Arduino Mega 2560 Rev3 vs. Arduino Uno Rev3 – Porównanie wersji

Znacznie większa i bardziej złożona płytka – Arduino Mega 2560 Rev3 – potrafi udźwignąć projekty o nieporównanie wyższym stopniu zaawansowania. Wielokrotnie wyższa jest tu zarówno liczba dostępnych pinów GPIO, jak i rozmiary wbudowanych w strukturze mikrokontrolera pojemności pamięci Flash oraz RAM. Dlatego też płytkę Arduino Mega 2560 Rev3 chętnie wykorzystuje się w urządzeniach, które z natury wymagają znacznie większej liczby pinów sterujących lub wejściowych. Doskonałymi przykładami będą tutaj: bezpośrednie sterowanie większymi matrycami diod LED, wielofunkcyjnymi robotami o dużej liczbie czujników i napędów (np. robotami kroczącymi) czy też złożonymi systemami automatyki domowej. Nie da się ukryć, że Arduino Mega 2560 doskonale nadaje się także do – w pełni użytecznych – aplikacji produkcyjnych – bez problemu można za jego pomocą wysterować nawet sporych rozmiarów drukarkę 3D czy wieloosiową frezarkę CNC, wyposażoną w kilka sterowników silników krokowych, szereg czujników (np. wyłączników krańcowych i enkoderów) oraz interfejs do komunikacji z użytkownikiem.

Kwestie mechaniczne

W przypadku Arduino Uno Rev3 stosunkowo niewielkie rozmiary (oficjalna płytka ma wymiary 68,6 mm x 53,4 mm) i masa (zaledwie 25 g) pozwalają na łatwe zabudowanie modułu w tanich i popularnych obudowach uniwersalnych, choć bez trudu można wybrać także dowolną z dziesiątek dedykowanych obudów różniących się konstrukcją, kolorystyką i materiałem, z którego są wykonane. W czterech miejscach (niesymetrycznie względem osi modułu) rozmieszczone są otwory montażowe o średnicy 3,2 mm pozwalające na umocowanie płytki, np. za pomocą tulejek dystansowych M3, do dna obudowy bądź jednej z pasujących wymiarowo podstawek uniwersalnych. Goldpiny stanowiące złącza rozszerzeń są rozmieszczone jedynie na dłuższych bokach płytki – wyjątek stanowi tutaj niewielkie, sześciopinowe złącze dające użytkownikowi dostęp do interfejsu programistycznego (ISP), czyli jednocześnie również interfejsu szeregowego SPI. Jedynymi elementami wystającymi poza obrys płytki drukowanej są gniazda: USB typu B oraz zasilania DC w standardzie 2,1/5,5 mm.

Arduino Mega 2560 Rev3 nie różni się szerokością płytki drukowanej, rozmieszczeniem otworów montażowych oraz gniazd USB i DC od analogicznych wymiarów modułu Uno Rev3 – większa jest natomiast długość, która w tym modelu wynosi 101,52 mm, czyli o niecałe 33 mm więcej. Dzięki tej stosunkowo niewielkiej różnicy udało się konstruktorom Arduino zmieścić w tym module trzy dodatkowe złącza typu goldpin udostępniające użytkownikowi kilkadziesiąt linii GPIO niedostępnych w wersji Uno. Dwa spośród tych dodatkowych złączy są umieszczone równolegle do podstawowych gniazd standardu Arduino, tuż obok nich, trzecie gniazdo zaś – tym razem dwurzędowe – znajduje się na krótszym boku płytki, naprzeciwko gniazd USB i DC. Ze względu na dość spore wymiary płytki drukowanej Arduino Mega jest wyposażone także w dwa dodatkowe otwory montażowe znajdujące się po obu stronach dwurzędowego gniazda na końcu tejże płytki. W większości zastosowań można jednak do obydwu opisywanych modułów stosować te same podstawki uniwersalne (z wykorzystaniem czterech „wspólnych” otworów) lub słupki dystansowe w obudowie urządzenia docelowego – o ile tylko znajduje się tam wystarczająca ilość wolnego miejsca, aby można było zmieścić także dłuższy moduł.

Arduino Uno Rev3 vs. Arduino Mega 2560 Rev3 – porównanie mikrokontrolerów

Zdecydowana większość zarówno oryginalnych płytek Arduino, jak i różnej maści klonów i modułów kompatybilnych pracuje pod wodzą 8-bitowych mikrokontrolerów z rodziny AVR (warto nadmienić, że choć w handlu nadal można jeszcze spotkać procesory wyprodukowane przez firmę Atmel, wszystkie nowe moduły są już wyposażone w mikrokontrolery oznakowane logotypem firmy Microchip, która kilka lat temu wchłonęła Atmela wraz z całym „dobrodziejstwem inwentarza”). Klasyczne Arduino Uno Rev3 jest wyposażone w mikrokontoler o oznaczeniu ATmega328P-PU, taktowany rezonatorem kwarcowym o częstotliwości 16 MHz. Układ oferuje 32 kB pamięci programu Flash (z czego pół kilobajta zajmuje fabrycznie wgrany bootloader), 2 kB pamięci operacyjnej (SRAM) i 1 kB nieulotnej, programowalnej pamięci EEPROM. Spośród 23 linii wejścia/wyjścia dla użytkownika dostępnych jest 20: cały port D (PD0..PD7) oraz po 6 najmłodszych linii portów: C (PC0..PC5) i B (PB0..PB5). Do dyspozycji programisty jest 6 kanałów 10-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego oraz tyle samo kanałów wyjściowych (PWM) timerów sprzętowych obsługiwanych przez dwa timery 8-bitowe (Timer0 i Timer2) oraz jeden szesnastobitowy (Timer 1).

Mikrokontroler ATmega328P-PU na płytce Arduino Uno

Mikrokontroler jest wyposażony w interfejsy: USART, SPI oraz TWI (I2C). Warto pamiętać, że interfejs USART (a dokładniej dwie linie danych pracujące tutaj w trybie asynchronicznym – RXD i TXD) są podłączone jednocześnie do konwertera USB-UART i do wyprowadzeń D0, D1 Arduino – potencjalnym konfliktom, które mogłyby się pojawić podczas próby jednoczesnego korzystania z zewnętrznego urządzenia z interfejsem szeregowym oraz wbudowanego konwertera, zapobiegają rezystory RN4A i RN4B, wpięte fabrycznie pomiędzy wyprowadzenia mikrokontrolera a konwerter. Warto także dodać, że w odróżnieniu od starszych wersji Arduino oraz niezliczonych klonów oryginalnej płytki, Arduino Uno Rev3 komunikuje się z komputerem nie za pośrednictwem dedykowanego układu scalonego (np. FT232 czy CH340), ale poprzez specjalnie zaprogramowany mikrokontroler służący jedynie do tego celu – ATmega16U2. Kupując Arduino, otrzymujesz więc płytkę nie z jednym, ale dwoma mikrokontrolerami, zadaniem tego drugiego zaś jest jedynie zapewnienie poprawnej komunikacji pomiędzy modułem a komputerem.

W przypadku Arduino Mega 2560 Rev3 mamy do czynienia ze znacznie potężniejszym i elastycznym mikrokontrolerem w 100-pinowej obudowie TQFP. Procesor ten jest nie tylko sporo większy i silniejszy obliczeniowo od poczciwego ATmega328 – rozmiarami pamięci oraz ilością bloków peryferyjnych wybija się na tle całej rodziny AVR. ATmega2560 oferuje 256 kB pamięci programu (Flash) – z czego 8 kB zajmuje wbudowany bootloader – a także aż 8 kB pamięci SRAM i 4 kB EEPROM. Szybkość taktowania rdzenia wynosi, podobnie jak w przypadku Arduino Uno, 16 MHz, dzięki czemu przenoszenie wielu programów (w szczególności tych, napisanych „od zera” bez użycia wbudowanych bibliotek środowiska Arduino IDE) będzie znacznie łatwiejsze. W porównaniu do mikrokontrolera zastosowanego w Arduino Uno ATmega2560 oferuje ponad dwukrotnie więcej, bo aż 16 wejść przetwornika ADC i 54 cyfrowe linie GPIO.

Trzecia edycja tego doskonałego i rozbudowanego modułu używa – podobnie, jak Arduino Uno Rev3 – konwertera USB-UART na bazie ATmega16UA (w przeciwieństwie do dwóch wcześniejszych generacji modułu, które korzystały z układu ATmega8U2). Warto dodać, że w omawianej wersji pojawiło się także kilka innych ulepszeń, m.in. rezystor na linii HWB ściągający ją do masy w celu ułatwienia aktualizacji oprogramowania konwertera w trybie DFU, a także ulepszony układ sprzętowego resetu. O prawdziwej sile zastosowanego w Arduino Mega 2560 Rev3 mikrokontrolera świadczą przede wszystkim wbudowane weń układy peryferyjne – oprócz dwóch 8-bitowych i aż czterech 16-bitowych timerów sprzętowych do dyspozycji programisty są cztery kontrolery szeregowe USART, komparator analogowy oraz oczywiście interfejsy SPI i TWI (I2C). W bardziej zaawansowanych projektach mogą także przydać się liczne przerwania zewnętrzne, których w Atmega2560 jest aż 8 (INT7:0), nie licząc przerwań typu pin-change-interrupt (wykrywających zmianę stanu logicznego danej linii) – tych jest w potężnej Atmedze aż dwadzieścia cztery.

Hardware – wszystko wokół mikrokontrolera

Obok istotnych różnic w porównaniu obydwu omawianych modułów można także znaleźć spore podobieństwa. Zarówno Arduino Uno Rev3, jak i Arduino Mega 2560 Rev3 są wyposażone w diody LED sygnalizujące stan komunikacji z komputerem za pośrednictwem portu USB – dwie żółte, miniaturowe diody SMD pozwalają jednym rzutem oka stwierdzić, czy i w którą stronę zachodzi komunikacja. Sam port USB jest dobrze zabezpieczony – zgodnie z najlepszymi zasadami projektowania obwodów dla tego najpopularniejszego w świecie komputerowym interfejsu obydwie linie zasilania są odseparowane za pomocą szeregowych dławików ferrytowych, na liniach danych zaś znajdują się zabezpieczenia przeciwprzepięciowe. Mikrokontroler ATmega16uA odgrywający rolę konwertera USB-UART w obydwu modelach jest wyposażony w dedykowane złącze ICSP pozwalające na aktualizację oprogramowania tego pomocniczego układu, bez konieczności wykonywania karkołomnych połączeń „na piechotę”.

Także w obwodzie zasilania znajdziemy spore podobieństwa. Obydwa moduły są wyposażone w układ automatycznego przełączania źródła napięcia zasilania chroniący zarówno Arduino, jak i współpracujący komputer i/lub zasilacz przed uszkodzeniem w sytuacji, gdy napięcie jest doprowadzone zarówno przez kabel USB, jak i gniazdo zasilania DC (bądź linię VIN dostępną w gnieździe goldpin). Za przełączanie odpowiada wbudowany komparator wraz z tranzystorem MOSFET. W modułach nie zabrakło oczywiście przycisku RESET, stabilizatora liniowego o napięciu wyjściowym 3,3 V, a także diod LED sygnalizujących obecność napięcia zasilania (z dowolnego źródła). Obydwie płytki zostały także wyposażone w dodatkową diodę LED, którą można wykorzystać choćby do wstępnego uruchomienia modułu za pomocą prostego programu testowego – w świecie mikrokontrolerów odpowiednikiem nieśmiertelnego „hello world”, znanego z programowania komputerów, jest przecież właśnie miganie diodą. Warto pamiętać, że dioda jest podłączona za pomocą wtórnika zbudowanego na bazie wzmacniacza operacyjnego LM358 – oznacza to, że nie obciąża ona bezpośrednio połączonej z wejściem wtórnika linii PB7 (w nomenklaturze Arduino jest to cyfrowy pin o numerze 13), dzięki czemu linia ta pozostaje do dowolnego wykorzystania, również jako wejście cyfrowe.

Podsumowanie

Opisane w niniejszym artykule podobieństwa i różnice pomiędzy Arduino Uno Rev3 oraz Arduino Mega 2560 Rev3 dobitnie pokazują, że moduły zostały zaprojektowane z myślą o doskonałej kompatybilności programowej, ale jednocześnie w taki sposób, aby każdy użytkownik mógł wybrać do swojego projektu idealnie dopasowaną płytkę bazową – bez nadmiaru pinów czy osprzętu, a więc także w stosownej do danej aplikacji cenie. Przenoszenie programów napisanych dla płytki Arduino Uno na „większego kolegę” – Arduino Mega 2560 jest bardzo proste i najprawdopodobniej nie będzie wymagało żadnych zmian w kodzie. Konwersja „w dół” także jest możliwa, o ile Twój program nie korzysta z „nadliczbowych” interfejsów USART czy linii portów GPIO obecnych tylko w Arduino Mega 2560. Warto pamiętać, że istotnym ograniczeniem jest tutaj także rozmiar pamięci – dlatego planując budowę naprawdę złożonego projektu, warto od razu rozważyć zastosowanie Arduino Mega 2560 – nawet jeżeli wykorzystuje on zaledwie kilka lub kilkanaście linii GPIO.