آشنایی با انواع بردهای آردوینو

این مطلب اولین قسمت از آموزش جامع آردوینو (مبتدی و پیشرفته) است. حالا که تا حدی با آردوینو آشنا شدید، می‌توانیم به سراغ معرفی و مقایسه چند نمونه پرطرفدار آردوینو برویم. بعد از آن هم به اجزای تشکیل دهنده سخت‌افزار آردوینو خواهیم پرداخت. در حال حاضر آردوینو شامل مجموعه بسیار متنوعی از بردهای الکترونیکی با ابعاد و امکانات مختلف می‌شود که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب است. از آنجا که آردوینو یک سخت‌افزار منبع‌باز است، تمام اطلاعات فنی مورد نیاز برای ساخت آن قابل دسترس است و به همین دلیل شرکت‌های مختلفی اقدام به ساخت بردهای آردوینو کرده‌اند. حتی در صورت داشتن کمی اطلاعات در زمینه الکترونیک، خودتان هم می‌توانید برد آردوینو تان را با هزینه بسیار کمی بسازید.

در حال حاضر آردوینو شامل مجموعه بسیار متنوعی از بردهای الکترونیکی با ابعاد و امکانات مختلف می‌شود که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب است. از آنجا که آردوینو یک سخت‌افزار منبع‌باز است، تمام اطلاعات فنی مورد نیاز برای ساخت آن قابل دسترس است و به همین دلیل شرکت‌های مختلفی اقدام به ساخت بردهای آردوینو کرده‌اند. حتی در صورت داشتن کمی اطلاعات در زمینه الکترونیک، خودتان هم می‌توانید برد آردوینو تان را با هزینه بسیار کمی بسازید.

انواع بردهای آردوینو

انواع بسیار مختلفی برد آردوینو وجود دارد که هر کدام توانمندی خاص خود را دارد و برای کاربرد خاصی طراحی و ساخته شده است. با داشتن آشنایی اولیه‌ای از این بردها می‌توانید آردوینوی مناسب‌تان را پیدا کنید. در این قسمت به معرفی چند مدل معروف آردوینو می‌پردازیم.

UNO

آردوینو UNO معروفترین و پرکاربردترین نوع آردوینو است. چرا؟ پاسخ ساده است؛ آردوینو UNO امکان برقراری اکثر روشهای ارتباطی با ماژول‌های مختلف را فراهم می‌کند، تعداد معقولی از انواع پین‌ها بر روی آن موجود است، سرعت پردازش مناسب و حافظه کافی برای بسیاری از کارهای ساده را دارد، تعداد زیادی برد توسعه‌ای و مطالب بسیار زیاد آموزشی در مورد آن وجود دارد و در عین حال ابعاد نسبتا کوچک و قیمت پائینی دارد. همه این موارد باعث شده است تا UNO اولین انتخاب افرادی باشد که می‌خواهند کار با آردوینو را شروع کنند. تمام بردهای آردوینو با UNO مقایسه می‌شوند و این برد به عنوان مرجع شناخته می‌شود.

پردازنده مرکزی UNO میکروکنترلر ATmega328 با سرعت پردازش 16MHz دارای 32KB حافظه فلش و 2KB حافظه SRAM می‌باشد. این برد ١٤ پین دیجیتال که ٦ مورد آن قابلیت PWM دارند، ٦ ورودی آنالوگ و پین‌های مجزا برای ارتباط از طریق پروتکل I2C و UART و هدرهای ICSP را در اختیار می‌گذارد. بردهای آردوینو UNO در دو نوع معمولی و SMD موجود هستند که تنها تفاوت آنها در میکروکنترلر از نوع DIP یا SMD به کار رفته در آنها است. مزیت نوع DIP این بردها -که نوع مرسوم‌تر آن است- این است که به راحتی می‌توان میکروکنترلر این بردها را از آن جدا نمود و تعویض کرد. از آنجا که روند تولید قطعات SMD رو به افزایش است، نسخه SMD آردوینو UNO هم روز به روز بیشتر در دسترس است و این مزیت این نسخه است. در شکل زیر دو نوع میکروکنترلر DIP (سمت راست) و SMD (سمت چپ) را بر روی برد آردوینو UNO مشاهده می‌کنید.

بردهای آردوینو UNO قابلیت تغذیه هم از طریق USB و هم از طریق فیش تغذیه را دارند. برای اتصال به رایانه تنها چیزی که نیاز خواهید داشت، یک کابل USB است که معمولا همراه با آردوینو UNO عرضه می‌شود. بر پایه طراحی خوب آردوینو UNO بردهای زیادی برای کاربردهای مختلف توسعه پیدا کرده‌اند که همان UNO با یک تغییر کوچک هستند. برای مثال در آردوینو Ethernet، درگاه کابل شبکه و کارت SD تعبیه شده است و آردوینو Pro، تقریبا همان UNO است که هیچ پین و درگاه ارتباطی یا تغذیه‌ای بر روی آن وجود ندارد و خودتان باید هدرهای آن را لحیم کنید.

Mega

اگر قدرت پردازشی UNO برای شما کافی است اما نیاز به حافظه و تعداد پین‌های بیشتری برای اتصال ماژول‌های خود به برد دارید، آردوینو Mega انتخاب مناسبی خواهد بود.

قلب پردازشی آردوینو Mega، یک تراشه ATmega2560 با فرکانس 16MHz و دارای 256KB حافظه فلش و 8KB حافظه SRAM است. Mega تعداد ٥٤ پین دیجیتال دارد که ١٥ مورد آن قابلیت PWM داشته و نیز ١٦ پین ورودی آنالوگ دارد. از مزایای Mega این است که برای هر نوع ارتباط پین‌های مجزا به تعداد زیاد دارد. از این جمله می‌توان به ١ رابط I2C، ٤ رابط UART و هدر ICSP اشاره کرد. Mega هم مانند UNO قابلیت تغذیه هم از طریق USB و هم از طریق فیش تغذیه را دارد. آردوینو مگا مدل ADK علاوه بر حالت قبل، دارای یک پورت USB اضافی برای اتصال به دستگاه های اندروید می‌باشد.

Due

آردوینو Due پرچمدار خانواده بزرگ آردوینو و قدرتمندترین مدل در بین آنهاست. اگر می‌خواهید پروژه‌ای را انجام دهید که نیاز به قدرت پردازشی بالا، حافظه بیشتر و تعداد پین زیاد دارد، آردوینو Due گزینه مناسبی است. آردوینو Due بر خلاف اغلب بردهای آردوینو که از میکروکنترلرهای AVR استفاده می‌کنند، از یک میکروکنترلر بسیار سریع ARM 32-bit استفاده می‌کند که عملکرد آن را به شدت بهبود بخشیده است که البته این مسئله باعث شده است تا قیمت آن نسبت به بسیاری از بردهای آردوینو بیشتر باشد.

آردوینو Due دارای پردازنده‌ی ARM Cortex-M3 با سرعت 84MHz و دارای 512KB حافظه فلش و 96KB حافظه SRAM می‌باشد. بر روی برد Due ٥٤ پین دیجیتال وجود دارد که ١٢ مورد آن توانایی پیاده‌سازی PWM را دارد. ١٢ ورودی آنالوگ، ٤ رابط ارتباطی UART، ٢ رابط I2C، هدر مخصوص ارتباط SPI، ٢ مبدل آنالوگ به دیجیتال و درگاه ارتباطی OTG است. آردوینو Due (و نیز مدل‌های لئوناردو، میکرو و فلورا) دارای رابط native USB می‌باشد، لذا این امکان وجود دارد تا کیبورد، ماوس و ... را شبیه سازی کنند. همچنین مدل Due از رابط CAN bus پشتیبانی می‌کند؛ به همین دلیل در کاربردهای مرتبط با وسایل نقلیه محبوبیت دارد. بر خلاف اکثر بردهای آردوینو، Due با ولتاژ 3.3v کار می‌کند و اتصال پین‌های آن به ولتاژی بیش از این می‌تواند باعث خرابی Due شود.

MKR Vidor 4000

هرچند که نمی‌توان قدرت آردوینو Due را انکار کرد، اما زمانی که نیاز به پرداش موازی اطلاعات داشته باشید، Vidor بی‌رقیب است. MKR یک خانواده از بردهای آردوینو است که همگی با پردازنده‌های قدرتمند ARM کار می‌کنند و Vidor که عضو این خانواده است، تنها مدل آردوینو بر پایه پردازنده FPGA است. این برد دارای قابلیت‌های منحصر به فردی است که بسیار مناسب برای کارهای پردازش تصویر و سیگنال است. به دلیل قیمت بالا و کاربرد خاص آردوینو Vidor، تاکنون از این نسخه در ایران چندان استقبال نشده است.

بر روی برد Vidor یک پردازنده FPGA از نوع Intel Cyclone 10CL016 با سرعت 48MHz به همراه 2MB حافظه فلش و 8MB حافظه SDRAM و یک پردازنده ARM از نوع Cortex-M0+ با سرعت 48MHz، 256KB حافظه فلش و 32KB حافظه SRAM قرار گرفته است. تنوع بسیار زیادی از ارتباطات مختلف مانند ماژول WiFi، Mini HDMI، Mini PCI Express، قابلیت ارتباط تا 7 ماژول از طریق UART، رابط SPI و I2C ،٢٢ رابط دیجیتال که همگی قابلیت PWM دارند، ٧ ورودی و ١ خروجی آنالوگ و درگاه اتصال با باطری Li-Po برای این برد در نظر گرفته شده است که همگی این موارد از Vidor یک برد شگفت‌انگیز ساخته ;است.

LilyPad

آردوینو LilyPad برای کاربردهای پوشیدنی و لباس‌های هوشمند طراحی شده است. این آردوینو به منظور دوخته ‌شدن به محصول طراحی شده است و با استفاده از نخ رسانا می‌توان آن را به سایر اجزای قابل دوخت متصل کرد. این بردها به صورت یک دایره بنفش و شبیه به گل ساخته می‌شوند. پین‌ها روی این بردها سوراخ‌هایی بزرگ‌ و پوشیده از مس هستند. این طراحی به این دلیل است که نخ رسانا به سوراخ‌ها دوخته شده و تماس الکتریکی با مس پوشاننده گلبرگ‌ها ایجاد کند. این بردها برای پروژه‌هایی که ترکیب الکترونیک با نساجی و پارچه است مناسب می‌باشد. در واقع Lilypad یک خانواده از بردهای آردوینو است که با تعداد اتصالات و ابعاد مختلف تولید شده‌اند. این مجموعه عموما به صورت مستقیم به رایانه متصل نمی‌شود و برای این کار باید از یک رابط USB-Serial مانند ماژول‌های FTDI استفاده کنید. این مجموعه شامل Lilypad Main Board، Lilypad Simple، Lilypad USB، Lilypad SimpleSnap و Lilypad Tiny می‌شود. شکل دایره‌ای Lilypad و چیدمان پین‌های آن که بر روی محیط دایره قرار گرفته‌اند، آنرا بسیار مناسب برای جایگذاری در لباس‌ها کرده است.

بر روی Lilypad Main Board میکروکنترلر ATmega168 و یا ATmega328 نصب شده است که دارای 32KB حافظه فلش و 2KB حافظه SRAM بوده و قادر است برنامه‌ها را با سرعت 8MHz اجرا کند. این نسخه از Lilypad ٢٠ پین دیجیتال دارد که ٦ تای آن PWM را پشتیبانی می‌کند و همچنین ٦ پین آنالوگ دارد. جالب است که تمام این موارد بر روی یک دایره به قطر ٥ سانتی‌متر گنجانده شده است!

Nano

تقریبا می‌توان گفت آردوینو Nano نمونه کوچک شده آردوینو UNO است. Nano یک گزینه بسیار خوب برای انجام پروژه‌های با محدودیت فضا یا وزن است. در این نسخه علاوه بر کوچک کردن ابعاد برد، پایه‌های پین‌ها و درگاه منبع تغذیه نیز حذف شده است تا یک برد با ابعاد فوق‌العاده کوچک تولید شود. وزن ٧ گرمی و ابعاد ١٨ در ٤٥ میلیمتری این برد نشان می‌دهد که طراحی Nano تا چه حد موفق بوده است.

آردوینو Nano از نسخه ٣ به بعد، از همان میکروکنترلر ATmega328 که در آردوینو UNO استفاده شده است، بهره می‌برد؛ بنابراین این برد نیز دارای پردازشگر 16MHz با 32KB حافظه فلش و 2KB حافظه SRAM است. تعداد پین‌های ارتباطی Nano از UNO هم بیشتر است! این برد ٨ پین ورودی آنالوگ و همچنین ١٤ پین دیجیتال دارد که ٦ تای آن قابلیت PWM دارد. به علاوه Nano از رابط‌های UART، SPI و I2C پشتیبانی می‌کند.

ProMini

آردوینو ProMini برادر کوچکتر UNO و Nano است. این برد بدون کم کردن از توانایی‌های پردازشی نمونه‌های مذکور، در ابعاد کوچکتری گنجانده شده است.

برد ProMini هم از میکروکنترلر ATmega328 با فرکانس 16MHz با 32KB حافظه فلش و 2KB حافظه SRAM استفاده می‌کند. تفاوت اصلی ProMini با Nano اولا تعداد پین‌ها و ثانیا درگاه‌های آن است. ProMini دارای ١٤ پین دیجیتال است که ٦ تای آن می‌تواند برای PWM استفاده شود. ٦ پین ورودی آنالوگ و توانایی برقراری ارتباط UART، SPI و I2C از طریق پایه‌های دیجیتال از دیگر قابلیت‌های ProMini است. بر روی برد ProMini هیچ‌گونه درگاه ارتباطی یا تغذیه مجزا دیده نمی‌شود! این ویژگی باعث شده‌ است تا بتوانید ProMini را در فضاهای بسیار کوچک جایگذاری کنید. برای ارتباط رایانه با این برد ابتدا بایستی یک پین هدر به آن لحیم کنید و سپس با یک رابط FTDI و یا با کمک یک برد ثانویه مانند UNO آنرا به رایانه متصل کنید.

ATTiny85

شاید تعجب کنید از اینکه بشنوید که یک برد آردوینو با اندازه‌ای کوچکتر از یک بند انگشت هم وجود دارد! بله، ابعاد آردوینو ATTiny85 ١٩ در ٢٧ میلیمتر بوده و کوچکترین آردوینوی موجود است. آردوینو ATTiny85 برای مصرف انرژی بسیار پائین و اتصال حداکثر یکی دو ماژول طراحی شده است و به خوبی از پس آن بر می‌آید اما نباید انتظار بیشتری از آن داشته باشید.

آردوینو ATTiny85 مجهز به یک میکروکنترلر با فرکانس 1MHz به همراه 8KB حافظه فلش و 512B حافظه SRAM می‌باشد. این برد کوچک ٦ پایه دیجیتال دارد که ٤ تای آن قابلیت استفاده به عنوان ورودی آنالوگ و ٢ تای دیگر قابلیت PWM دارند. قابلیت ایجاد ارتباط UART، SPI و I2C نیز با استفاده از همان پایه های دیجیتال وجود دارد. از آنجا که پایه ها به صورت مشترک استفاده شده‌اند، واضح است که نمی‌توان با ATTiny85 چند نوع رابط مختلف را پیاده‌سازی کرد.

شیلدهای آردوینو

ماژول‌های بسیار متنوعی وجود دارد که می‌تواند برای کاربردهای مختلف با آردوینو ترکیب شود. از آنجایی که بسیاری از ماژول‌ها به صورت پیش‌فرض بر روی خود آردوینو نصب نیستند، دو روش کلی برای استفاده از ماژول‌ها وجود دارد. روش اول استفاده از ماژول‌های مجزا و اتصال آن‌ها به آردوینو است؛ کاری که اکثر افراد انجام می‌دهند و شما نیز اگر قصد دارید با آردوینو کارهای مختلفی انجام دهید، این انتخاب منطقی است. بزرگترین مشکل این روش سیم‌کشی‌های زیاد و نیاز به ثابت کردن محل هر ماژول است. روش دوم استفاده از بردهای توسعه‌ای یا همان شیلد (Shield) ها است. شیلدها بردهایی هستند که بر روی خود یک یا چند ماژول و تعدادی پین دارند به گونه‌ای که دقیقا بر روی یکی از بردهای آردوینو سوار می‌شوند و مشکل سیم‌کشی های دست و پا گیر را برطرف کرده و همچنین قرارگیری آنها بر روی آردوینو به یکپارچگی پروژه کمک می‌کند. انواع مختلفی از شیلدهای آردوینو مانند Ethernet، LCD، درایورها، USB، WiFi، GSM و ... وجود دارد که عمدتا بر روی بردهای UNO، Mega و MKR نصب می‌شوند.

تصویر زیر یک شیلد درایور و نحوه سوار کردن آن بر روی آردوینو UNO را نشان می‌دهد.

چه چیزهایی در یک برد آردوینو وجود دارد

بردهای آردوینوی بسیار متنوعی وجود دارد که هر کدام برای کاربرد خاصی طراحی و ساخته شده‌اند. با وجود تمام تفاوت‌های این بردها، همه آنها از بخش‌های مشترکی تشکیل شده‌اند که برای پیاده‌سازی یک پروژه با آردوینو لازم‌اند. اگر بخش‌های مختلف آردوینو را بشناسید، بهتر می‌توانید با آن کار کنید. موارد زیر، اجزایی اصلی هستند که تقریبا در تمام بردهای آردوینو موجود اند. برای نمونه، اجزای یک برد آردوینو UNO را بررسی می‌کنیم. سایر بردهای آردوینو نیز کم و بیش مشابه‌اند و با کمی دقت می‌توانید شباهت‌ها و تفاوت‌های آن را پیدا کنید.

اتصال به رایانه

برای اتصال به رایانه در بردهای آردوینو استانداردهای مختلفی وجود دارد. آردوینو UNO از یک پورت USB (١) استفاده می‌کند در حالی که بعضی مدل‌ها از miniUSB (مثل Nano) و برخی هم از microUSB (مثل Due) استفاده می‌کند. برخی هم کلا چنین درگاهی ندارند و باید با استفاده از پروتکل UART و یک رابط (مثلا رابط FTDI یا یک رابط USB-Serial یا یک آردوینوی دیگر) به رایانه وصل شود.

تغذیه (USB/ Barrel jack)

هر برد آردوینو به طریقی باید به منبع تغذیه متصل شود. آردوینو UNO به دو روش می‌تواند تغذیه شود. راه اول از طریق یک کابل USB و اتصال آن به رایانه و راه دوم با یک منبع تغذیه (مثلا یک آداپتور ٥ ولت ٢ آمپر) که به ترمینال Barrel jack وصل می‌شود. در شکل فوق اتصال USB (١) و ترمینال Barrel jack (٢) را مشاهده می‌کنید. برای اطلاع از میزان ولتاژ ورودی بردهای آردوینو، حتما قبل از استفاده، مشخصات فنی آن را مطالعه کنید.

همچنین، انتقال و بارگذاری برنامه‌ها بر روی پردازنده برد آردوینو UNO از طریق همین اتصال USB انجام می‌شود. توجه شود که از منبع تغذیه بزرگ‌تر از ١٢ ولت استفاده نکنید چراکه در صورت استفاده آردوینوی شما بیش ‌از حد تغذیه خواهد شد و ممکن است خراب شود.

پین‌ها

پین‌های روی آردوینو مکانی هستند که شما سیم‌ها را به‌منظور ساختن مدارات مختلف به آن‌ها متصل می‌کنید (احتمالاً در اتصال از بردبورد و تعدادی سیم استفاده خواهید نمود). آن‌ها معمولاً پلاستیک سیاه‌رنگی به نام "هدر" دارند که به شما اجازه می‌دهد تا فقط یک سیم را مستقیم به یک پین برد متصل کنید. آردوینو چندین نوع پین دارد که عنوان هر کدام بر روی برد نوشته شده و برای عملیات خاصی استفاده می‌شود.

دکمه ریست

آردوینو یک دکمه ریست (٩) دارد. فشار دادن این دکمه به‌طور موقت پین ریست را به زمین وصل می‌کند و هر کدی که در آردوینو بارگذاری شده است را از اول راه‌اندازی می‌کند.

اگر کد شما تکرار نمی‌شود این دکمه می‌تواند خیلی مفید باشد، اما برنامه‌ها معمولاً چندین بار تکرار می‌شوند. معمولاً اگر کد و برنامه شما مشکل داشته باشد، برخلاف خیلی از دستگاه‌ها در آردوینو با ریست کردن مشکلی حل نمی‌شود و باید کد را بررسی کرد.

LED تغذیه

پایین‌تر و در سمت راست کلمه “UNO” روی برد آردوینو، یک LED خیلی کوچک در کنار دکمه On (١٠) وجود دارد. هر زمان که شما آردوینوی خود را به هر منبع تغذیه‌ای متصل کردید، این LED باید روشن شود. اگر این چراغ روشن نشد، احتمال دارد مشکلی وجود داشته باشد و وقت آن است که مدار خود را دوباره بررسی کنید.

TX RX LEDs

TX مخفف انتقال transmit و Rx مخفف دریافت receive است. در کارهای الکترونیکی این علامت‌ها به معنای برقراری ارتباط سریال هستند. در مورد برد UNO، دو جا روی آردوینو این علائم ظاهر می‌شوند؛ یکی به‌وسیله پین‌های دیجیتال ٠ و ١ و دیگری کنار LED نشان‌دهنده TX و RX که با برچسب ١١ نشان داده شده است. این LEDها به‌خوبی به ما نشان می‌دهند که چه زمانی آردوینوی ما در حال دریافت اطلاعات و یا انتقال اطلاعات است (مثلاً زمانی که ما در حال بارگذاری برنامه جدید روی برد هستیم).

IC اصلی

(١٢) این مورد یک IC، مدار مجتمع یا میکروکنترلر نام دارد. میکروکنترلر یک تراشه است که مغز متفکر برد محسوب شده و تمام محاسبات، پردازش‌ها، تصمیم‌گیری‌ها و برنامه‌ها در این قطعه انجام می‌شود. IC اصلی در انواع مختلف بردهای آردوینو اندکی متفاوت است، اما معمولاً از خانواده میکروکنترلرهای Atmega شرکت Atmel می‌باشند. در مدل‌های مختلف آردوینو می‌توانید تنوعی از میکروکنترلرهای سری AVR، ARM و FPGA را پیدا کنید. اطلاع از نوع این میکروکنترلر زمانی می‌تواند اهمیت پیدا کند که شما باید نوع IC خود (نوع برد آردوینو خود) را قبل از بارگذاری برنامه جدید در نرم‌افزار آردوینو بدانید. این اطلاعات را می‌توانید در نوشته‌های روی IC پیدا کنید. اگر اطلاعات بیشتری درباره انواع مختلف IC ها نیاز داشتید، خواندن کتابچه مشخصات قطعه می‌تواند بسیار کمک‌کننده باشد. این تراشه شامل پردازنده، حافظه فلش و حافظه SRAM است.

تنظیم‌کننده ولتاژ

معمولا کاربران آردوینو به طور مستقیم با تنظیم‌کننده ولتاژ (١٣) روی برد کاری ندارند. اما اطلاع از مکان آن و اینکه چه کاربردی دارد می‌تواند مفید باشد. تنظیم‌کننده ولتاژ دقیقاً چیزی است که از نام آن مشخص است. این IC مقدار ولتاژی که وارد برد آردوینو می‌شود را کنترل می‌کند. این وسیله ولتاژ اضافی که ممکن است به مدار آسیب وارد کند را حذف می‌کند. البته محدوده‌ی خودش را دارد؛ پس آردوینوی خود را به هیچ منبع تغذیه‌ای با ولتاژی بیشتر از آنچه در مشخصات آردوینو ذکر شده وصل نکنید.

نتیجه‌گیری

در این مطلب، انواع آردوینو و بخش‌های سخت‌افزاری آن را شناختید. به نظرم وقتش رسیده که کار با نرم‌افزار آردوینو را هم یاد بگیرید تا برای اجرای یک پروژه واقعی آماده بشید! در آموزش بعدی، با نرم‌افزار آردوینو و بعضی دستورات پایه‌ای آن آشنا خواهید شد.

نظرات شما باعث بهبود محتوای آموزشی ما می‌شود. اگر این آموزش را دوست داشتید، همین‌طور اگر سوالی در مورد آن دارید، از شنیدن نظراتتان خوشحال خواهیم شد.