Arduino Uno R3 là một Board mạch vi điều khiển phổ biến được rất nhiều người sử dụng để học hoặc làm các ứng dụng nhúng đơn giản. Các ưu điểm khi các bạn làm việc với Arduino là thư viện hỗ trợ đầy đủ, cộng đồng người sử dụng đông, rất nhiều ví dụ và đề tài mẫu để tham khảo. Tuy nhiên, lại có ít bài viết đề cập tới phần cứng của Board mạch Arduino cho những người mới bắt đầu. Hiểu được thiết kế phần cứng giúp các bạn có thể tự thiết kế 1 sản phẩm hoàn chỉnh từ vi điều khiển và các linh kiện rời mà không cần sử dụng nguyên board Arduino. Có thể đây sẽ là 1 bước quan trọng để các bạn hoàn thiện hơn khả năng của mình.
*Tải sơ đồ mạch nguyên lý của Board mạch Arduino Uno R3 để tham khảo tại đây. Mình có tách riêng các phần và trình bày trong bài viết cho các bạn tiện theo dõi.
Phần 1: Thiết kế nguồn
Phần nguồn của Board mạch Arduino được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Lựa chọn nguồn cung cấp cho board mạch (khối màu cam trong hình dưới). Board mạch Arduino có thể được cung cấp nguồn bởi Adapter thông qua Jack DC hoặc từ cổng USB (2 mũi tên màu đỏ). Trong trường hợp chỉ có 1 trong 2 nguồn cung cấp thì Board Arduino sẽ sử dụng nguồn cung cấp đó. Trong trường hợp có cả 2 nguồn cung cấp thì Arduino sẽ ưu tiên lựa chọn nguồn cung cấp từ Jack DC thay vì từ cổng USB. Việc ưu tiên này được thực hiện bởi OpAmp trong IC LMV358 và MOSFET FDN340P. Điện áp từ Jack DC sau khi qua Diode bảo vệ D1 thì được gọi là điện áp VIN. Điện áp VIN qua cầu phân áp để tạo thành VIN/2 để so sánh với điện áp 3.3V. Vì VIN/2 >3.3V nên điện áp đầu ra của OpAmp là 5V, điều này làm cho MOSFET không được kích, nguồn cung cấp cho Board Arduino là từ Jack DC sau khi qua ổn áp.
- Tạo ra các điện áp 5v và 3.3v (2 khối màu xanh) để cung cấp cho vi điều khiển và cũng là điểm cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài sử dụng. Mạch Arduino sử dụng IC ổn áp NCP1117 để tạo điện áp 5V từ nguồn cung cấp lớn và IC ổn áp LP2985 để tạo điện áp 3.3V. Đây đều là những IC ổn áp tuyến tính, tuy hiệu suất không cao nhưng ít gợn nhiễu và mạch đơn giản.
- Bảo vệ ngược nguồn, quá tải (vòng tròn màu đỏ). F1 là một cầu chì tự phục hồi, trong trường hợp bạn chỉ sử dụng dây cáp USB để cấp nguồn thì tổng dòng tiêu thụ không được quá 500mA. Nếu không cầu chì sẽ ngăn không cho dòng điện chạy qua. D1 là một Diode, chỉ cho dòng điện 1 chiều chạy qua (từ Jack DC vào mạch), trong trường hợp mạch Arduino của bạn có mắc với các thiết bị khác và có nguồn cung cấp lớn hơn nguồn vào Jack DC, nếu có sai sót chập mạch..vv.. thì sẽ không có trường hợp nguồn các thiết bị bên ngoài chạy ngược vào Adapter.
- Báo nguồn. Đèn nguồn ON sáng lên báo thiết bị đã được cấp nguồn. Nếu các bạn đã cắm nguồn mà đèn nguồn không sáng thì có thể nguồn cung cấp của bạn đã bị hỏng hoặc jack kết nối lỏng, hoặc mạch Arduino kết nối với các linh kiện bên ngoài bị ngắn mạch.
Phần 2: Thiết kế mạch dao động
Mạch giao động tạo ra các xung clock giúp cho vi điều khiển hoạt động, thực thi lệnh… Board mạch Arduino Uno R3 sử dụng thạch anh 16Mhz làm nguồn dao động. Thiết kế mạch dao động cần phải tham khảo Datasheet của vi điều khiển Atmega328p ở Table 8-5 và Figure 8-3 trang 27,28.
Phần 3: Thiết kế mạch reset
Để vi điều khiển thực hiện khởi động lại thì chân RESET phải ở mức logic LOW (~0V) trong 1 khoản thời gian đủ yêu cầu. Mạch reset của board Arduino UnoR3 phải đảm bảo được 02 việc:
– Reset bằng tay: Khi nhấn nút, chân RESET nối với GND, làm cho MCU RESET. Khi không nhấn nút chân Reset được kéo 5V.
– Reset tự động: Reset tự động được thực hiện ngay khi cấp nguồn cho vi điều khiển nhờ sự phối hợp giữa điện trở nối lên nguồn và tụ điện nối đất. Thời gian tụ điện nạp giúp cho chân RESET ở mức LOW trong 1 khoản thời gian đủ để vi điều khiển thực hiện reset.
– Khởi động vi điều khiển trước khi nạp chương trình mới.
Các bạn tham khảo datasheet tại các mục: 10.3 Power-on Resest, 10.4 External Reset trang 41,42.
Phần 4: Thiết kế mạch nạp và giao tiếp máy tính
– Vi điều khiển Atmega328P trên Board Arduino UnoR3 đã được nạp sẵn 1 bootloader, cho phép nhận chương trình mới thông qua chuẩn giao tiếp UART (chân 0 và 1) ở những giây đầu sau khi vi điều khiển Reset.
– Máy tính giao tiếp với Board mạch Arduino qua chuẩn giao tiếp USB (D+/D-), thông qua một vi điều khiển trung gian là ATMEGA16U2 hoặc một IC trung gian là CH340 (thường thấy trong các mạch sử dụng chip dán). Vi điều khiển hoặc IC này có nhiệm vụ chuyển đổi chuẩn giao tiếp USB thành chuẩn giao tiếp UART để nạp chương trình hoặc giao tiếp truyền nhận dữ liệu với máy tính (Serial).
– Phần thiết kế mạch nạp có tích hợp thêm 02 đèn LED,nên khi nạp chương trình các bạn sẽ thấy 2LED này nhấp nháy. Còn khi giao tiếp, nếu có dữ liệu từ máy tính gửi xuống vi điều khiển thì đèn LED Rx sẽ nháy. Còn nếu có dữ liệu từ vi điều khiển gửi lên máy tính thì đèn Tx sẽ nháy.
Trên là một số phân tích đơn giản cho những người mới bắt đầu. Nếu có thắc mắc, góp ý gì thêm các bạn có thể để lại bình luận nhé.
Chúc các bạn thành công!
TAPIT – HW