Arduino Uno R4 Minima — первая плата серии UNO с 32-разрядным микроконтроллером. Её выпускает Arduino S.r.l.; в основе платы — Renesas RA4M1 (R7FA4M1AB3CFM#AA0) с ядром Arm Cortex-M4, блоком вычислений с плавающей запятой (FPU) и тактовой частотой 48 МГц. Это не одноплатный компьютер: на плате нет операционной системы. После включения питания микроконтроллер выполняет загруженный скетч.
По сравнению с классической Arduino Uno Rev3 объём памяти значительно увеличен: 256 КБ Flash (в 8 раз больше), 32 КБ SRAM (в 16 раз больше) и 8 КБ энергонезависимой Data Flash, используемой для хранения данных по аналогии с EEPROM. Плата получила USB-C, 14-битный АЦП, 12-битный ЦАП, операционный усилитель, часы реального времени и контроллер CAN. Сохранены форм-фактор UNO и логические уровни 5 В, однако совместимость с конкретным шилдом зависит также от его электрических требований и программного обеспечения.
«Minima» — версия без беспроводного модуля. В отличие от Uno R4 WiFi, у неё нет Wi-Fi, Bluetooth и светодиодной матрицы. Обе платы используют один и тот же основной микроконтроллер RA4M1 и имеют большинство базовых возможностей UNO R4.
- 1 Основные характеристики Arduino Uno R4 Minima
- 2 Технические характеристики
- 3 Интерфейсы и разъёмы
- 4 Программирование
- 5 Распиновка
- 6 Возможности и особенности
- 7 Для чего подходит Arduino Uno R4 Minima
- 8 Преимущества
- 9 Ограничения
- 10 Arduino Uno R4 Minima и похожие платы
- 11 Заключение
- 12 Материалы
- 13 Читайте также
Основные характеристики Arduino Uno R4 Minima
- Микроконтроллер: Renesas RA4M1 (R7FA4M1AB3CFM#AA0)
- Архитектура: Arm Cortex-M4 с FPU, 32-разрядная
- Тактовая частота: 48 МГц
- Рабочее напряжение логики: 5 В
- Входное напряжение (VIN, гнездо питания): 6–24 В
- Питание через USB-C: 5 В; превышать это значение не рекомендуется
- Цифровые выводы (I/O): 14 (D0–D13), из них 6 поддерживают ШИМ: D3, D5, D6, D9, D10, D11
- Аналоговые входы: 6 (A0–A5), АЦП с разрешением до 14 бит
- ЦАП: 1 (вывод A0), разрешение до 12 бит
- Операционный усилитель: встроен; выводы A1, A2 и A3 служат соответственно неинвертирующим входом, инвертирующим входом и выходом
- Максимальный ток вывода I/O: 8 мА; общий ток GPIO ограничен 60 мА
- Flash-память: 256 КБ
- SRAM: 32 КБ
- Data Flash: 8 КБ, используется для энергонезависимого хранения данных по аналогии с EEPROM
- Интерфейсы: 1 × UART (D0, D1), 1 × SPI (D10–D13 и разъём ICSP), 1 × I²C (A4/A5 и выводы SDA/SCL), 1 × CAN (D4, D5; необходим внешний трансивер)
- USB: USB-C, USB 2.0 Full-Speed, встроенный USB-контроллер микроконтроллера (native USB)
- Дополнительно: часы реального времени (RTC), контроллер ёмкостных сенсоров CTSU, четыре канала DMA, блок защиты памяти MPU
- Беспроводная связь: отсутствует
- Совместимость с шилдами: форм-фактор UNO и логические уровни 5 В; совместимость зависит от требований конкретного шилда
- Размеры: по чертежу 68,58 × 53,34 мм; масса около 48 г
- Способ программирования: Arduino IDE (пакет Arduino UNO R4 Boards), загрузка через USB
Технические характеристики
Микроконтроллер
Renesas RA4M1 — 32-разрядный микроконтроллер на ядре Arm Cortex-M4 с FPU, работающий на частоте до 48 МГц. Это втрое выше тактовой частоты ATmega328P в Uno Rev3 (16 МГц), но сравнение производительности не сводится только к частоте и разрядности ядра. В RA4M1 предусмотрены четыре канала прямого доступа к памяти (DMAC), блок защиты памяти (MPU), часы реального времени (RTC), контроллер ёмкостных сенсоров (CTSU), модуль USB 2.0 Full-Speed, 12-битный ЦАП, операционный усилитель и контроллер CAN.
Логические уровни платы рассчитаны на 5 В, что обеспечивает совместимость со многими шилдами и схемами для старых UNO. При этом плата не работает в режиме логики 3,3 В, как многие другие современные ARM-платы. Вывод 3,3 В на разъёме является линией питания, а не переключаемым режимом логики.
⚠ Логические уровни 5 В и ограничение тока выводов. Логические сигналы платы работают с уровнями 5 В, но допустимый ток одного вывода составляет не более 8 мА, а общий ток GPIO ограничен 60 мА. Не подключайте напрямую к выводам нагрузку, требующую большего тока (например, серводвигатели, реле или мощные светодиоды): используйте транзистор либо драйвер и отдельный источник питания. У Uno Rev3 рекомендации по току выводов отличаются, поэтому старые схемы с прямым подключением нагрузки нужно проверить.
Память (Flash, SRAM, Data Flash)
Объём Flash-памяти составляет 256 КБ, SRAM — 32 КБ, а Data Flash — 8 КБ. Последняя может использоваться для энергонезависимого хранения данных по аналогии с EEPROM. Такой объём памяти снимает многие ограничения AVR-плат при работе со строками, JSON и библиотеками для дисплеев. Фактически доступное для скетча пространство Flash может быть немного меньше общего объёма памяти микроконтроллера.
Цифровые и аналоговые выводы (I/O)
На плате есть 14 цифровых выводов (D0–D13), 6 аналоговых входов (A0–A5) и 6 выводов с ШИМ (D3, D5, D6, D9, D10, D11). Разрядность АЦП достигает 14 бит. В скетчах по умолчанию используется привычное для UNO 10-битное разрешение; более высокое можно задать функцией analogReadResolution(). На выводе A0 доступен 12-битный ЦАП, формирующий аналоговое напряжение, а не ШИМ-сигнал. Его можно использовать, например, для генерации звука или управляющего напряжения. Выводы A1, A2 и A3 соответствуют неинвертирующему входу, инвертирующему входу и выходу встроенного операционного усилителя.
Выводы A4 и A5 совмещены с D18 (SDA) и D19 (SCL). При использовании этих контактов для I²C они заняты шиной и не могут одновременно использоваться как аналоговые входы или для других альтернативных функций.
Интерфейсы связи (UART, I²C, SPI, CAN)
- UART: D0 (RX) и D1 (TX). Отдельного преобразователя USB–UART на плате нет: последовательный монитор Arduino IDE использует встроенный USB-контроллер микроконтроллера, а выводы D0 и D1 остаются доступными для внешних последовательных устройств.
- I²C: выводы A4 (SDA) и A5 (SCL), продублированные на верхней гребёнке как SDA и SCL.
- SPI: D10 (SS/CS), D11 (COPI), D12 (CIPO), D13 (SCK) и разъём ICSP. Обозначения COPI/CIPO соответствуют прежним названиям MOSI/MISO.
- CAN: контроллер встроен в микроконтроллер и выведен на D4 (CAN TX) и D5 (CAN RX). Для подключения к шине CAN нужен внешний трансивер: на плате его нет.
USB
Вместо USB-B, установленного на Uno Rev3, здесь используется разъём USB-C. Микроконтроллер RA4M1 имеет встроенный USB-контроллер (native USB), поэтому плата может определяться как виртуальный COM-порт и эмулировать HID-устройства, например клавиатуру или мышь, с помощью библиотек Arduino. Отдельного чипа USB–UART на плате нет.
Питание
Питать плату можно через USB-C (5 В), гнездо постоянного тока (barrel jack) или вывод VIN. Рекомендуемый диапазон напряжения для VIN — 6–24 В, что шире диапазона 7–12 В для Uno Rev3. Импульсный понижающий преобразователь ISL854102 преобразует входное напряжение VIN в 5 В. Во входных цепях предусмотрены диоды Шоттки для защиты согласно схеме питания платы.
При питании от USB на микроконтроллер поступает около 4,7 В из-за падения напряжения на диоде Шоттки. Вывод 3,3 В питается от внутренней цепи VCC_USB микроконтроллера, а не от понижающего преобразователя; допустимый выходной ток этой линии в документации не указан. При работе скетча по умолчанию (мигание светодиодом) средний ток платы от USB-C составляет около 33 мА (примерно 29,7–37 мА).
⚠ Питание платы. На USB-C подавайте не более 5 В. Рекомендуемый диапазон VIN — 6–24 В; превышать 24 В нельзя. Вывод 3,3 В не предназначен для питания мощной нагрузки: допустимый ток этой линии не указан, а сама она питается от цепи USB микроконтроллера. Для серводвигателей и других потребителей с большим током используйте отдельный источник питания и соедините его общий провод (GND) с GND платы.
Совместимость с шилдами и форм-фактор
Форм-фактор и расположение основных выводов соответствуют Arduino Uno, а логические уровни составляют 5 В, поэтому многие шилды для предыдущих версий UNO можно использовать и с этой платой. Однако совместимость не гарантируется для каждого шилда: нужно проверить его требования к току, распиновке и периферии. Программная совместимость также не гарантируется: микроконтроллер отличается от AVR, поэтому библиотеки, которые обращаются напрямую к регистрам ATmega, могут потребовать замены или адаптации.
Размеры и конструкция
По чертежу Arduino размеры платы составляют 68,58 × 53,34 мм; в магазине Arduino для ширины указано 68,85 мм. Масса — около 48 г. Монтажные отверстия соответствуют формату UNO. На плате есть разъём ICSP, 10-контактный отладочный разъём SWD/JTAG, кнопка Reset и четыре светодиода: питания, TX, RX и SCK (SCK связан с LED_BUILTIN на выводе D13).
Интерфейсы и разъёмы
- USB-C — программирование, виртуальный COM-порт, питание 5 В и эмуляция HID-устройств;
- Гнездо питания (barrel jack) и вывод VIN — внешний источник 6–24 В;
- JDIGITAL — цифровые выводы D0–D13, AREF, SCL и SDA;
- JANALOG — аналоговые входы A0–A5, линии питания, BOOT, IOREF и RESET;
- ICSP — SPI и внутрисхемное программирование;
- SWD/JTAG — 10-контактный отладочный разъём;
- Кнопка Reset и светодиоды питания, TX, RX и SCK.
Восстановление платы. Если скетч завис или плата не отвечает как обычно, дважды нажмите кнопку Reset, чтобы перевести её в режим загрузчика; после этого можно повторить загрузку скетча.
Программирование
Плата программируется в Arduino IDE (рекомендуется версия 2.x) на C/C++. Установите пакет поддержки Arduino UNO R4 Boards через менеджер плат и выберите Arduino UNO R4 Minima. Скетч загружается по USB через встроенный загрузчик, поэтому внешний программатор для обычной загрузки не нужен. Плата также поддерживается Arduino Cloud Editor и PlatformIO.
Распиновка
В таблицах ниже приведены контакты из документации Arduino (ABX00080) и схемы распиновки (pinout), включая порты микроконтроллера и альтернативные функции.
JDIGITAL — цифровые выводы (18 контактов, 5 В)
| Контакт | Обозначение | Порт MCU | Функции |
|---|---|---|---|
| 1 | SCL (D19) | P100 | I²C IIC_SCL1, SPI SCI_CIPO0, UART SCI_RXD0, IRQ2, АЦП AN022, таймер GTIOC5B |
| 2 | SDA (D18) | P101 | I²C IIC_SDA1, SPI SCI_COPI0, UART SCI_TXD0, IRQ1, АЦП AN021, таймер GTIOC5A |
| 3 | AREF | — | Опорное напряжение АЦП |
| 4 | GND | — | Земля |
| 5 | D13 | P111 | SPI RSPCKB (SCK), IRQ4, GTIOC3A; светодиод LED_BUILTIN |
| 6 | D12 | P110 | SPI CIPOB, IRQ3, GTIOC1B |
| 7 | ~D11 | P109 | SPI COPIB, GTIOC1A |
| 8 | ~D10 | P112 | SPI SSLB0 (CS), GTIOC3B |
| 9 | ~D9 | P303 | ШИМ, GTIOC7B |
| 10 | D8 | P304 | IRQ9, GTIOC7A |
| 11 | D7 | P107 | GTIOC0A |
| 12 | ~D6 | P106 | ШИМ, GTIOC0B |
| 13 | ~D5 | P102 | CAN RX (CRX0), SCI_SCK0, АЦП AN020 / ADTRG0, компаратор CMPIN1, GTIOC2B |
| 14 | D4 | P103 | CAN TX (CTX0), АЦП AN019, компаратор CMPREF1, GTIOC2A |
| 15 | ~D3 | P104 | IRQ1, ШИМ, GTIOC1B |
| 16 | D2 | P105 | IRQ0, GTIOC1A |
| 17 | D1 / TX | P302 | UART SCI_TXD2, SCI_SDA2, IRQ5, GTIOC4A |
| 18 | D0 / RX | P301 | UART SCI_RXD2, SCI_SCL2, IRQ6, GTIOC4B |
JANALOG — аналоговые входы и питание (14 контактов)
| Контакт | Обозначение | Порт MCU | Функции |
|---|---|---|---|
| 1 | BOOT | — | Выбор режима загрузки |
| 2 | IOREF | — | Опорное напряжение логики, подключено к 5 В |
| 3 | RESET | — | Сброс |
| 4 | +3V3 | — | Шина 3,3 В (выход; питание от VCC_USB микроконтроллера) |
| 5 | +5V | — | Шина 5 В |
| 6 | GND | — | Земля |
| 7 | GND | — | Земля |
| 8 | VIN | — | Вход питания 6–24 В |
| 9 | A0 (D14) | P014 | АЦП AN009, ЦАП DA0 |
| 10 | A1 (D15) | P000 | АЦП AN000, ОУ AMP0+ (неинвертирующий вход), IRQ6 |
| 11 | A2 (D16) | P001 | АЦП AN001, ОУ AMP0− (инвертирующий вход), IRQ7 |
| 12 | A3 (D17) | P002 | АЦП AN002, ОУ AMP0O (выход), IRQ2 |
| 13 | A4 (D18) | P101 | АЦП AN021, I²C SDA (IIC_SDA1), UART SCI_TXD0, IRQ1, компаратор CMPREF0 |
| 14 | A5 (D19) | P100 | АЦП AN022, I²C SCL (IIC_SCL1), UART SCI_RXD0, IRQ2, компаратор CMPIN0 |
ICSP (6 контактов)
| Контакт | Обозначение | Порт MCU / цепь |
|---|---|---|
| 1 | CIPO | P110 |
| 2 | +5V | Питание 5 В |
| 3 | SCK | P111 |
| 4 | COPI | P109 |
| 5 | RESET | Сброс |
| 6 | GND | Земля |
Выводы SPI на разъёме ICSP общие с цифровыми выводами D11–D13.
SWD/JTAG (10 контактов)
| Контакт | Обозначение | Порт MCU / цепь |
|---|---|---|
| 1 | +5V | Питание 5 В |
| 2 | SWDIO | P108 |
| 3 | GND | Земля |
| 4 | SWCLK | P300 |
| 5 | GND | Земля |
| 6 | NC | Не подключён |
| 7 | RX | SCI_RXD1, P502 |
| 8 | TX | SCI_TXD1, P501 |
| 9 | GND | Земля |
| 10 | RESET | Сброс |
Возможности и особенности
- Заметный прирост объёма памяти и производительности по сравнению с Uno Rev3 при сохранении форм-фактора UNO и логических уровней 5 В.
- ЦАП и операционный усилитель позволяют формировать аналоговое напряжение и обрабатывать слабые сигналы датчиков; необходимость внешних компонентов зависит от конкретной схемы.
- Контроллер CAN расширяет возможности платы в автомобильных и промышленных проектах; для подключения к шине нужен внешний трансивер.
- Native USB-C поддерживает виртуальный COM-порт и эмуляцию HID-устройств.
- Широкий диапазон входного питания 6–24 В.
- RTC и контроллер ёмкостных сенсоров CTSU входят в состав микроконтроллера.
Для чего подходит Arduino Uno R4 Minima
- Обновление проектов на Uno с сохранением форм-фактора и возможностью использовать совместимые шилды, но с большим запасом памяти и производительности.
- Аналоговые измерения с повышенным разрешением благодаря АЦП с разрешением до 14 бит.
- Генерация звука и управляющих напряжений через ЦАП.
- Проекты с CAN (автомобильные устройства и промышленная автоматика) при использовании внешнего трансивера.
- Обучение и прототипирование с привычным форм-фактором UNO и USB-C.
- HID-устройства: клавиатуры, макропады и джойстики.
Преимущества
- Значительно больше Flash, SRAM и энергонезависимой Data Flash, чем у Uno Rev3.
- АЦП с разрешением до 14 бит, 12-битный ЦАП и встроенный операционный усилитель.
- Native USB-C и поддержка эмуляции HID.
- Контроллер CAN и часы реального времени.
- Форм-фактор UNO и логические уровни 5 В.
- Диапазон входного питания 6–24 В.
Ограничения
- Максимальный ток одного вывода — 8 мА, общий ток GPIO ограничен 60 мА; для более мощной нагрузки необходим транзистор или драйвер.
- Нет встроенной беспроводной связи (она есть в Uno R4 WiFi).
- Для подключения к CAN требуется внешний трансивер.
- На стандартной гребёнке доступны один UART, один SPI и один I²C; микроконтроллер поддерживает и другие альтернативные функции.
- Вывод 3,3 В рассчитан на ограниченную нагрузку: он питается от цепи USB микроконтроллера, а допустимый выходной ток в документации не указан.
- Программная совместимость с библиотеками для AVR не гарантируется.
- Нет операционной системы: программа выполняется как скетч, без многозадачности на уровне полноценной ОС.
Arduino Uno R4 Minima и похожие платы
| Характеристика | Uno R4 Minima | Uno R4 WiFi | Uno Rev3 |
|---|---|---|---|
| Микроконтроллер | Renesas RA4M1 | Renesas RA4M1 + ESP32-S3 | ATmega328P |
| Архитектура | Arm Cortex-M4, 48 МГц | Arm Cortex-M4, 48 МГц | AVR, 16 МГц |
| Flash | 256 КБ | 256 КБ | 32 КБ |
| SRAM | 32 КБ | 32 КБ | 2 КБ |
| EEPROM / Data Flash | 8 КБ Data Flash | 8 КБ Data Flash | 1 КБ EEPROM |
| Wi-Fi / Bluetooth | нет | есть (ESP32-S3) | нет |
| Максимальный ток вывода | 8 мА | 8 мА | 20 мА рекомендуется; 40 мА — абсолютный максимум |
| USB | USB-C (native) | USB-C (native) | USB-B (через ATmega16U2) |
| Размеры | 68,58 × 53,34 мм | 68,58 × 53,34 мм | 68,6 × 53,4 мм |
Uno R4 Minima и R4 WiFi построены на одном основном микроконтроллере RA4M1; WiFi-версия дополнительно оснащена радиомодулем и светодиодной матрицей. Поэтому выбор зависит в том числе от необходимости беспроводной связи. По сравнению с Uno Rev3 обе платы предлагают больше памяти и более высокую производительность, но допустимый ток одного вывода у них ниже.
Заключение
Arduino Uno R4 Minima — развитие Uno Rev3 на 32-разрядном RA4M1: больше памяти, АЦП с разрешением до 14 бит, ЦАП, CAN, USB-C и логические уровни 5 В в привычном форм-факторе UNO. Плата подходит для модернизации существующих проектов, аналоговых измерений и создания HID-устройств.
Перед покупкой учитывайте ограничение тока каждого вывода, отсутствие беспроводной связи и необходимость внешнего трансивера для CAN. При использовании старых шилдов проверяйте их требования к току и программную совместимость.
Материалы
- Документация Arduino — Uno R4 Minima — описание платы, схемы и файлы САПР.
- Datasheet Arduino Uno R4 Minima (PDF) — характеристики, питание и таблицы выводов.
- Полная распиновка Uno R4 Minima (PDF) — схема выводов с альтернативными функциями.
- Магазин Arduino — Uno R4 Minima — страница продукта.
- Страница микроконтроллера Renesas RA4M1 — технические характеристики и документация.
Иллюстрации (фотография, схема выводов, структурная схема, схема питания и чертёж) взяты из документации Arduino к Uno R4 Minima (SKU ABX00080); схемы выводов распространяются под лицензией CC BY-SA 4.0, права на остальные материалы принадлежат Arduino.
