Nano RP2040連接板的應用程序

Arduino Nano RP2040 Connect豐富了本已龐大的 Arduino 板家族，它將 Raspberry Pi Foundation 開發(fā)的 RP2040 微控制器與 u-blox NINA-W102 Wi-Fi 和藍牙無線電模塊以及一個豐富的高級傳感器集甚至能夠支持人工智能算法。事實上，該板包括一個支持語音激活功能的數(shù)字麥克風、一個六軸慣性運動傳感器 (IMU)、一個小型 RGB LED 以及能夠滿足最苛刻要求的閃存 (16 MB) 的廣泛可用性應用程序。

新板繼承了 Raspberry Pi RP2040 對 MicroPython 和 C/C++ 語言的編程支持，兩者均基于為 Raspberry Pi Pico 板開發(fā)的 SDK。與 Arduino 系列中的所有其他開發(fā)板一樣，最新添加的開發(fā)板支持本地編程環(huán)境，例如著名的 Arduino IDE（現(xiàn)為 2.0 版）、Arduino CLI、IoT Cloud 和 Web Editor。后者允許直接從網絡瀏覽器編程和控制 Nano RP2040 Connect 的操作。因此，可以通過免費的 Arduino IoT Remote 智能手機應用程序通過即時遠程控制通過無線方式上傳草圖。

選擇 RP2040 微控制器是因為它代表了 Raspberry 和 Arduino 世界之間的“特質聯(lián)合”，是所有那些不需要“完整”Raspberry Pi 的復雜性和性能的應用的理想解決方案，同時受益以極具競爭力的成本從高級功能中獲取。

另一個值得注意的特性是該板屬于 Arduino Nano Mbed OS 系列，這是一組具有通用小外形尺寸（“Nano”占位面積，尺寸僅為 18 × 43 mm）并支持基于 ARM 的物聯(lián)網應用的板Mbed OS 操作系統(tǒng)。目前，該系列包括三塊板：Nano 33 BLE、Nano 33 BLE Sense 和 Nano RP2040 Connect（Nano 33 IoT 不屬于其中，因為它不支持 Mbed OS 系統(tǒng)）。圖 1 顯示了 Arduino Nano RP2040 Connect 板的四分之三視圖，此處為未安裝排針的版本。

圖 1：Arduino Nano RP2040 連接

框圖

電路板框圖如圖 2 所示。核心由 RP2040 微控制器表示，能夠通過經典 USB 連接與主機開發(fā)和調試環(huán)境進行通信，并通過四路 SPI 串行高電平與 16 MB 外部閃存進行通信速度界面。3.3V 電源由 MP2322 穩(wěn)壓器提供，輸入源可以從 USB 端口 (V USB ) 或外部電源 (V IN ) 中選擇。NINA W102 Wi-Fi/藍牙模塊通過I 2連接到microC、SPI、UART接口，RGB LED與之相連。至于其他傳感器，MEMS麥克風通過脈沖密度調制（PDM）數(shù)字音頻接口連接到micro，而六軸運動傳感器和認證模塊通過I 2 C總線連接。運行在 12 MHz 的外部 MEMS 振蕩器提供時鐘脈沖。

圖 2：電路板框圖

組件

該板的主要組件在圖 3 中突出顯示。首先，我們有 RP2040 芯片，這是一個基于 ARM Cortex M0+ 的 32 位雙核微控制器，運行頻率為 133 MHz，并配有集成的 264 KB SRAM 存儲器。該 MCU 的卓越性能和高效率使其能夠支持使用 TinyML、TensorFlow Lite 或 Edge Impulse 開發(fā)的機器學習算法。除了完全支持 MicroPython（從 2021 年 7 月開始提供）外，該板還附帶用于機器視覺項目的免費 OpenMV 許可證。RP2040 微控制器提供的功能包括：

• 直接內存訪問控制器
  
• USB 1.1 控制器和 PHY，支持主機和設備
  
• 八個可編程 IO 狀態(tài)機
  
• 用于擴展外設支持的可編程 IO
  
• 帶內部溫度傳感器的四通道 ADC，0.5-MS/s，12 位轉換
  
• SWD調試
  
• 兩個用于生成 USB 和內核時鐘的片上 PLL
  
• 多種低功耗模式支持
  
• USB 1.1 主機/設備
  
• 內部穩(wěn)壓器提供核心電壓
  
• 高級高性能總線/高級外設總線

圖 3：電路板的主要組件

在 MCU 之后，該卡的第二個優(yōu)點絕對是連接性，它通過 u-blox NINA W102 無線電模塊實現(xiàn)，這是一種廉價且易于適應的設備。該模塊還增加了四個模擬 GPIO（RP2040 只有四個模擬引腳），使總數(shù)達到八個，與其他 Arduino Nano 板一致。配備集成天線的無線電模塊基于雙核 Xtensa LX6 CPU，可以使用 SWD 接口和位于電路板背面的特殊焊盤獨立于 RP2040 進行編程。在實踐中，NINA W102 模塊使用與 ESP32 模塊相同的 CPU，ESP32 模塊是創(chuàng)客最流行的硬件平臺之一，還有 Arduino 和 Raspberry Pi。RGB LED 連接到無線電模塊，可以使用為模塊本身開發(fā)的相同庫 (WiFiNINA) 驅動。物聯(lián)網應用中使用的連接需要高度的安全性，以便在所有操作條件下保持傳輸數(shù)據(jù)的一致性并防止來自外部的潛在攻擊。為此，設計人員加入了一個強大的加密協(xié)處理器，Microchip ATECC608A 已經在 Arduino MKR 系列的板上使用。密碼協(xié)處理器的特點是功耗特別低，為安全啟動提供支持，為非對稱簽名、驗證、密鑰協(xié)商提供硬件支持，為對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）和網絡提供硬件支持關鍵管理支持。物聯(lián)網應用中使用的連接需要高度的安全性，以便在所有操作條件下保持傳輸數(shù)據(jù)的一致性并防止來自外部的潛在攻擊。為此，設計人員加入了一個強大的加密協(xié)處理器，Microchip ATECC608A 已經在 Arduino MKR 系列的板上使用。密碼協(xié)處理器的特點是功耗特別低，為安全啟動提供支持，為非對稱簽名、驗證、密鑰協(xié)商提供硬件支持，為對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）和網絡提供硬件支持關鍵管理支持。物聯(lián)網應用中使用的連接需要高度的安全性，以便在所有操作條件下保持傳輸數(shù)據(jù)的一致性并防止來自外部的潛在攻擊。為此，設計人員加入了一個強大的加密協(xié)處理器，Microchip ATECC608A 已經在 Arduino MKR 系列的板上使用。密碼協(xié)處理器的特點是功耗特別低，為安全啟動提供支持，為非對稱簽名、驗證、密鑰協(xié)商提供硬件支持，為對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）和網絡提供硬件支持關鍵管理支持。設計人員包括一個強大的加密協(xié)處理器，Microchip ATECC608A 已經在 Arduino MKR 系列的板上使用。密碼協(xié)處理器的特點是功耗特別低，為安全啟動提供支持，為非對稱簽名、驗證、密鑰協(xié)商提供硬件支持，為對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）和網絡提供硬件支持關鍵管理支持。設計人員包括一個強大的加密協(xié)處理器，Microchip ATECC608A 已經在 Arduino MKR 系列的板上使用。密碼協(xié)處理器的特點是功耗特別低，為安全啟動提供支持，為非對稱簽名、驗證、密鑰協(xié)商提供硬件支持，為對稱算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）和網絡提供硬件支持關鍵管理支持。

傳感器設備包括 ST LSM6DSOX 六軸 IMU，它將 3D 加速度計和 3D 陀螺儀與專用機器學習核心相結合。該組件主要面向移動市場，“永遠在線”操作需要特別低的功耗，提供以下技術特性：

• 3D 陀螺儀，±2-/±4-/±8-/±16-g 滿量程
  
• 3D 加速度計，±125-/±250-/±500-/±1,000-/±2,000-dps 滿量程
  
• 高級計步器、步數(shù)檢測器和計步器
  
• 顯著移動檢測、傾斜檢測
  
• 標準中斷：自由落體、喚醒、6D/4D 定向、單擊和雙擊
  
• 可編程有限狀態(tài)機：加速度計、陀螺儀和外部傳感器
  
• 機器學習核心
  
• 嵌入式溫度傳感器
  

該設備可以使用專用的 Arduino LSM6DSOX 庫輕松編程。

另一個相關傳感器是全向數(shù)字麥克風，可用于聲音激活、音頻控制，甚至 AI 語音識別。MP34DT05 麥克風實時捕捉和分析聲音，可用于為任何項目創(chuàng)建語音界面。ST MP34DT05-A 是一款超緊湊、低功耗、全向、數(shù)字 MEMS 麥克風，內置電容傳感元件和 I2C 接口。能夠檢測聲波的傳感元件采用 MEMS 工藝制造，而 IC 接口采用 CMOS 工藝制造，該工藝在外部以 PDM 格式提供數(shù)字信號。MP34DT05-A 是一款低失真數(shù)字麥克風，具有 64-dB 信噪比和 –26-dBFS ±3-dB 靈敏度。該設備可以使用專用的 Arduino PDM 庫進行編程。

關于可編程 I/O 引腳，該板提供 8 個模擬輸入引腳和 22 個數(shù)字 I/O 引腳（其中 20 個可配置為 PWM 發(fā)生器或外部中斷）。引腳 13 上還提供了一個內置的用戶 LED。圖 4 顯示了 Arduino Nano RP2040 Connect 板的完整引腳排列，該板也可在預安裝接頭引腳的情況下使用。引腳布局井井有條，所有模擬和電源引腳都在左側接頭上，數(shù)字引腳在右側接頭上。如圖 2 所示，RP2040 MCU 提供對 UART、SPI 和 I 2 C 通信的支持。

圖 4：電路板引腳排列

在應用方面，Arduino Nano RP2040 Connect 可適用于廣泛的用例，包括：

• 邊緣計算：TinyML 可用于異常檢測、咳嗽檢測、手勢分析等。
  
• 可穿戴設備：減少的占用空間使機器學習算法能夠在各種可穿戴設備上部署，包括運動追蹤器和 VR 控制器。
  
• 語音助手：Arduino Nano RP2040 Connect 包含一個全向麥克風，可用作個人數(shù)字助理，實現(xiàn)不同項目中的語音控制。