Arduino UNO: Board Anatomie

Abb. 1: Arduino Uno R3

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider

Abb. 1 zeigt die Hauptkomponenten des Arduino Uno R3, bestehend aus:

• Anschluss für ein externes Netzgerät
• Spannungswandler
• 10 MHz Takt-Quarz
• USB-Anschluss
• Reset-Taster
• USB-UART-Wandler
• Status-LED für Tx, Rx und D13
• SPI/ICSP-Anschlüsse
• 14 Digitale Ein- und Ausgänge
• 6 Analogeingänge
• Spannungsversorgungsanschlüsse
• 5 V, 3,3 V, GND Referenzpotential
• Atmel ATmega328 Mikrocontroller

Die Funktion der I/O-Pins wird in Tabelle 1 beschrieben.

Tabelle 1: Übersicht der I/O-Pins

RX, TX	Das sind die Sende- und Empfangspins der seriellen Schnittstelle (Universal AsynchronousReceiver Transmitter, UART). Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt zwischen 1200 und 115200 Baud.
SCL, SDA	Die zwei Pins gehören zum I2C-Bus (Inter IC Communication), über den der Arduino Daten mit Sensoren und anderer Elektronik austauschen kann. Im Unterschied zum UART gibt es nur eine Leitung für die Hin- und Rückrichtung (SDA, Serial Data), dank eines einheitlichen Protokolls und eines Taktsignals (SCL, Serial Clock) gibt es aber keine Konflikte auf dem Bus.
SPI	Das Serial Peripheral Interface ist ein synchroner serieller Bus, mit Hin-, Rück- und Taktleitung. Beim Arduino dient er dem Datenaustausch mit Sensoren und Steuermodulen, aber auch der Programmierung seines Flash-Speichers mit einem speziellen Gerät. Standardmäßig arbeitet der SPI auf dem Arduino mit 4 MHz.
Digital I/O (PWM~)	Die digitalen Pins lassen sich jeweils als Ein- oder Ausgang programmieren. Arbeiten sie als Eingang, kann man dem Arduino mit einer Spannung von 0 V eine logische 0 und mit 5 V eine logische 1 von außen signalisieren, auf die er reagieren kann. Ist ein Pin als Ausgang konfiguriert, kann er per Programm seiner Umwelt oder weiterer Elektronik eine logische 1 oder eine logische 0 signalisieren. Daneben kann man die Ausgangsspannung von 5 V auch direkt benutzen, um eine Leuchtdiode (LED) zum Leuchten zu bringen oder ein Relais zu schalten, das wiederum ein anderes Gerät mit Batterieversorgung oder gar mit Netzspannung anschaltet. Zu beachten ist, dass ein Ausgang als Dauerlast nur einen Strom von 20 mA liefert, kurzzeitig auch bis zu 40 mA. Darüber droht ein dauerhafter Schaden des Pins. Um das zu verhindern, muss man den Strom mit einem Widerstand begrenzen. ~: An diesen Pins kann eine Pulsdauermodulation (PWM) ausgegeben werden. Diese benötigt man bspw. zur Leistungssteuerung von LEDs oder zur Ansteuerung von Servo-Motoren.
Analog In (A0–A5)	Da die Welt eben nicht nur schwarz (5 V) und weiß (0 V) ist, benötigt man noch eine Möglichkeit, Spannungen irgendwo dazwischen zu messen. Ein Analog-Digital-Wander wandelt, wie beim Mikrofon-Eingang am PC, analoge Signale in digitale Werte zwischen 0 und 1023 (10 Bit). Der UNO hat eigentlich nur einen einzigen internen Wandler, mit einem eingebauten Umschalter kann er jedoch die einzelnen externen Eingänge auf den Eingang des A/D-Wandlers legen. Grundsätzlich lassen sich auch alle Analog-und Bus-Pins als I/O-Pins festlegen, sodass der Arduino UNO insgesamt 20 digitale Ein- und Ausgänge befehligen kann.
5 V 3,3 V	Die beiden Pins dienen der Spannungsversorgung von Erweiterungsshields oder anderen elektronischen Komponenten.
VIn	Hier liegt die Spannung an, mit der der Arduino bei Verwendung eines externen Netzteils versorgt wird. Shields mit Motoren und anderen Verbrauchern mit höherem Spannungsbedarf benötigen diesen Pin.
GND	Das ist der gemeinsame Bezugspunkt beim Zusammenschalten von Komponenten mit dem Arduino. Man kann ihn sich vereinfacht wie den Minuspol einer Batterie vorstellen.
AREF	Die analogen Eingänge nehmen die Digitalisierung in Bezug auf eine bestimmte Spannung vor, standardmäßig 5 V. Man kann aber auch durch eine externe Spannungsreferenz einen anderen Wert vorgeben. Liefert beispielsweise ein Sensor nur eine maximale Spannung von 1 V, würde man bei AREF = 5 V nur ein Fünftel des Wertebereichs (0–205) nutzen. Sinnvoller wäre, AREF mit einer Referenzspannung von 1 V zu speisen.
IOREF	Damit signalisiert der Arduino einem Shield, mit welchem Spannungspegel er arbeitet. In der Regel spielt dieser Pin keine Rolle.
Reset	Neben dem manuellen Druck auf den Resetkopf kann auch eine externe Schaltung einen Neustart des Arduino auslösen.

Interner Aufbau

Abb. 2: Blockdiagramm des ATmega328P

Der Kern des Arduino ist der Mikrocontroller ATmega328 des Herstellers Atmel. Seine Hauptmerkmale sind

Digitale I/O Pins	14 (6 davon können eine PWM ausgeben)
Analog Input Pins	6 (DIP) or 8 (SMD)
Gleichstrom pro I/O Pin	40 mA
Flash Memory	32 KB
SRAM	2 KB
EEPROM	1 KB

Das Blockschaltbild des ATmega328 in Abb. 2 ist recht umfangreich, denn in dem kleinen IC sind viele Funktionen untergebracht, die früher beispielsweise – abgesehen von der Videoausgabe – als einzelne Komponenten auf den Platinen der Heimcomputer oder auf den Mainboards der ersten PCs verbaut waren. Wenn man sich die einzelnen Blöcke in Ruhe anschaut, ergeben sich aber recht einfach die Zusammenhänge.

Zentrales System ist der 8-Bit-Prozessor (CPU), dem ein Arbeitsspeicher (SRAM) für das Ablegen von temporären Daten und ein Programmspeicher (Flash) zur Seite gestellt sind. Aus dem 32 KByte Flash liest die CPU die einzelnen Befehle des Programms (Sketch) nacheinander ein und führt sie aus. Ein sogenannter Programm Counter hilft ihr, sich die Speicheradresse zu merken, ab der der nächste Befehl dran ist. Wenn die CPU sich zwischendurch mal bestimmte Werte merken muss, legt sie diese in ihren internen Registern oder im 2 KByte großen SRAM ab – der Flash kann nämlich während des Betriebs nicht so ohne Weiteres Daten speichern.

Während das RAM beim Abschalten alle Daten verliert, behält der Flash jedoch sein Programm fest gespeichert wie ein USB-Stick. Um trotzdem auch mal während eines Programmlaufs erzeugte Daten über das Abschalten hinwegzuretten, dient der EEPROM. Das laufende Programm übergibt ihm Daten für die feste Speicherung, auf die es später nach jedem Anschalten wieder zugreifen kann.

Dem aufmerksamen Lesenden wird an dieser Stelle der fundamentale Unterschied zum PC aufgefallen sein: Der PC kopiert seine Programme vor der Ausführung immer in seinen Arbeitsspeicher, um anschließend von dort die Befehle einzulesen. Dieses Konzept nennt sich Von-Neumann-Architektur, benannt nach dem Mathematiker John von Neumann. Das Konzept der getrennten Speicher wie beim ATmega nennt sich hingegen Harvard-Architektur.

Durch die Zuschaltung von Port-Bausteinen (PORT B, C, D) wird der Mikroprozessor zum Mikrocontroller – weil er über die Ports nun seine Umwelt kontrollieren kann. Neben den bereits erwähnten Schnittstellen USART, SPI und I²C (der heißt aus lizenzrechtlichen Gründen bei Atmel allerdings Two Wire Interface, kurz TWI) gibt es noch mehrere Timer und Counter (T/C 0, 1, 2) im ATmega. Sie helfen der CPU, Zeitspannen zu messen, etwa um Ausgänge mikrosekundengenau ein- beziehungsweise auszuschalten oder die Dauer extern anliegender Signale zu messen.
Um die CPU gruppieren sich noch weitere Bausteine, die die zuverlässige Arbeit gewährleisten sollen. Bleibt ein Programm bei seinem Ablauf aus irgendeinem Grund hängen – viele kennen das bereits vom PC – kann der Watchdog den Controller neu starten und somitwieder auf die Spur bringen.

Einen ähnlichen Zweck hat die eingebaute Überwachung der Spannungsversorgung Power Supervision: Sinkt die Spannung unter 4 V, so kann dies die Logik des Controllers durcheinanderbringen, die anschließend unter Umständen mit falschen Daten weiterrechnet. Sicherheitshalber resetted die Überwachung den Controller – und zwar so lange, bis die Versorgungsspannung wieder auf einen für den zuverlässigen Betrieb geeigneten Wert gestiegen ist.

Datenblätter

• ATmega328 (PDF)
• Arduino^® UNO R3

Weiterführende Links

• Board-Anatomy

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