Arduino MKR Vidor 4000: распиновка, схема подключения и программирование

Используйте платформу Arduino MKR Vidor 4000 для создания проектов IoT и умного дома. Плата может одновременно опрашивать различные датчики, передавать данные по беспроводным технологиям и выводить изображение с камер видеонаблюдения.

На управляющей плате стучит сразу три сердца:

• Микроконтроллер ATSAMD21G18
• ПЛИС/FPGA Cyclone 10CL016
• Модуль беспроводной связи NINA-W102

1. Подключите плату к компьютеру по USB. Для коммуникации используйте кабель USB (A — Micro USB).
2. Скачайте и установите Arduino IDE.
3. По умолчанию среда программирования настроена только на AVR-платы. Для работы с платформой MKR Vidor 4000 добавьте в менеджере плат поддержку платформ SAMD Boards.
4. Выберите плату MKR Vidor 4000 в IDE: Инструменты Плата Arduino SAMD Boards Arduino MKR Vidor 4000
5. Выберите COM-порт в IDE: Инструменты Порт COMx, где x — номер текущего порта.
6. Установите дополнительные библиотеки через менеджер библиотек:
   1. VidorPeripherals
   2. VidorGraphics
   3. WiFiNINA (Не старше версии 1.8.5)
7. Обновите версию прошивки на чипе NINA-W102
8. По завершении можно смело переходить к примерам работы.

Рассмотрим несколько примеров программирования MKR Vidor 4000 на C++ через Arduino IDE.

Для начала мигнём встроенным светодиодом на 32 пине микроконтроллера ATSAMD21G18. В текущем примере задействуем только один чип платы MKR Vidor 4000 — микроконтроллер ATSAMD21G18.

Blink.ino

// Даём имя встроенному светодиоду на 32 пине
constexpr uint8_t LED_ARDUINO_PIN = 32;
 
void setup() {
  // Настраиваем пин со светодиодом в режим выхода
  pinMode(LED_ARDUINO_PIN, OUTPUT);
}
 
void loop() {
  // Зажигаем светодиод
  digitalWrite(LED_ARDUINO_PIN, HIGH);
  // Ждём пол секунды
  delay(500);
  // Гасим светодиод 
  digitalWrite(LED_ARDUINO_PIN, LOW);
  // Ждём пол секунды
  delay(500);
}

После прошивки скетча светодиод начнёт мигать раз в секунду.

Встроенный светодиод имеет три кристалла:

• Red на 32 пине микроконтроллера ATSAMD21G18.
• Green на 26 пине модуля NINA-W102.
• Blue на 25 пине модуля NINA-W102.

В продолжении будем по очереди мигать каждым цветом. В текущем примере уже задействуем второй чип платы MKR Vidor 4000 — NINA-W102.

BlinRGB.ino

// Подключаем библиотеки для доступа к NINA-W102
#include <WiFiNINA.h>
#include <utility/wifi_drv.h>
 
// Даём имя встроенному светодиоду на 32 пине МК ATSAMD21G18
constexpr uint8_t LEDR_ATSAMD21G18_PIN = 32;
// Даём имена встроенным светодиодам на 25 и 26 пинах модуля NINA-W102
constexpr uint8_t LEDG_NINAW102_PIN = 26;
constexpr uint8_t LEDB_NINAW102_PIN = 25;
 
void setup() {
  // Настраиваем пины со светодиодом в режим выхода
  pinMode(LEDR_ATSAMD21G18_PIN, OUTPUT);
  WiFiDrv::pinMode(LEDG_NINAW102_PIN, OUTPUT);
  WiFiDrv::pinMode(LEDB_NINAW102_PIN, OUTPUT);
  // Гасим все светодиоды
  digitalWrite(LEDR_ATSAMD21G18_PIN, HIGH);
  WiFiDrv::digitalWrite(LEDG_NINAW102_PIN, HIGH);
  WiFiDrv::digitalWrite(LEDB_NINAW102_PIN, HIGH);
}
 
void loop() {
  // Зажигаем красный светодиод
  digitalWrite(LEDR_ATSAMD21G18_PIN, LOW);
  // Ждём пол секунды
  delay(500);
  // Гасим красный светодиод 
  digitalWrite(LEDR_ATSAMD21G18_PIN, HIGH);
  // Ждём пол секунды
  delay(500);
   // Зажигаем зелёный светодиод
  WiFiDrv::digitalWrite(LEDG_NINAW102_PIN, LOW);
  // Ждём пол секунды
  delay(500);
  // Гасим зелёный светодиод 
  WiFiDrv::digitalWrite(LEDG_NINAW102_PIN, HIGH);
  // Ждём пол секунды
  delay(500);
   // Зажигаем синий светодиод
  WiFiDrv::digitalWrite(LEDB_NINAW102_PIN, LOW);
  // Ждём пол секунды
  delay(500);
  // Гасим синий светодиод 
  WiFiDrv::digitalWrite(LEDB_NINAW102_PIN, HIGH);
  // Ждём пол секунды
  delay(500);
}

После прошивки скетча светодиод начнёт мигать по очереди красным, зелёным и синим цветом.

Пришло время опробовать изюминку данной платформы, третий чип MKR Vidor 4000 — ПЛИС (FPGA) Intel Cyclone 10CL016. На самом деле чип уже прошит официальной прошивкой производителя, а нам даются готовые функции для демонстрации работы. В качестве примера выведем лого на HDMI-дисплей.

• 1× Arduino MKR Vidor 4000
• 1× HDMI-дисплей 1024×600 / 7” в корпусе
• 2× Кабель USB (A — Micro USB) для питания
• 1× Rабель HDMI — Micro-HDMI

DrawLogo.ino

// Библиотеки для работы с графикой и вывода данных на HDMI
#include "VidorGraphics.h"
#include "Vidor_GFX.h"
 
// Создаём буфер для вывода данных
Vidor_GFX  vdgfx;
 
void setup() {
  // Открываем Serial-порт для мониторинга данных в консоли
  Serial.begin(9600);
  // Ожидаем открытия Serial-порта
  // Закомментируйте строку ниже, если не нужна отладка
  while (!Serial) {}
  // Инициализируем FPGA
  if (!FPGA.begin()) {
    Serial.println("Initialization failed!");
    while (1) {}
  } else {
    Serial.println("Initialization successfully!");
  }
  // Ждём пару секунд
  delay(2000);
  // Закрашиваем всю область буфера белым фоном
  vdgfx.fillRect(0,0,640,480,vdgfx.White());
  // Рисуем лого Arduino
  vdgfx.fillCircle(225,225,100 ,vdgfx.lightBlue());
  vdgfx.fillCircle(415,225,100 ,vdgfx.lightBlue());
  vdgfx.fillCircle(225,225,90 ,vdgfx.White());
  vdgfx.fillCircle(415,225,90 ,vdgfx.White());
  vdgfx.fillRect(175,220,100,10 ,vdgfx.lightBlue());
  vdgfx.fillRect(365,220,100,10 ,vdgfx.lightBlue());
  vdgfx.fillRect(410,175,10,100 ,vdgfx.lightBlue());
 
  // Пишем текстовую строку
  vdgfx.text.setCursor(150,375);
  vdgfx.text.setAlpha(255);
  vdgfx.text.setSize(3);
  vdgfx.text.setColor(vdgfx.lightBlue());
  vdgfx.println("ARDUINO");
  vdgfx.text.setCursor(480,145);
  vdgfx.text.setSize(1);
  vdgfx.println("TM");
}
 
void loop() {
 
}

После прошивки на HDMI-мониторе отобразится приветственное лого.

• 1× Arduino MKR Vidor 4000
• 1× HDMI-дисплей 1024×600 / 7” в корпусе
• 1× Камера MIPI «Модель D»
• 2× Кабель USB (A — Micro USB) для питания
• 1× Rабель HDMI — Micro-HDMI

CameraVideoCapture.ino

// Библиотеки для работы с графикой и вывода данных на HDMI
#include "VidorGraphics.h"
#include "VidorCamera.h"
 
// Создаём объект для работы с камерой
VidorCamera vcam;
 
void setup() {
  // Открываем Serial-порт для мониторинга данных в консоли
  Serial.begin(9600);
  // Ожидаем открытия Serial-порта
  // Закомментируйте строку ниже, если не нужна отладка
  while (!Serial) {}
 
  // Инициализируем FPGA
  if (!FPGA.begin()) {
    Serial.println("Initialization failed!");
    while (1) {}
  } else {
    Serial.println("Initialization successfully!");
  }
 
  // Инициализируем камеру
  if (!vcam.begin()) {
    Serial.println("Camera failed");
    while (1) {}
  } else {
    Serial.println("Camera successfully!");
  }
 
  // Ожидаем пару секунд
  delay(2000);
  Serial.println("Power On");
 
}
 
void loop() {
  // Если в консоли пришла команда STOP,
  // то останавливаем захват изображения
  String res = Serial.readStringUntil('\n');
  if (res.indexOf("STOP") > 0) {
    vcam.end();
  }
}

После прошивки изображение с камеры начнёт транслироваться на HDMI-монитор.

• 1× Arduino MKR Vidor 4000
• 1× Кабель USB (A — Micro USB)
• 1× Светодиодная WS2812 матрица 8×8
• 1× Соединительные провода «папа-папа»

PrintTextWS2812.ino

// Библиотека для работы с графикой
#include "VidorGraphics.h"
// Библиотека для светодиодов WS2812
#include "Vidor_NeoPixel.h"
 
// Создаём объект np класса Vidor_NeoPixel для работы с матрицей WS2812
Vidor_NeoPixel    np(8*8, A6);
// Создаём объект vdgfx класса Vidor_GFX для работы с матрицей WS2812
Vidor_GFX         vdgfx(np);
// Создаём объект matrix класса Vidor_GFXbuffer для работы с матрицей WS2812
Vidor_GFXbuffer   matrix(np, vdgfx, 64, 8, true);
 
void setup() {
  // Открываем Serial-порт для мониторинга данных в консоли
  Serial.begin(9600);
  // Ожидаем открытия Serial-порта
  // Закомментируйте строку ниже, если не нужна отладка
  while (!Serial) {}
 
  // Инициализируем FPGA
  if (!FPGA.begin()) {
    Serial.println("Initialization failed!");
    while (1) {}
  } else {
    Serial.println("Initialization successfully!");
  }
 
  // Инициализируем матрицу
  np.begin();
  matrix.begin();
 
  // Очищаем матрицу
  for (int i = 0; i < 64; i++) {
    // Clear matrix
    np.setPixelColor(i, 0, 0, 0, 0);
  }
  np.show();
  // Печатаем в буфер слово «Амперка»
  vdgfx.text.setColor(vdgfx.Red());
  vdgfx.text.setCursor(0, 6);
  vdgfx.setFont(0);
  vdgfx.text.setSize(1);
  vdgfx.print("A");
  np.show();
  vdgfx.text.setColor(vdgfx.Blue());
  vdgfx.print("m");
  np.show();
  matrix.scroll(100);
  vdgfx.text.setColor(vdgfx.Green());
  vdgfx.print("p");
  np.show();
  matrix.scroll(100);
   vdgfx.text.setColor(vdgfx.Yellow());
  vdgfx.print("e");
  np.show();
  matrix.scroll(100);
  vdgfx.text.setColor(vdgfx.Purple());
  vdgfx.print("r");
  np.show();
  matrix.scroll(100);
  vdgfx.text.setColor(vdgfx.Brown());
  vdgfx.print("k");
  np.show();
  matrix.scroll(100);
  vdgfx.text.setColor(vdgfx.White());
  vdgfx.print("a");
  // Выводим изображение из буфера на матрицу
  np.show();
  // Скроллим изображение в виде бегущей строки
  // Если строка «бежит» в неверном направлении,
  // необходимо сделать фикс в библиотеке Vidor_GFX. Подробности:
  // http://wiki.amperka.ru/products:arduino-mkr-vidor-4000
  matrix.scroll(100);
}
 
void loop()  {
 
}

После прошивки на матрице WS2812 побежит радужная строка с надписью «Амперка».

1. Откройте текстовым редактором файл библиотеки: C: Users Name User Documents Arduino libraries VidorGraphics src Vidor_GFX.cpp
2. Найдите функцию:

   void Vidor_GFXbuffer::scroll(int delay) {
     privateScroll(NP_SEQ_FLG_START | NP_SEQ_FLG_BUF_LOOP | NP_SEQ_FLG_INV_LOOP, delay);
   }

3. Замените строку:

   privateScroll(NP_SEQ_FLG_START | NP_SEQ_FLG_BUF_LOOP | NP_SEQ_FLG_INV_LOOP, delay);

   На строку:

   privateScroll(NP_SEQ_FLG_START | NP_SEQ_FLG_BUF_LOOP, delay);

4. Сохраните изменения.

На плате MKR Vidor 4000 расположен микроконтроллер ATSAMD21G18 c вычислительном ядром ARM Cortex® M0 с тактовой частотой 48 МГц. Контроллер обладает двумя видами памяти:

• 256 КБ Flash-памяти, которая предназначена для хранение программ и сопутствующих статичных ресурсов. Flash-память энергонезависимая: при выключении питания, данные не сотрутся.
• 32 КБ RAM-памяти, которая предназначена для хранения временных данных, например переменных программы. RAM-память энергозависимая: при выключении питания, все данные сотрутся.

Изюминкой на плате выступает ПЛИС/FPGA (программируемая логическая интегральная схема) — Intel Cyclone 10CL016 с тактовой частотой до 200 МГц. Чип содержит:

• 15408 логических элементов
• 56 аппаратных умножителей
• 504 КБ RAM-памяти.

Для штатной работы ПЛИС на плате распаяны дополнительный чипы памяти:

• W25Q16DV: Flash-память на 2 МБ.
• AS4CM16SA: RAM-память на 8 МБ.

ПЛИС используются там, где софтверных возможностей микроконтроллера недостаточно. Например, для реализации аппаратных интерфейсов UART, QSPI, I²C, I²S, захвата с MIPI-камеры и транслирования видео через HDMI.

По умолчанию на плате MKR Vidor 4000 чип Cyclone 10LP прошит штатной прошивкой, функции которой доступны через микроконтроллер микроконтроллер ATSAMD21G18 и библиотеки Vidor Libraries.

MKR Vidor 4000 задумывался как удобная отправная точка для вашего первого путешествия в мир программируемых логических интегральных схем. Однако если вы уже общались с ПЛИС и не боитесь трудностей, можете воспользоваться программой Intel Quartus для создания своих произвольные аппаратных блоков.

За беспроводную передачу данных отвечает чип U-blox NINA-W102 со встроенным чипом ESP32 для обмена данными по воздуху в диапазоне 2,4 ГГц по Wi-Fi и Bluetooth. Для работы с модулем используйте библиотеку WiFiNINA.

Криптографический сопроцессор Microchip ATECC508A интегрирует протокол безопасности ECDH (Elliptic Curve Diffie Hellman) в сверхзащищённый метод, обеспечивающий согласование ключей для шифрования / дешифрования, наряду с ECDSA (алгоритм цифровой подписи эллиптической кривой) для проверки подлинности с подписью для Интернета вещей (IoT), включая домашнюю автоматизацию, промышленные сети, медицинские услуги, аутентификацию аксессуаров и расходных материалов.

Разъём USB Micro предназначен для прошивки и питания платформы. Для подключения к ПК понадобится кабель USB (A — Micro USB).

Кнопка предназначена для ручного сброса прошивки — аналог кнопки RESET обычного компьютера.

Порт micro-HDMI предназначен для подключения HDMI-дисплеев к плате Vidor 4000. Для коммуникации понадобится кабель HDMI — Micro-HDMI.

Разъём MIPI предназначен для подключения MIPI-камер на сенсоре OmniVision OV5647 к плате Vidor 4000, например Raspberry Pi Camera (Model D).

Комбинированный понижающий преобразователь напряжения EZ6301QI содержит в себе три отдельных модуля:

1. Импульсный DC-DC-преобразователь с настроенным выходом 3,3 В. Максимальный выходной ток 1,5 А.
2. Линейный LDO-преобразователь с настроенным выходом 2,5 В. Максимальный выходной ток 300 мА.
3. Линейный LDO-преобразователь с настроенным выходом 1,2 В. Максимальный выходной ток 300 мА.

В итоге одного преобразователя EZ6301QI достаточно для питания всей логики MKR Vidor 4000.

На плате расположен JST PH-разъём (2 pin) для подключения внешних литий-полимерных (Li-Pol) и литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов. При питании через разъём для аккумулятора светодиодный индикатор Power не горит для экономии расхода энергии.

За состояние батареи отвечает умный контроллер BQ24195L, который:

• Отслеживает напряжение и ток батареи в режиме источника энергии.
• Контролирует напряжение и ток батареи в режиме зарядки.

На плате предусмотрен JST SH-разъём (5 pin) для подключения дополнительных модулей по интерфейсу I²C с распиновкой:

• 5V: Выходной пин. На вывод поступает напряжение 5 В при подключении платы через USB-порт. При питании платформы через пин VIN или разъём для внешнего аккумулятора на пине может быть напряжение в диапазоне от нуля до входного.
• VIN: Входной пин для подключения внешнего источника напряжения в диапазоне от 5 до 6 вольт.
• VCC: Выходной пин от преобразователя напряжения с выходом 3,3 вольта и максимальных током 1,5 А. В любом варианте питания платформы на пине будет присутствовать 3,3 вольта.
• GND: Вывод земли.
• AREF: Входной пин для подключения внешнего опорного напряжения АЦП, относительно которого происходят аналоговые измерения при использовании функции analogReference() с параметром EXTERNAL.

• Пины общего назначения: 22 пина: 0–14 и A0–A6
  Логический уровень единицы — 3,3 В, нуля — 0 В. Максимальный ток выхода — 7 мА.
• ШИМ: 12 пинов: 0–8, 10, A3 и A4
  Позволяет выводить аналоговые значения в виде ШИМ-сигнала из цифровых значений. По умолчанию разрядность ШИМ установлена в 10 бит, которую можно изменить на 8, 10 и 12 бит с помощью функции analogWriteResolution().
• АЦП: 7 пинов; A0–A6
  Позволяет представить аналоговое напряжение в виде цифровом виде. По умолчанию разрядность АЦП установлена в 10 бит, которую можно изменить на 8, 10 и 12 бит с помощью функции analogReadResolution(). Диапазон входного напряжения от 0 до 3,3 В, при подаче большего напряжения микроконтроллер может выйти из строя.
• ЦАП: пин DAC/A0
  Позволяет выводить аналоговое напряжение из цифровых значений. Вывод может использоваться для создания аудио-выхода — для этого используйте библиотеку AudioZero.
• I²C: пины SDA/11 и SCL/12
  Для общения платформы c платами расширения и сенсорами по интерфейсу I²C.
• SPI: пины MOSI/8, MISO/10 и SCK/9
  Для общения платформы c платами расширения и сенсорами по интерфейсу SPI.
• Serial/UART: пины TX/11 и RX/12
  Для общения платформы c платами расширения и сенсорами по интерфейсу UART.
• I²S: пины 2/SCK/BCLK, 3/WS/LRCLK/FS и A6/SD/SDATA/SDIN/SDOUT
  Для общения платформы c платами расширения и сенсорами по интерфейсу I²S.

• Модель: Arduino MKR Vidor 40000 (SKU ABX00022)
• Чипы и периферийные устройства:
  • Микроконтроллер ATSAMD21G18
  • ПЛИС/FPGA Cyclone 10CL016
  • Беспроводной модуль NINA-W102
  • Крипто чип ATECC508A
  • RGB-светодиод
• Входное напряжение питания:
  • Через USB: 5 В
  • Через пин Vin: 5 В
  • Через JST-разъём: 3,7–4,2 В
• Напряжение логических уровней: 3,3 В
• Контакты ввода-вывода: 22
• Контакты с АЦП: 7
• Разрядность АЦП: 8/10/12 бит (по умолчанию 10 бит)
• Контакты с ЦАП: 1
• Разрядность ЦАП: 10 бит
• Контакты с ШИМ: 12
• Разрядность ШИМ: 8/10/12 бит (по умолчанию 8 бит)
• Аппаратные интерфейсы:
  • 1× UART
  • 1× I²C
  • 1× SPI
  • 1× I²S
• Дополнительные интерфейсы: MIPI, micro-HDMI, MiniPCI-E
• Габариты: 83×25 мм

• Модуль: Intel Cyclone 10CL016
• Логических элементов: 15408
• Аппаратных умножителей: 56
• SDRAM-память: 504 КБ
• Тактовая частота: 48–200 МГц
• Внешняя Flash-память: W25Q16DV на 2 МБ
• Внешняя SDRAM-память: AS4C4M16SA на 8 МБ

• Модель: Microchip ATSAMD21G18
• Ядро: 32-битный ARM Cortex M0+
• Тактовая частота: 48 МГц
• Flash-память: 256 КБ
• RAM-память: 32 КБ

• Модель: U-blox NINA-W102
• Процессор: 2× Tensilica Xtensa LX6 (ESP32)
• Тактовая частота: до 240 МГц
• Flash-память: 2 МБ
• ROM-память: 448 КБ
• SRAM-память: 520 КБ
• Частотный диапазон связи: 2,4 ГГц
• Стандарт Wi-Fi: 802.11b/g/n
• Стандарт Bluetooth: BLE v4.2 BR/EDR
• Встроенная антенна: планарная F-образная (PIFA)

• Arduino MKR Vidor 4000 в магазине.
• Векторное изображение MKR Vidor 4000

• Подключение и настройка Arduino IDE
• Как добавить MKR Vidor 4000 в Arduino IDE

• Библиотека для беспроводного модуля NINA-W102
• Библиотеки Vidor для доступа к методом стандартной прошивки FPGA

• Документация на плату Arduino MKR Vidor 4000
• Datasheet на микроконтроллер ATSAMD21G18
• Datasheet на интегральную схему Intel Cyclone 10L016
• Datasheet на беспроводной модуль NINA-W102
• Datasheet на понижающий регулятор напряжения EZ6301QI
• Datasheet на контроллер BQ24195L заряда Li-Pol и Li-Ion аккумуляторов
• Datasheet на крипточип ATECC508A