本篇文章主要从硬件角度介绍Arduino开发板是如何工作的。

大多数文章都介绍的是Arduino的软件。但是，深入了解其硬件设计有助于您在Arduino旅程中迈出坚实的一步。掌握Arduino硬件的电子设计将帮助您学习如何将Arduino嵌入到最终产品的设计中，包括应该从原始设计中保留以及省略哪些部分。

组件概述

Arduino UNO开发板的PCB设计全部采用使用SMD（表面贴装器件）组件。几年前，当我学习Arduino PCB设计时，我开始了解SMD组件，而我当时正在重新DIY设计一款Arduino UNO的克隆版。

集成电路使用标准化的封装，并且采用了各种封装形式。

许多SMD电阻、电容和LED的尺寸是通过以下的封装代码表示：

电阻、电容和电感等分立元件的SMD封装代码。

大多数的封装是通用的，可用于具有不同功能的不同部分。例如，SOT-223封装可以是一个晶体管或一个稳压器。

下表列出了Arduino UNO采用的部分元件以及各自对应的封装：

元件	封装
NCP1117ST50T3G 5V稳压器	SOT223
LP2985-33DBVR 3.3V稳压器	SOT753 / SOT23-5
M7二极管	SMB
LMV358IDGKR双通道放大器	MSOP08
FDN340P P沟道MOSFET晶体管	SOT23
ATmega16U2-MU	MLF32

Arduino UNO系统概述

在我们了解UNO的硬件之前，我们必须首先对系统进行总体概述。

使用Arduino IDE编译代码后，应通过USB连接将其上传到Arduino UNO的主微控制器。由于主微控制器没有USB收发器，因此需要一个桥接器来转换微控制器的串行接口（UART）与主机USB信号之间的信号。

最新版本中的桥接器是ATmega16U2，它有一个USB收发器和一个串行接口（UART）。

为了给你的Arduino开发板供电，你可以使用USB供电。另一种方式是使用DC插孔。您可能会问，“如果我同时连接了直流适配器和USB，哪个会是电源？”答案将在本文的“电源部分”一节中讨论。

要复位您的开发板，您应该使用开发板上的按钮。每次从Arduino IDE打开串行监视器时，都应该产生另一个复位源。

我将原始的Arduino UNO原理图重新进行分配，使其更加易读，如下所示。

原始Arduino原理图的重新分配版本

微控制器

需要重视的一点是Arduino开发板包含一个微控制器，并且该微控制器是执行程序中的指令的。如果你知道这一点，你将不会再说类似“Arduino是一个微控制器”的话了。

Arduino UNO R3中使用ATmega328微控制器作为主控制器。 ATmega328是AVR系列的一个MCU；它是一个8位器件，这意味着其数据总线架构和内部寄存器被设计为处理8个并行数据信号。

ATmega328有三种类型的内存：

●    Flash闪存：32KB非易失性存储器。这用于存储应用程序，这就解释了为什么每次从电源拔下arduino时都不需要上传应用程序。

●    SRAM存储器：2KB易失存储器。这用于存储应用程序在运行时使用的变量。

●    EEPROM存储器：1KB非易失性存储器。这可用于存储即使在电路板断电然后再次通电后也必须可用的数据。

让我们简单回顾一下这个MCU的规格：

封装

该MCU采用的是DIP-28封装，这意味着它具有双列直插式封装中的28个引脚。这些引脚包括电源和I / O引脚。大多数引脚是多功能的，这意味着可以根据您在软件中配置的方式，使用相同引脚的不同模式。这减少了必要的引脚数，因为微控制器不需要为每个功能单独设置引脚。它还可以使您的设计更加灵活，因为一个I / O连接可以提供多种类型的功能。

ATmega328也有其他封装，如TQFP-32 SMD封装（表面贴装器件）。

Atmega328两个不同的封装

电源

MCU支持1.8至5.5 V的电源电压。但是，对工作频率有限制；例如，如果要使用最大时钟频率（20 MHz），则需要至少4.5 V的电源电压。

数字I / O

该MCU有三个端口：PORTB、PORTC和PORTD。这些端口的所有引脚都可用于通用数字I / O或用于下面引脚分配中指示的复用功能。例如，PORTC引脚0到引脚5可以是ADC输入，而不是数字I / O。

还有一些引脚可以配置为PWM输出。这些引脚在Arduino板上标有“〜”。

注意：ATmega168与ATmega328几乎相同，并且它们是引脚兼容的。不同之处在于，与ATmega168的16KB闪存，512字节EEPROM和1KB RAM相比，ATmega328具有更多内存（32KB闪存，1KB EEPROM和2KB RAM）。

采用Arduino标签的ATmega168引脚排列；ATmega168和ATmega328引脚兼容。

Arduino UNO R3引脚排列。

ADC输入

该MCU具有6个通道 - PORTC0至PORTC5 - 具有10位分辨率的A / D转换器。这些引脚连接到Arduino板上的模拟插头。

一个常见的错误是将模拟输入视为专用于A / D功能的输入，因为电路板中的插头显示为“模拟”。事实是，您可以将它们用作数字I / O或A / D。

ATmega328框图。

如上图所示（通过红色迹线），与A / D单元相关的引脚为：

AVCC：A / D单元的电源引脚。

AREF：如果您想为ADC使用外部参考电压而不是内部Vref，则可选择使用输入引脚。您可以使用内部寄存器进行配置。

用于选择Vref源的内部寄存器设置。

UART外设

UART（通用异步接收器/发送器）是一个串行接口。 ATmega328只有一个UART模块。

UART的引脚（RX、TX）连接至USB至UART转换器电路，并连接至数字插头中的引脚0和引脚1。如果您已经使用UART通过USB发送/接收数据，则必须避免使用UART。

SPI外设

SPI（串行外设接口）是另一种串行接口。 ATmega328只有一个SPI模块。

除了将其用作串行接口外，还可以使用独立编程器对MCU进行编程。您可以从Arduino UNO开发板中的MCU旁边的插头或数字插头访问SPI的引脚，如下所示：

11 < - > MOSI

12 < - > MISO

13 < - > SCK

TWI

I2C或TWI接口包含两条线，串行数据SDA和串行时钟SCL。

您可以通过数字插头的最后两个引脚或者模拟插头的引脚4和引脚5来访问这些引脚。

其他功能

MCU中包含其他功能，例如定时器/计数器模块提供的功能。您可能不知道您在代码中未使用的功能。您可以参考数据表以获取更多信息。

Arduino UNO R3 MCU部分。

回到电子设计，微控制器部分具有以下内容：

●    ATmega328-PU：我们刚才谈到的MCU。

●    IOL和IOH（数字）插头：除GND、AREF、SDA和SCL外，这些插头还是针脚0至13的数字插头。请注意，来自USB桥的RX和TX连接到引脚0和引脚1。

●    AD插头：模拟引脚的插头。

●    16 MHz陶瓷谐振器（CSTCE16M0V53-R0）：与MCU的XTAL2和XTAL1连接。

●    复位引脚：通过一个10K电阻上拉，有助于防止在嘈杂的环境中发生虚假复位；该引脚具有一个内部上拉电阻，但根据AVR硬件设计考虑事项应用指南（AVR042），“如果环境噪声太大，可能会导致不必要的复位，并且偶尔会发生复位。”如果用户按下复位按钮或者USB桥发出一个复位信号，就会产生复位。你也可以看到一个D2二极管。这个二极管的作用在同一应用笔记中有描述：“如果不使用高电压编程，建议从RESET到Vcc增加一个ESD保护二极管，因为由于高电压编程而内部未提供该二极管。”

●    C4和C6电容（100nF）：添加这些器件用于滤除电源噪声。电容的阻抗随频率下降：

XC=12πfC

电容给高频噪声信号提供了一条低阻抗接地路径。 100nF是最常见的值。

●    PIN13：连接到MCU的SCK引脚，也连接到LED。 Arduino开发板使用一个缓冲器（LMV358）驱动LED。

●    ICSP插头（在线串行编程）：用于使用外部编程器编程ATmega328。它连接到在系统编程（ISP）接口（使用SPI引脚）。通常情况下，您不需要使用这种编程方式，因为引导加载程序通过使用桥接器连接到USB的UART接口来处理MCU的编程。只有在生产中第一次向MCU编程一个引导加载程序时才会使用此头文件。

USB转UART桥接器

Arduino USB桥接器部分。

正如我们在“Arduino UNO系统概述”一节中讨论的那样，USB转UART桥接器部分的作用是使用带内部USB收发器的ATmega16U2 ，将USB接口的信号转换为ATmega328可以识别的UART接口。这是通过使用上传到ATmega16U2的特殊固件完成的。

从电子设计角度来看，本节与微控制器部分相似。该MCU带有ICSP插头、带有负载电容（CL）的外部晶振和Vcc滤波电容。

请注意，D +和D- USB线中有串联电阻。这些为USB信号提供正确的终端阻抗。这里是关于这些电阻，请进一步阅读：

1.    为什么USB数据需要串联电阻？

2.    USB开发人员常见问题

Z1和Z2是压敏电阻（VDR）。它们用于保护USB线免受ESD瞬态脉冲影响。

与复位线串联的100nF电容允许Atmega16U2向Atmega328发送复位脉冲。你可以查看这个链接阅读更多关于这个电容。

电源

对于电源，您可以选择使用USB或DC插孔。现在是时候回答以下问题：“如果我同时连接DC适配器和USB，哪个将成为电源？”

5V稳压器采用的是NCP1117ST50T3G，该稳压器的Vin通过一个M7二极管（IN4007二极管的SMD版本）连接到DC插座输入端。该二极管提供反向保护。

5V稳压器的输出连接到电路中5V网络的其余部分，也连接到3.3V稳压器LP2985-33DBVR的输入。您可以直接从电源插座5V引脚连接5V。

5V的另一个来源是USBVCC，它连接到FDN340P的漏极，一个P沟道MOSFET，源极连接到5V网络。晶体管的栅极连接到用作比较器的LMV358运算放大器的输出端。比较介于3V3和Vin / 2之间。当Vin / 2较大时，这将产生比较器的高输出，并且P沟道MOSFET关闭。如果没有施加Vin，则比较器的V +被拉低至GND并且Vout为低，使得晶体管导通并且USBVCC连接至5V。

电源切换机制。

LP2985-33DBVR是一个3V3稳压器。 3V3和5V稳压器都是LDO（低压差），这意味着即使输入电压接近输出电压，它们也可以调节电压。这是对老式线性稳压器的改进，如7805。

最后，我将谈论的是在Arduino UNO中提供的电源保护。

如上所述，通过在输入端使用串联的M7二极管，可防止来自DC插孔的VIN受到反向保护。请注意，电源插头中的VIN引脚未受到保护。这是因为它连接在M7二极管之后。就个人而言，我不知道他们为什么决定在二极管之前连接它以提供相同的保护。

电源插头的VIN引脚。

当您使用USB作为电源并为您的USB端口提供保护时，有一个与USBVCC串联的PTC（正温度系数）保险丝（MF-MSMF050-2）。这提供了过电流保护，500mA。当达到过电流极限时，PTC电阻增大。过电流消除后电阻下降。

阅读Rugged Circuits发布关于Arduino保护的内容非常有用。

您现在应该更熟悉Arduino UNO的电子设计，并更好地了解其硬件。我希望这可以帮助您在未来的设计项目！

本文翻译自Understanding Arduino UNO Hardware Design，感谢 Yahya Tawil 做出的贡献。如有错漏，敬请指正。