當(dāng)Arduino遇上樹莓派:Nano RP2040連接板

已經(jīng)很龐大的 Arduino 板系列增加了一個新產(chǎn)品，即Arduino Nano RP2040 Connect，它集成了 Raspberry Pi Foundation 開發(fā)的 RP2040 微控制器與 u-blox NINA-W102 Wi-Fi 和藍牙無線電模塊，以及一個豐富的先進傳感器甚至能夠支持人工智能算法。事實上，該板包括一個支持語音激活功能的數(shù)字麥克風(fēng)、一個六軸慣性運動傳感器 (IMU)、一個小型 RGB LED 和廣泛可用的閃存 (16 MB)，甚至能夠滿足最苛刻的要求應(yīng)用程序。

新板從 Raspberry Pi RP2040 繼承了對 MicroPython 和 C/C++ 語言的編程支持，兩者均基于為 Raspberry Pi Pico 板開發(fā)的 SDK。與 Arduino 系列中的所有其他板一樣，最新添加的產(chǎn)品支持本地編程環(huán)境，例如著名的 Arduino IDE（現(xiàn)在為 2.0 版）、Arduino CLI、IoT Cloud 和 Web 編輯器。后者允許直接從網(wǎng)絡(luò)瀏覽器編程和控制 Nano RP2040 Connect 的操作。因此，可以通過免費的 Arduino IoT Remote 智能手機應(yīng)用程序通過即時遠程控制無線上傳草圖。

選擇 RP2040 微控制器是因為它代表了 Raspberry 和 Arduino 世界之間的“特質(zhì) d'union”，是所有那些不需要“完整”Raspberry Pi 的復(fù)雜性和性能的應(yīng)用的理想解決方案，同時受益以極具競爭力的成本提供高級功能。

另一個值得注意的特性是該板屬于 Arduino Nano Mbed OS 系列，這是一組具有共同小尺寸（“Nano”封裝，尺寸僅為 18 × 43 mm）的板，并支持基于 ARM 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用Mbed OS 操作系統(tǒng)。目前，該系列包括三塊板：Nano 33 BLE、Nano 33 BLE Sense 和 Nano RP2040 Connect（Nano 33 IoT 不屬于其中，因為它不支持 Mbed OS 系統(tǒng)）。圖 1 顯示了 Arduino Nano RP2040 Connect 板的四分之三視圖，此處為未安裝排針的版本。

圖 1：Arduino Nano RP2040 連接

框圖

電路板框圖如圖 2 所示。核心由 RP2040 微控制器表示，能夠通過經(jīng)典的 USB 連接與主機開發(fā)和調(diào)試環(huán)境進行通信，并通過四通道 SPI 串行高速存儲器與 16-MB 外部閃存進行通信。速度接口。3.3V 電源由 MP2322 穩(wěn)壓器提供，輸入源可從 USB 端口 (V _USB ) 或外部電源 (V _IN ) 中選擇。NINA W102 Wi-Fi/藍牙模塊通過 I ^{2連接到 micro}C、SPI、UART接口，連接RGB LED。至于其他傳感器，MEMS麥克風(fēng)通過脈沖密度調(diào)制（PDM）數(shù)字音頻接口連接到micro，而六軸運動傳感器和認證模塊通過I ² C總線連接。以 12 MHz 運行的外部 MEMS 振蕩器提供時鐘脈沖。

圖 2：電路板框圖

組件

該板的主要組件在圖 3 中突出顯示。首先，我們有 RP2040 芯片，這是一個基于 ARM Cortex M0+ 的 32 位雙核微控制器，工作頻率為 133 MHz，并配有一個集成的 264-KB SRAM 存儲器。該 MCU 的卓越性能和高效率使其能夠支持使用 TinyML、TensorFlow Lite 或 Edge Impulse 開發(fā)的機器學(xué)習(xí)算法。除了對 MicroPython 的全面支持（從 2021 年 7 月開始提供）外，該板還為機器視覺項目提供免費的 OpenMV 許可證。RP2040 微控制器提供的功能包括：

• 直接內(nèi)存訪問控制器
• USB 1.1 控制器和 PHY，具有主機和設(shè)備支持
• 8 個可編程 IO 狀態(tài)機
• 用于擴展外設(shè)支持的可編程 IO
• 具有內(nèi)部溫度傳感器的四通道 ADC，0.5-MS/s，12 位轉(zhuǎn)換
• SWD調(diào)試
• 兩個片上 PLL，用于生成 USB 和內(nèi)核時鐘
• 多種低功耗模式支持
• USB 1.1 主機/設(shè)備
• 內(nèi)部穩(wěn)壓器提供核心電壓
• 先進的高性能總線/先進的外圍總線

圖 3：電路板的主要組成部分

在 MCU 之后，此卡的第二個優(yōu)勢無疑是連接性，它通過 u-blox NINA W102 無線電模塊實現(xiàn)，這是一種廉價且易于適應(yīng)的設(shè)備。該模塊還增加了四個模擬 GPIO（RP2040 只有四個模擬引腳），使總數(shù)達到八個，與其他 Arduino Nano 板一致。配備集成天線的無線電模塊基于雙核 Xtensa LX6 CPU，可以使用 SWD 接口和位于板背面的特殊焊盤獨立于 RP2040 進行編程。在實踐中，NINA W102 模塊使用與 ESP32 模塊相同的 CPU，ESP32 模塊是最受創(chuàng)客歡迎的硬件平臺之一，還有 Arduino 和 Raspberry Pi。RGB LED 連接到無線電模塊，可以使用為模塊本身開發(fā)的相同庫 (WiFiNINA) 驅(qū)動。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的連接需要高度的安全性，以便在所有操作條件下保持傳輸數(shù)據(jù)的一致性，并防止來自外部的潛在攻擊。為此，設(shè)計人員采用了功能強大的加密協(xié)處理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密協(xié)處理器的特點是功耗特別低，提供對安全啟動的支持、對非對稱簽名的硬件支持、驗證、密鑰協(xié)商、對對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵管理支持。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的連接需要高度的安全性，以便在所有操作條件下保持傳輸數(shù)據(jù)的一致性，并防止來自外部的潛在攻擊。為此，設(shè)計人員采用了功能強大的加密協(xié)處理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密協(xié)處理器的特點是功耗特別低，提供對安全啟動的支持、對非對稱簽名的硬件支持、驗證、密鑰協(xié)商、對對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵管理支持。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的連接需要高度的安全性，以便在所有操作條件下保持傳輸數(shù)據(jù)的一致性，并防止來自外部的潛在攻擊。為此，設(shè)計人員采用了功能強大的加密協(xié)處理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密協(xié)處理器的特點是功耗特別低，提供對安全啟動的支持、對非對稱簽名的硬件支持、驗證、密鑰協(xié)商、對對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵管理支持。設(shè)計人員包括一個功能強大的加密協(xié)處理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密協(xié)處理器的特點是功耗特別低，提供對安全啟動的支持、對非對稱簽名的硬件支持、驗證、密鑰協(xié)商、對對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵管理支持。設(shè)計人員包括一個功能強大的加密協(xié)處理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密協(xié)處理器的特點是功耗特別低，提供對安全啟動的支持、對非對稱簽名的硬件支持、驗證、密鑰協(xié)商、對對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵管理支持。

傳感器設(shè)備包括 ST LSM6DSOX 六軸 IMU，它將 3D 加速度計和 3D 陀螺儀與專用機器學(xué)習(xí)核心相結(jié)合。該組件主要用于“永遠在線”操作要求特別低功耗的移動市場，具有以下技術(shù)特性：

• 3D 陀螺儀，±2-/±4-/±8-/±16-g 滿量程
• 3D 加速度計，±125-/±250-/±500-/±1,000-/±2,000-dps 滿量程
• 先進的計步器、計步器和計步器
• 顯著運動檢測、傾斜檢測
• 標準中斷：自由落體、喚醒、6D/4D 定向、單擊和雙擊
• 可編程有限狀態(tài)機：加速度計、陀螺儀和外部傳感器
• 機器學(xué)習(xí)核心
• 嵌入式溫度傳感器

該設(shè)備可以使用專用的 Arduino LSM6DSOX 庫輕松編程。

另一個相關(guān)的傳感器是全向數(shù)字麥克風(fēng)，可用于聲音激活、音頻控制，甚至人工智能語音識別。MP34DT05 麥克風(fēng)實時捕捉和分析聲音，可用于為任何項目創(chuàng)建語音界面。ST MP34DT05-A 是一款超緊湊、低功耗、全向、數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)，內(nèi)置電容感應(yīng)元件和 I2C 接口。能夠檢測聲波的傳感元件采用 MEMS 工藝制造，而 IC 接口采用 CMOS 工藝制造，可在外部以 PDM 格式提供數(shù)字信號。MP34DT05-A 是一款低失真數(shù)字麥克風(fēng)，具有 64-dB 的信噪比和 –26-dBFS ±3-dB 的靈敏度。可以使用專用的 Arduino PDM 庫對該設(shè)備進行編程。

關(guān)于可編程 I/O 引腳，該板提供 8 個模擬輸入引腳和 22 個數(shù)字 I/O 引腳（其中 20 個可配置為 PWM 發(fā)生器或外部中斷）。引腳 13 上還提供了一個內(nèi)置用戶 LED。圖 4 顯示了 Arduino Nano RP2040 連接板的完整引腳排列，該板也可提供預(yù)安裝的插頭引腳。引腳布局井井有條，所有模擬和電源引腳都在左側(cè)接頭上，數(shù)字引腳在右側(cè)接頭上。如圖 2 所示，RP2040 MCU 支持 UART、SPI 和 I ² C 通信。

圖 4：電路板引腳排列

關(guān)于應(yīng)用，Arduino Nano RP2040 Connect 可適用于廣泛的用例，包括：

• 邊緣計算：TinyML 可用于異常檢測、咳嗽檢測、手勢分析等。
• 可穿戴設(shè)備：減少的占用空間使機器學(xué)習(xí)算法能夠部署在各種可穿戴設(shè)備上，包括運動追蹤器和 VR 控制器。
• 語音助手：Arduino Nano RP2040 Connect 包含一個全向麥克風(fēng)，可用作個人數(shù)字助手，在不同項目中實現(xiàn)語音控制。