Zaloguj
Podobnie jak w przypadku większych modeli Arduino R4 Minima i Arduino Uno R3, płytka Nano R4 ma być alternatywą dla leciwego już Arduino Nano. Dobrą wiadomością jest fakt, że zachowano dokładnie ten sam kontroler R7FA4M1AB3CFM, co w większej wersji. Wróży to zachowanie zgodności z wcześniejszymi projektami, które można będzie przenieść na mniejszą (pod względem rozmiarów) platformę. Dla porównania w tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry Uno R4 Minima, Nano R4 i Nano.
Nano R4 bazuje na układzie R7FA4M1AB3CFM w obudowie LQFP-64, którego budowę wewnętrzną pokazano na rysunku 1. Konkurencyjne płytki XIAO RA4M1 są budowane w oparciu o R7FA4M1AB3CNE w obudowie QFN-48, o zmniejszonej liczbie wyprowadzeń GPIO, co wymaga dodatkowej konfiguracji Arduino i pewnych zmian w oprogramowaniu - ale w zamian otrzymujemy tanią (koszt to około 6 €) i naprawdę niedużą płytkę. Nano R4 jest dostępne w wersjach z wlutowanymi złączami goldpin oraz bez nich (są natomiast dołączone do płytki w opakowaniu), a różnica w cenie to trochę ponad 1 €. Tak jak wcześniej opracowane wersje z ESP32 czy RP2040, płytka - oprócz wlutowania złączy - umożliwia bezpośredni montaż SMT na płycie bazowej urządzenia, gdyż wyposażona jest w metalizowane złocone pady na krawędziach (tzw. castellated holes - przyp. red.).
Z racji swojej przemysłowej i motoryzacyjnej specjalizacji, firma Renesas oferuje procesor w rozszerzonym zakresie temperatur, co zawsze gwarantuje większą stabilność rozwiązania (o ile inne komponenty R4 wytrzymają -40...85°C). W porównaniu do R4 Minima, pomimo mniejszej płytki otrzymujemy większą liczbę wyprowadzonych linii GPIO, co jest zawsze mile widziane w projektach - szczególnie że przybyło wyprowadzeń analogowych, pojawił się dodatkowy port I²C oraz magistrala CAN. W porównaniu z Nano zmieniono złącze USB micro na USB-C, co jest raczej rzeczą oczywistą i przystaje do promowanych na całym świecie rozwiązań. Oprócz diody użytkownika płytka wyposażona jest w diodę LED RGB - na szczęście żadna z diod nie blokuje pinów GPIO wyprowadzonych na złącza, są one bowiem podłączone do nieużywanych wyprowadzeń sporej obudowy TQFP-64 (a i tak zostało jeszcze 14 wolnych linii).
Sporą zmianą jest wyposażenie procesora w taktowanie zewnętrznym kwarcem 16 MHz - w przeciwieństwie do Uno R4, w którym zastosowano wbudowany generator. Jeżeli rozwiązanie to zostanie dobrze zaimplementowane, zdecydowanie zwiększy ono dokładność operacji krytycznych pod względem czasu wykonywania kodu. Zegar czasu rzeczywistego ma możliwość podtrzymania przy pomocy zewnętrznej baterii 3 V. Nie przewidziano jednak na płytce ani uchwytu bateryjnego, ani pełnoprawnego złącza do podłączenia takiego źródła energii, wyprowadzenie dodatnie musi więc być przylutowane bezpośrednio do przewidzianego padu na płytce, podobnie wyprowadzenie ujemne trzeba na własną rękę dolutować do masy. To niezbyt eleganckie rozwiązanie - są przecież dostępne małe złącza JST1.0, takie jak w Raspberry Pi 5. Jeżeli chodzi o zgodność wyprowadzeń z Uno, to jest ona praktycznie zachowana, z wyjątkiem jednego wyprowadzenia BOOT, które w Uno pełni funkcję RST (reset).
W przypadku układu zasilania poprawiono zakres napięć, przy których poprawnie pracuje wbudowana przetwornica. W Nano R4 sięga on 21 V, choć sama przetwornica może pracować w jeszcze szerszym zakresie. Rozwiązano też problem oscylacji przetwornicy i zaniżonego napięcia zasilania +5 V, co zrealizowano poprzez zmianę sposobu kluczowania napięć pochodzących z zasilacza (dioda D1) i portu USB (tranzystor Q2) - patrz rysunek 2. Zmiany dotyczą też obwodu napięcia 3,3 V, który w Minima zasilany był z wbudowanego w procesor RA4M1 stabilizatora LDO, co niepotrzebnie nagrzewało strukturę i w przypadku zwarć mogło okazać się niebezpieczne dla procesora. W Nano R4 przewidziano osobny stabilizator 3,3 V (U3 typu AP2112-3.3), co ciekawe - kluczowany za pomocą wyprowadzenia P500 procesora. To znaczące zmiany na lepsze, eliminujące błędy projektowe z Minimy.
Jedyne, do czego można się przyczepić, to fakt, że projektanci Arduino w dalszym ciągu nie wykorzystują szerokiego zakresu zasilania procesorów R4M1 (1,6...5,5 V) i „na sztywno” zasilają je napięciem 5 V. Z Nano R4 znikło złącze programatora SWD - jest teraz dostępne tylko w formie padów na dolnej stronie płytki (tylko jak do niego się dostać, gdy płytka będzie wlutowana?). Z powodu kilku pinów trzeba będzie zatem „piec” płytkę na paście, zamiast szybko i wygodnie polutować metalizowane pady krawędziowe zwykłą lutownicą.
Płytka wspiera tryb USB-HID, umożliwiający emulację klawiatur i myszy, co jest dużą zaletą Nano R4. Jeżeli chodzi o projekt PCB, został nieco poprawiony. Nano R4 wykonano w oparciu o 4-warstwową płytkę drukowaną, z wydzielonymi płaszczyznami masy i zasilania. W dalszym ciągu całe zasilanie USB (VBUS) idzie poprzez jedną, „biedną” przelotkę o średnicy 8 milsów, co jest dosyć ryzykowne (rysunek 3).
Podobnie rachityczne są połączenia głównego obwodu kluczowania przetwornicy 5 V. Dosyć dziwacznie wykorzystano według mnie także warstwę zasilania, gdzie zamiast użycia wylewek masy (GND) o małej impedancji i dobrym, rozproszonym filtrowaniu zdecydowano się na zastosowanie wąskich i długich ścieżek, zajmując większą część warstwy wylewką GND, co pokazano na rysunku 4.
Widoczne są też mikroprzerwy w wylewce masy w okolicach przelotek. Ostatnim smaczkiem jest magistrala USB, gdzie pady testowe tworzą ładne „antenki” na sygnałach DP+ i DP-, a wystarczyło je przenieść w inne miejsce (rysunek 5).
W Minimie było serduszko - tutaj są czułki, tylko dlaczego na całkiem szybkiej magistrali? Parafrazując powiedzenie „nie próbuj tego w domu” możemy zatem powiedzieć „nie naśladujcie projektu tych płytek”. Zaleta wersji Nano R4 to natomiast znacznie skrócone połączenia wbudowanego, 14-bitowego przetwornika A/D - chociaż bliskość dławika przetwornicy i ferrytów filtrujących zasilanie części analogowej nie napawa optymizmem i zapewne trudno byłoby wykorzystać pełną, 14-bitową rozdzielczość konwertera. Płytka pozbawiona jest jakichkolwiek opisów na warstwie TOP, co nieco utrudnia jej sprawne łączenie na płytkach stykowych.
Nano R4 wyposażono w dwa interfejsy komunikacyjne UART: pierwszy - wirtualny, realizowany przez USB, drugi - sprzętowy, dostępny na wyprowadzeniach RX/TX. Magistrala I²C, doprowadzona do złączy SIP, jest zgodna z poziomami logicznymi 5 V. Należy zwrócić uwagę, że płytka nie zawiera rezystorów podciągających sygnały SDA i SCL, wyprowadzone na złącza Analog A4/5. Drugi interfejs I²C - przez konwerter poziomów 5 V/3,3 V - wyprowadzono wraz z zasilaniem 3,3 V na złącze QWIIC. To szczególnie istotne, gdyż proponowane przez zespół Arduino moduły rozszerzeń MODULINO, są właśnie w takie złącze wyposażone.
Moduł obsługuje ponadto interfejs CAN, dostępny na wyprowadzeniach D5 (CANRX), D4 (CANTX) i wymagający tylko dodania zewnętrznego drivera magistrali (np. SN65HVD230) oraz zastosowania biblioteki Arduino_CAN.h. Interfejsy szeregowe uzupełnia szyna SPI, dostępna na złączach krawędziowych (jak w Nano). Niestety w dalszym ciągu niestabilne - tak jak w przypadku Uno R4 Minima - jest ładowanie aplikacji. Pomimo widoczności w Menedżerze Urządzeń, co pewien czas zaprogramowanie płytki z poziomu środowiska Arduino (ver. 2.3.6) jest niemożliwe. Tymczasowo problem rozwiązuje uruchomienie loadera DFU i restart środowiska, a czasem całego systemu operacyjnego.
Na zakończenie z ciekawości porównałem wydajność płytek rodziny Nano oraz mniejszych rozmiarowo Xiao, przy pomocy szkicu testowego obliczającego liczbę Pi przy użyciu biblioteki MonteCarloPi by cygig v0.8.3. Przykłady dla każdego procesora zostały skompilowane w trybie używającym tylko jednego rdzenia (w przypadku procesorów wyposażonych w kilka rdzeni). Otrzymane wyniki zebrano w tabeli 2.
Tak jak było do przewidzenia, R4 Nano ma wydajność obliczeniową znacznie większą niż płytki Nano z procesorami 328. Niestety jest ona znacznie niższa od osiągów RP2040 z Raspberry Pico, które jest najszybszym rdzeniem obliczeniowym, wyprzedzającym nawet procesory z rodziny ESP.
Podsumowanie
Płytka Nano R4 nie jest idealna, ale jej projekt niweluje kilka irytujących błędów z większej wersji Uno R4, zachowując zgodność z klasycznym Nano. Zapewne więc znajdzie swoją grupę odbiorców. Nie licząc ponownie występującej tu niedogodności (a może - wpadki?) z podtrzymaniem bateryjnym RTC, płytka po kilku dniach testów wydaje się być godna polecenia. Jeżeli ktoś jeszcze nie używał procesora R4, wydajność Nano już mu nie wystarcza, a dodatkowo nie jest ograniczony wymogiem zachowania zgodności z formatem Uno - wersja Arduino Nano R4 okaże się dlań sensowniejszym wyborem od Minima (nie wspominając o kuriozalnym modelu z Wi-Fi). I to nie tylko ze względu na nieco lepsze wyposażenie i sensowniejszy projekt, ale też znacznie niższą cenę (13,4 €/22 €). Jeżeli jednak zależy nam na znacznie większej wydajności, należy kierować się w stronę nowocześniejszych, wielordzeniowych procesorów ESP lub RP2040 - tym bardziej, że dostępne zestawy są nawet o połowę tańsze.
Adam Tatuś, EP
