geliefert. Das bedeutet, dass das Board sowohl 5-V- als auch 3,3-V-I²C-Kommunikation betreiben kann

Stromversorgung

Wenn die Stromversorgung nicht über den USB-Anschluss erfolgt, ist die Stromversorgung des Arduino UNO R3 ein einfacher linearer Spannungsregler. Auf den UNO R4-Boards wurde dieser durch einen Schaltregler ersetzt. Dieser ermöglicht einen viel breiteren Eingangsspannungsbereich von 6 V bis 24 V. Der Regler, ebenfalls ein Renesas-Produkt, kann bis zu 1,2 A mit einem Wirkungsgrad von etwa 90 % liefern. Das UNO R4 Wi-Fi hat auch einen Anschluss für die Stromversorgung der Echtzeituhr (RTC).
 

Schlussfolgerung

Die beiden Arduino UNO R4 Boards, Minima und Wi-Fi, sehen wie glaubwürdige Nachfolger des UNO R3 aus. Sie haben den gleichen Umriss, Erweiterungsanschlüsse und volle 5 V I/O. Das UNO R4 Wi-Fi ist ein bisschen wie ein UNO R4 Minima mit einem eingebauten Erweiterungsmodul. Mit seiner Wi-Fi-Funktion, der LED-Matrix und dem Qwiic-Anschluss ist es einfach, IoT-Anwendungen zu entwickeln.

Der UNO R4 ist viel leistungsfähiger als der UNO R3, mit mehr von allem, vom Speicher bis zur Peripherie und der Betriebsgeschwindigkeit. Ich musste zuerst ein spezielles Renesas-Boards-Paket in der IDE installieren, bevor ich programmieren konnte, aber wenn Sie diese Zeilen lesen, sollte das nicht mehr nötig sein (laut Arduino). Daher wird der UNO R4 für die meisten Benutzer ein einfacher Ersatz für den UNO R3 sein.

Der UNO R4 ist ein großer Schritt nach vorn

Sehr interessant ist schließlich der Debugging-Anschluss an den Minima und die CMSIS-DAP-Debugging-Fähigkeiten des ESP32-S3-Moduls am Wi-Fi, eine Funktion, auf die viele Entwickler seit den Anfängen des Arduino gewartet haben. Dies bringt den Arduino UNO endgültig in die Pro-Entwicklungs-Arena, weshalb der Arduino UNO R4 als ein großer Schritt nach vorne betrachtet werden kann.
   
* Bitte bedenken Sie, dass dieser Artikel auf der Version 0.8.7-ea (Early Access) des Arduino Renesas Boards Pakets basiert, sodass sich die Dinge seitdem weiterentwickelt haben können und wahrscheinlich auch werden.

** Bevor die LED-Matrix-Bibliothek verfügbar wurde, hatte ich bereits ein kleines Programm geschrieben, um eine scrollende Nachricht auf dem UNO R4 Wi-Fi anzuzeigen. Sie können es von GitHub herunterladen.