Arduino UNO R4 Wifi 官方文档

Arduino UNO R4 WiFi 开发板

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Arduino UNO是我们最受欢迎且在全球范围内得到认可的开发板,自发布以来,它已成为制造者社区和教育界的重要组成部分。Arduino UNO R4 WiFi开发板是UNO开发板第四版的一部分,也是第一个搭载32位微控制器(MCU)的版本(来自瑞萨电子的RA4M1系列)。

本文档作为UNO R4 WiFi的技术概览,您将找到一系列资源和指南链接,帮助您开始下一个项目。

ESP32模块和瑞萨RA4M1芯片是一个复杂的USB-串行系统的一部分,它非常灵活和适应性强,以支持HID特性,同时保留编程主MCU和ESP32的能力,如果您愿意的话(尽管这是一个高级选项,需要一些技术手段)。

默认情况下,板载的ESP32模块运行的固件负责UNO R4 WiFi的连接性。您可能需要更新此固件以启用新功能,或解决漏洞和其他问题。更新这个固件有几种方法,您可以在我们的帮助中心文章中找到它们的详细信息。

您还可以访问Arduino UNO R4 WiFi的文档平台。

数据手册

完整的数据手册可以从下面的链接下载PDF文件:

下载UNO R4 WiFi数据手册

电源供应

开发板可以通过VIN引脚供电,支持6-24V的范围。VIN引脚也连接到直流插孔(圆柱插头连接器)。

通过VIN引脚供电时,您正在使用板载调节器将电压降至5V,这意味着5V引脚可以提供高达1.2A的电流。请记住,这个电压调节器也为电路板上的其余部分供电,包括MCU、LED等组件。

外部设备(例如伺服电机)如果电流需求较大,绝不应通过5V引脚供电。它主要用于电流需求较低的设备,如传感器模块。

如果您使用USB-C®连接器,必须用5V供电。

通过USB供电时,您完全绕过了板载电压调节器。在这种情况下,5V引脚可以提供高达2A的电流,而不会损坏开发板。

核心

UNO R4 WiFi基于Arduino UNO R4 Core。

安装

UNO R4 WiFi可以通过Arduino IDE、Arduino Web Editor或Arduino CLI编程。

Arduino IDE

要在Arduino IDE中使用这块开发板,您需要从板管理器安装最新版本的Arduino UNO R4 Boards包。

开始使用UNO R4 WiFi指南中了解更多信息。

Arduino Web Editor

Web Editor是一个在线IDE,包括所有官方板,无需安装核心/包。您需要在计算机上安装Create插件才能使用Web Editor。

开始使用Web Editor指南中了解更多信息。

Arduino IoT Cloud

Arduino UNO R4 WiFi与Arduino IoT Cloud兼容,这是一个云服务,允许您在短时间内创建IoT应用程序。

访问开始使用Arduino IoT Cloud指南获取更多信息。

瑞萨RA4M1

UNO R4 WiFi采用了强大且非常稳健的瑞萨微控制器,该控制器也用于UNO R4 Minima上。瑞萨的微控制器以其高性能和稳健性而闻名,包括其内置的外设集。

这些外设包括模数转换器、定时器、脉冲宽度调制(PWM)单元、通信接口(例如UART、SPI和I2C)等。

微控制器在UNO R4 WiFi上

内存

开发板特点:

  • 32 kB的SRAM
  • 256 kB闪存
  • 8 kB数据(EEPROM)。

引脚

UNO R4 WiFi为您提供了许多不同的引脚,其中许多引脚具有特殊功能,这将在本文的后续部分中解释。继续阅读以了解您可以用它们做什么。

如果您只需要快速了解引脚的功能,这是UNO R4 WiFi上所有IO引脚的完整表格。

引脚 类型 功能
D0 数字 UART接收
D1 数字 UART发送
D2 数字 GPIO引脚,中断
D3 数字 GPIO引脚,中断,PWM
D4 数字 GPIO引脚
D5 数字 GPIO引脚,PWM
D6 数字 GPIO引脚,PWM
D7 数字 GPIO引脚
D8 数字 GPIO引脚
D9 数字 GPIO引脚,PWM
D10 数字 SPI(CS),GPIO引脚,PWM
D11 数字 SPI(COPI),GPIO引脚,PWM
D12 数字 SPI(CIPO),GPIO引脚
D13 数字 SPI(SCK),GPIO引脚,内置LED
A0 数字 模拟输入,DAC
A1 模拟输入 模拟输入,运算放大器+
A2 模拟输入 模拟输入,运算放大器-
A3 模拟输入 模拟输入,运算放大器输出
A4 模拟输入 模拟输入,SDA*
A5 模拟输入 模拟输入,SCL*

*A4和A5引脚都连接到同一个I2C总线。

模拟引脚

UNO R4 WiFi有六个模拟输入引脚(A0-A5),可以使用analogRead()函数读取。

引脚 类型 功能
A0 模拟 模拟输入,DAC
A1 模拟 模拟输入,运算放大器+
A2 模拟 模拟输入,运算放大器-
A3 模拟 模拟输入,运算放大器输出
A4 模拟 模拟输入,SDA*
A5 模拟 模拟输入,SCL*

*A4和A5引脚都连接到同一个I2C总线。

value = analogRead(pin);

这些引脚的默认参考电压是5V,但可以如下更改:

analogReference(AR_DEFAULT) // 默认参考5V
analogReference(AR_INTERNAL) // 内置参考1.5V

默认分辨率设为10位,但可以更新为12位和14位分辨率。要这样做,请在您的草图的setup()中使用以下方法。

analogReadResolution(10) // 默认
analogReadResolution(12)
analogReadResolution(14)

要了解更多关于UNO R4 WiFi的ADC能力,请查看ADC分辨率指南。

运算放大器引脚

RA4M1有一个内部运算放大器,在UNO R4 WiFi上如下公开:

引脚 运算放大器
A1 运算放大器+
A2 运算放大器-
A3 运算放大器输出

数字引脚

UNO R4 WiFi共有14个数字引脚。尽管有些引脚有其他用途,如果有其他引脚可用,不应用于GPIO。
导出ExcelJsonSQL

引脚 功能 注释
0 RX 串行通信
1 TX 串行通信
2 GPIO 数字IO引脚
3 PWM 数字IO引脚,PWM
4 GPIO 数字IO引脚
5 PWM 数字IO引脚,PWM
6 PWM 数字IO引脚,PWM
7 GPIO 数字IO引脚
8 GPIO 数字IO引脚
9 PWM 数字IO引脚,PWM
10 PWM 数字IO引脚,PWM
11 PWM 数字IO引脚,PWM
12 GPIO 数字IO引脚
13 GPIO 数字IO引脚

所有数字引脚的参考电压是5V。

PWM

PWM(脉冲宽度调制)功能允许数字引脚通过非常快速地开关来模拟模拟输出,从而让您做一些事情,比如调光连接到数字引脚的LED。
UNO R4 WiFi支持在标有~的引脚上使用PWM。官方支持的引脚有:

引脚 RA4M1 计时器
D3 P105 GTIOC1A
D5 P107 GTIOC0A
D6 P111 GTIOC3A
D9 P303 GTIOC7B
D10 P103 GTIOC2A
D11 P411 GTIOC6A

您可以使用以下函数将它们作为模拟输出引脚:

analogWrite(pin, value);

默认情况下,分辨率是8位(0-255),您可以使用analogWriteResolution()来改变这一点,支持高达12位(0-4096)分辨率。

analogWriteResolution(resolution);

请注意,以下引脚能够进行PWM,但可能会干扰UNO R4 WiFi板的其他功能。编写库函数时,请不要使用这些,因为它们不是官方支持的PWM引脚。

引脚 RA4M1 计时器
D0 P301 GTIOC4B
D1 P302 GTIOC4A
D2 P104 GTIOC1B
D4 P106 GTIOC0B
D7 P112 GTIOC3B
D8 P304 GTIOC7A
D12 P410 GTIOC6B
D13 P102 GTIOC2B
D18 / SDA P101 GTIOC5A
D19 / SCL P100 GTIOC5B

LED Matrix

UNO R4 WiFi 上的 LED 矩阵可以在您的程序中使用,用于显示静态图像、动画,甚至可以在其上玩游戏。Renesas 核心包括 Arduino_LED_Matrix 库,用于在矩阵上显示帧。

要深入了解 LED 矩阵,请查看 LED 矩阵指南。

Arduino_LED_Matrix matrix - 初始化 LED 矩阵。
Arduino_LED_Matrix.load() - 将帧加载到帧缓冲区中。以下是一个基本示例:

// 创建两个帧的数组
const uint32_t frames[][4] = {
  {
    0x0,
    0x0,
    0xc00c0000,
    150
  },
  {
    0x0,
    0x1e01,
    0x201201e0,
    150
  }
}

// 将帧加载到矩阵缓冲区中
matrix.load(frames);

DAC

UNO R4 WiFi 还包含一个最高 12 位分辨率的 DAC,它可以作为真正的模拟输出引脚,这意味着它的功能比 PWM 引脚更强大。

analogWrite(pin, value);


DAC 引脚
此 DAC 引脚默认的写入分辨率为 8 位。这意味着写入到引脚的值应该在 0-255 之间。
但是,如果需要,您可以将此写入分辨率更改为最高 12 位,在这种情况下,您写入到引脚的值应该在 0-4096 之间。

analogWriteResolution(12);

要了解更多关于 UNO R4 WiFi 的 DAC 功能,请查看 DAC 指南。

RTC

实时时钟(RTC)用于测量时间,在任何跟踪时间的应用中都非常有用。
UNO R4 WiFi 具有一个 VRTC 引脚,即使在电源被切断时也用于保持板载 RTC 的运行。为了使用它,请将 1.6 - 3.6 V 的电压应用于 VRTC 引脚。
以下是一个最小示例,展示了如何从 RTC 获取日期和时间:

#include "RTC.h"

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  RTC.begin();
  RTCTime mytime(30, Month::JUNE, 2023, 13, 37, 00, DayOfWeek::WEDNESDAY, SaveLight::SAVING_TIME_ACTIVE);

  RTC.setTime(mytime);
}

void loop() {
  RTCTime currenttime;

 // 从 RTC 获取当前时间
  RTC.getTime(currenttime);
  
  // 打印日期(日/月/年)
  Serial.print(currenttime.getDayOfMonth());
  Serial.print("/");
  Serial.print(Month2int(currenttime.getMonth()));
  Serial.print("/");
  Serial.print(currenttime.getYear());
  Serial.print(" - ");

  // 打印时间(时/分/秒)
  Serial.print(currenttime.getHour());
  Serial.print(":");
  Serial.print(currenttime.getMinutes());
  Serial.print(":");
  Serial.println(currenttime.getSeconds());

  delay(1000);
}

要了解更多关于 UNO R4 WiFi 的 RTC 功能,请查看 RTC 指南。

EEPROM

EEPROM,也称为 'data' 内存,是一种在板子断电后仍能保留数据的内存类型。

EEPROM.write(address, val);
EEPROM.read(address);

它的写入周期有限,这意味着它最适合用于只读应用。确保永远不要在 void loop() 内使用 write(),因为您可能会用完芯片的所有写入周期。
在 EEPROM 指南中阅读更多内容。
要了解更多关于 UNO R4 WiFi 的 EEPROM 功能,请查看 EEPROM 指南。

SPI


UNO R4 WiFi 特色的是一个串行外围接口(SPI)总线。总线(连接器)'SPI' 使用以下引脚:
(COPI) - D11
(CIPO) - D12
(SCK) - D13
(CS) - D10
以下示例展示了如何使用 SPI:

#include <SPI.h>

const int CS = 10;

void setup() {
  pinMode(CS, OUTPUT);

  SPI.begin();

  digitalWrite(CS, LOW);

  SPI.transfer(0x00);
  
  digitalWrite(CS, HIGH);
}

void loop() {
}

I2C

I2C 允许您使用两个引脚串联连接多个 I2C 兼容设备。控制器将通过 I2C 总线向 7 位地址发送信息,这意味着单条线上 I2C 设备的技术限制是 128 个。实际上,您在遇到其他限制之前,永远不会达到 128 个设备。
UNO R4 WiFi 有一个 I2C 总线,它标有 SCL 和 SDA。它们与 A4(SDA)和 A5(SCL)共用,这是之前 UNO 的拥有者所熟悉的。PCB 上没有安装上拉电阻,但如果需要,有安装它们的足迹。
UNO R4 WiFi 上用于 I2C 的引脚如下:

  • SDA - D14
  • SCL - D15


I2C 引脚
要连接 I2C 设备,您需要在草图的顶部包含 Wire 库。

#include <Wire.h>

在 void setup() 内部,您需要初始化库,并初始化您想要使用的 I2C 端口。

Wire.begin(); //SDA & SDL
Wire1.begin(); //SDA1 & SDL1
Wire2.begin(); //SDA2 & SDL2

要向通过 I2C 连接的设备写入内容,我们可以使用以下命令:

Wire.beginTransmission(1); // 开始传输到设备 1
Wire.write(byte(0x00)); // 发送指令字节
Wire.write(val); // 发送一个值
Wire.endTransmission(); // 停止传输

QWIIC连接器


UNO WiFi R4 上的 Qwiic 连接器
UNO R4 WiFi 上的 Qwiic 连接器连接到第二个 I2C 总线(IIC0),它使用 Wire1 对象而不是 Wire 对象。请注意,Qwiic 连接器仅为 3.3 V。
UNO R4 WiFi 特色的是一个 Qwiic/STEMMA 连接器,您可以使用它来连接模块,通常允许您通过单个连接器串联连接多个模块并控制它们。
Qwiic 或 STEMMA 都是 SparkFun 和 Adafruit 分别开发的连接器类型的名称,它们将开发板和分线板模块的 I2C 引脚捆绑在一起。这意味着,如果您有一个开发板(例如 Arduino UNO R4 WiFi)和一个分线板模块,并且两者都有 Qwiic 或 STEMMA 连接器,您可以将它们连接在一起,几乎不需要任何接线,您就可以快速创建多功能项目。
如果您的分线板上有不止一个这样的连接器,许多都有,您可以使用第二个来串联另一个 Qwiic 模块,为您的项目添加另一个交互节点。
UNO R4 WiFi 有两个 I2C 总线,Qwiic 连接器连接到第二个。这意味着,如果您正在使用 Wire 库,您将需要使用 Wire1 对象而不是 Wire 对象,如下面的示例所示:

#include <Wire.h>

void setup(){
  Wire1.begin();
  Wire1.beginTransmission(1);   // 开始传输到设备 1
  Wire1.write(byte(0x00));      // 发送指令字节
  Wire1.write(val);             // 发送一个值
  Wire1.endTransmission();      // 停止传输
}

USB串行 & UART

UNO R4 WiFi开发板具备2个独立的硬件串行端口。

  • 一个端口通过USB-C®暴露,
  • 另一个端口通过RX/TX引脚暴露。
    这是UNO R3和UNO R4之间少数不同之处之一,因为UNO R3只有一个硬件串行端口,它同时连接到USB端口和板上的RX/TX引脚。

UNO R4 WiFi上用于UART的引脚如下:

引脚 功能
D0 RX(接收)
D1 TX(发送)

原生USB

使用标准Serial对象将串行数据发送到计算机。

Serial.begin(9600);
Serial.print("hello world");

要通过UART发送和接收数据,我们首先需要在void setup()内设置波特率。

UART

UNO R4 WiFi上用于UART的引脚如下:
导出ExcelJsonSQL

引脚 功能
D0 RX0
D1 TX0

要通过UART发送和接收数据,我们首先需要在void setup()内设置波特率。注意当使用UART(RX/TX引脚)时,我们使用Serial1对象。

Serial1.begin(9600);
复制

要读取传入的数据,我们可以使用一个while循环()来读取每个字符并将其添加到字符串中。

while(Serial1.available()){
    delay(2);
    char c = Serial1.read();
    incoming += c;
}
复制

要写入内容,我们可以使用以下命令:

Serial1.write("Hello world!");
复制

Serial Event

serialEvent()方法在UNO板的旧版本上受支持,但在UNO R4板(或任何其他更新的Arduino板)上不受支持。
然而,由于此方法仅用于检测串行数据并执行函数,您也可以使用Serial.available()来检测新数据何时可用:

if(Serial.available() > 0) {
  //code goes here
}
复制

计时器

在Ardunio API中有一个FspTimer类,它提供了在草图中使用计时器的所有必要功能。
UNO R4 WiFi有两个计时器外设,一个异步通用计时器(AGT)和一个通用PWM计时器(GPT)。板上有两个AGT计时器,其中一个用于例如millis()和microseconds()等时间测量方法。
板上有7个GPT计时器帮助执行PWM任务,例如通过测量信号活动的时间来计算占空比。可以通过使用前面提到的FspTimer库来使用这些保留的PWM计时器。使用此功能将明确请求一个PWM计时器:

FspTimer::force_use_of_pwm_reserved_timer();
复制

使用库的计时器功能时,您需要输入计时器类型。可以是AGT或GPT。可以在草图中这样声明:

uint8_t gpt_timer_type = GPT_TIMER;
uint8_t agt_timer_type = AGT_TIMER;
复制

SerialUSB

UNO R4 WiFi具有一组扩展的Serial方法,可在您的草图中包含<HID.h>库时启用。

  • Serial.baud() - 返回当前使用的波特率(int)。
  • Serial.stopbits() - 返回通信中使用的停止位数(int)。
  • Serial.paritytype() - 返回通信中使用的奇偶校验类型(int)。
  • Serial.numbits() - 返回通信中使用的数据位数(int)。
  • Serial.dtr() - 返回数据终端就绪(DTR)信号的状态(bool),并且如果DTR信号被积极使用,则还将ignore_dtr标志设置为true。
  • Serial.rts() - 返回请求发送(RTS)信号的状态(bool)。

<HID.h>库将Serial对象重映射为SerialUSB,从而启用这些附加功能。
支持链接:

  • SerialUSB.h (Github)。

USB HID

请注意,由于USB端口在UNO R4 WiFi上的实现方式,当使用HID时,开发板可能会显示为不同的USB端口。如果发生这种情况,只需双击重置按钮,然后再次选择您的开发板。
该开发板可以充当HID(键盘/鼠标)并通过原生USB向计算机发送按键或坐标。

keyboard.press('W');
mouse.move(x,y);
复制

通过在IDE中的库管理器安装键盘和鼠标库,可以启用此支持。
要了解更多有关UNO R4 WiFi的HID功能,请查看HID指南。

Serial Remap

当在草图中包含<HID.h>库时,串行对象从Serial切换为SerialUSB以支持HID功能。这启用了更多方法,这里列出了。
支持链接:

  • HID.h (Github)

CAN模块

UNO R4 WiFi的RA4M1内置了符合CAN 2.0A/CAN 2.0B标准的CAN模块。
引脚CANRX和CANTX可以连接到CAN收发器,例如MCP2551或TJA1050 IC。
导出ExcelJsonSQL

引脚 功能
D10 CANRX
D13 CANTX

内置的Arduino_CAN库用于与其他CAN设备通信。

//设置CAN位速率并在
//选择BR_125k,BR_250k,BR_500k,BR_1000k
CAN.begin(CanBitRate::BR_250k);

构造一个CAN消息并发送它:

uint8_t const msg_data[] = {0xCA,0xFE,0,0,0,0,0,0};
memcpy((void *)(msg_data + 4), &msg_cnt, sizeof(msg_cnt));
CanMsg msg(CAN_ID, sizeof(msg_data), msg_data);
CAN.write(msg);

读取传入的CAN消息。

CanMsg const msg = CAN.read(); //read

请注意,如果没有CAN收发器,就无法与其他CAN设备通信。
要了解更多关于UNO R4 WiFi的CAN功能,请查看CAN指南。

ESP32-S3-MINI-1-N8

默认情况下,UNO R4 WiFi上的ESP32-S3模块充当串行桥,处理与计算机的连接。它还处理主MCU,即Renesas RA4M1的重启,例如在接收新草图和重置时。
在UNO R3上,ATMEGA16U2承担相同的功能。板载ESP32模块是一个更先进的SoC,为开发板添加了Wi-Fi®和Bluetooth®连接功能。
ESP32还暴露了ESP32的数据线,以便您可以直接对ESP32进行编程。这些数据线通过板顶部的3x2排针暴露,或者通过板底部的焊盘暴露。

请注意,ESP32安装有默认固件,设置为与RA4M1芯片通信。任何对ESP32的直接编程都将覆盖该固件,直到恢复默认固件之前,芯片之间的通信可能会中断。


UNO R4 & UNO R3

USB桥

默认情况下,ESP32充当计算机和RA4M1 MCU之间的串行桥。USB数据线通过开关路由,这些开关默认设置为通过ESP32模块进行通信。

串行通信开关
如果您愿意,可以更改此设置并直接访问RA4M1 MCU上的串行总线,无论是使用软件还是硬件。请参阅下面的说明:
1. 软件 - 通过将D21拉高至HIGH,您将关闭控制哪个MCU连接到USB的电路。当D21为HIGH时,RA4M1连接到USB串行端口,当D21为LOW时,ESP32连接,如默认配置。您可以通过在void setup()中包含以下代码来实现这一点

pinMode(21, OUTPUT);
digitalWrite(21, HIGH);

2. 在UNO R4 WiFi的背面,您会找到标有"RA4M1 USB"的焊盘。如果您在这些焊盘之间创建短路,例如用焊锡在它们之间创建桥接,RA4M1将连接到USB串行端口,而不是ESP32。

RA4M1 USB焊盘

Wi-Fi®

UNO R4 WiFi上的ESP32用于赋予开发板Wi-Fi®功能。Wi-Fi®模块的比特率高达150 Mbps。ESP32模块内置了迹线天线,这意味着您不需要外部天线就可以使用开发板的连接功能。然而,这种迹线天线与Bluetooth®模块共享,这意味着您不能同时使用Bluetooth®和Wi-Fi®。
要使用UNO R4 WiFi的Wi-Fi®功能,请使用内置于UNO R4 Core的WiFiS3库。
要了解更多关于UNO R4 WiFi的Wi-Fi®功能,请尝试Network Examples。

Bluetooth®

多亏了ESP32模块,UNO R4 WiFi具有Bluetooth® LE和Bluetooth® 5功能,速度高达2 Mbps。ESP32模块内置了迹线天线,这意味着您不需要外部天线就可以使用开发板的连接功能。然而,这种迹线天线与Bluetooth®模块共享,这意味着您不能同时使用Bluetooth®和Wi-Fi®。
下面是一个扫描蓝牙设备的示例草图:

#include <ArduinoBLE.h>

void setup() {
  // ...省略其余代码...
}

void loop() {
  // ...省略其余代码...
}

void explorerPeripheral(BLEDevice peripheral) {
  // ...省略其余代码...
}

void exploreService(BLEService service) {
  // ...省略其余代码...
}

void exploreCharacteristic(BLECharacteristic characteristic) {
  // ...省略其余代码...
}

void exploreDescriptor(BLEDescriptor descriptor) {
  // ...省略其余代码...
}

void printData(const unsigned char data[], int length) {
  // ...省略其余代码...
}

如果您想了解更多关于Bluetooth LE的信息,请查看我们的文章。

编程ESP32(高级)

ESP32模块和Renesas RA4M1芯片是一个复杂的USB-串行系统的一部分,这个系统具有很高的灵活性和适应性,能够在保持编程主MCU和ESP32的能力的同时允许HID功能。默认情况下,ESP32主要用作使用Wi-Fi®和Bluetooth®的无线模块。
覆盖ESP32的固件会中断两个MCU之间的通信,但使它们能够独立行动。如果您希望将开发板恢复到初始状态,您可以按照我们帮助中心文章中的espflash步骤操作。

注意:要重新编程ESP32模块,您需要在重置开发板时将ESP_Download引脚短接至GND。这将使ESP32模块进入引导加载程序状态,在该状态下您可以与之建立连接并重新编程模块。

要重新编程ESP32开发板,您可以在ESP32模块旁边找到UART焊盘,其布局如下图所示:

暴露的ESP32数据焊盘
或者您可以直接使用ESP32排针上暴露的引脚,如下所示:

ESP32数据引脚排针

阅读剩余
THE END