Arduino MKR Vidor 4000

Arduino MKR Vidor 4000 — это первая плата семейства Arduino на базе программируемой логической интегральной схемы (она же ПЛИС, она же FPGA).

Обычные процессоры весьма универсальны, но у них фиксированная архитектура, и для выполнения разных задач мы лишь меняем исполняемый программный код. В определённый момент всё упирается в возможности процессора, и нам уже не удастся заставить программу работать быстрее. В случае с ПЛИС (FPGA) у нас появляется возможность перестраивать архитектуру микросхемы на аппаратном уровне, словно конструктор, чтобы как можно лучше заточить её под определённый алгоритм — примерно как это делается в специализированных GPU и DSP-процессорах. Таким образом, в некоторых задачах ПЛИС в разы обгоняют типовые решения: например, при выполнении цифровой обработки сигнала или эмуляции работы другого устройства.

Arduino MKR Vidor 4000 открывает вашим проектам новые возможности: передавайте изображение с MIPI-камер на сенсоре OV5647 на HDMI-дисплей, накладывайте на него свою графику, прикручивайте распознавание QR-кодов или превратите сборку в инкрементальный энкодер — цифровой датчик угла поворота для оценки скорости вращения. Эти задачи нетривиальны для базовой Arduino MKR, но легко решаются на Vidor 4000 с помощью FPGA и готовых библиотек Arduino IDE.

При этом плата сохранила микроконтроллер ATSAMD21G18 и беспроводной модуль NINA-W102, что делает её подходящим выбором для создания проектов IoT и умного дома, где нужно опрашивать различные датчики и выводить изображение с камер видеонаблюдения.

Начинка

На борту Arduino MKR Vidor 4000 содержатся следующие блоки:

• 32-битный микроконтроллер Microchip ATSAMD21G18 с тактовой частотой 48 МГц и вычислительным ядром Cortex-M0+, 256 КБ флеш-памяти и 32 КБ оперативной памяти.
• ПЛИС (FPGA) Intel Cyclone 10CL016 с 15408 логическими элементами, 504 КБ ОЗУ и 56 аппаратными умножителями 18×18 бит. Внутренняя частота до 200 МГц позволяет реализовать высокоточный ШИМ-генератор, квадратурный энкодер, захватывать сигнал с MIPI-камеры, транслировать видео через HDMI и т. п.
• Модуль беспроводной связи U-blox NINA-W10 со встроенным чипом ESP32 для обмена данными по воздуху в диапазоне 2,4 ГГц по Wi-Fi и Bluetooth.

Порты и интерфейсы

С двух сторон платы распаяны колодки по 2×14 выводов, из них 22 пина ввода-вывода общего назначения:

• 7 могут быть аналоговыми входами с разрешением до 12 бит;
• 12 — выдавать ШИМ-сигнал с разрешением до 12 бит;
• 1 — выдавать аналоговый сигнал (ЦАП) с разрешением 10 бит;
• 12 поддерживают прерывания.

Обратите внимание, что к Vidor 4000 подходят только модули с логическим напряжением 3,3 В. Периферия с логическим напряжением 5 В может повредить устройство!

Используйте внутренний ЦАП для аналогового аудиовыхода или отдайте обработку звука внешнему преобразователю через интерфейс I²S.

Управляйте вашим устройством через интернет или запускайте небольшой веб-сервер c помощью библиотеки WiFiNINA. Arduino MKR Vidor 4000 поддерживает шифрование SSL — теперь вам доступны HTTPS-соединения.

На плате доступны аппаратные интерфейсы SPI, I²C, UART/Serial и I²S.

Благодаря ПЛИС у платформы Vidor 4000 появились дополнительные аппаратные интерфейсы, которые не встречаются на других моделях Arduino.

• Разъём MIPI позволяет подключать модули камер на сенсоре OmniVision OV5647.
• Порт micro-HDMI предназначен для подключения внешних дисплеев.
• Разъём MiniPCI-Express на торце позволяет превратить Vidor 4000 в плату расширения для внешнего устройства.

Программирование

Для программирования контроллера используется среда Arduino IDE, визуальная среда программирования XOD IDE или произвольный инструментарий C/C++. Для прошивки понадобится кабель Micro-USB.

Что касается ПЛИС, то штатными средствами Arduino IDE можно работать с готовыми библиотеками. Например, библиотека VidorPeripherals предназначена для реализации ввода-вывода данных UART, SPI, I²C, квадратурного энкодера, ШИМ-генератора или управления светодиодами NeoPixel. Библиотека VidorGraphics отвечает за графические функции, которые накладываются на HDMI-выход устройства. При использовании таких библиотек не понадобится специфических знаний — программирование ПЛИС происходит автоматически, и её функции вызываются напрямую из скетча.

Кроме того, для самых продвинутых пользователей Vidor 4000 поддерживает среду разработки Intel Quartus. Она позволяет самостоятельно заняться программированием FPGA и создать произвольный аппаратный узел. Например, аппаратных блоков Intel Cyclone достаточно, чтобы воссоздать на ПЛИС целое ядро ARM Cortex-M1. Таким образом, вы сможете превратить Vidor 4000 в кастомизированную двухпроцессорную систему.

Питание

Для питания платформы используйте порт Micro-USB, контакт Vin или разъём для аккумуляторной батареи. Источник определится автоматически.

• При питании через USB используйте зарядник 5 В совместно с кабелем USB (A — Micro USB).
• В случае питания через пин Vin рекомендуемое входное напряжение от 5 до 6 В. В качестве источника возьмите импульсный блок питания.
• При питании через разъём батареи понадобится литий-ионный аккумулятор с напряжением 3,7 вольта и провод с разъёмом JST PH-2.

Все цепи питания проходят через линейный регулятор напряжения и приводятся к 3,3 В.

Комплектация

• Плата Arduino MKR Vidor 4000

Характеристики

• Чипы: ATSAMD21G18, Cyclone 10CL016 и NINA-W102
• Пинов ввода-вывода: 22
• Напряжение логических уровней: 3,3 В
• Максимальный ток с пина или на пин: 7 мА
• Максимальный выходной ток пина 3V3: 1,5 A
• Входное напряжение через пин Vin: 5–6 В
• Входное напряжение через разъём для аккумулятора: 3,7 В
• Разъёмы:
  • MIPI
  • micro-HDMI
  • MiniPCI-e
• Габариты: 83×25 мм

FPGA 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

Микроконтроллер Microchip ATSAMD21G18

• Ядро: 32-битный ARM Cortex M0+
• Тактовая частота: 48 МГц
• Flash-память: 256 КБ
• SRAM-память: 32 КБ
• 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)
• Пины с прерываниями: 12
• Аппаратные интерфейсы:
  • 1× UART
  • 1× I²C
  • 1× SPI

Беспроводной модуль U-blox NINA-W102

• Тактовая частота: до 240 МГц
• Частота беспроводной передачи: 2,4 ГГц
• Стандарт Wi-Fi: 802.11b/g/n
• Стандарт Bluetooth: BLE v4.2 BR/EDR
• Flash-память: 2 МБ
• ROM-память: 448 КБ
• SRAM-память: 520 КБ