Arduino Uno R4 WiFi — вариант платы Uno R4 с беспроводной связью. Основой служит 32-разрядный микроконтроллер Renesas RA4M1 (R7FA4M1AB3CFM#AA0) с ядром Arm Cortex-M4 и FPU, работающий на частоте 48 МГц. Рядом установлен радиомодуль ESP32-S3-MINI-1-N8 с Wi-Fi и Bluetooth LE. Основной скетч выполняет RA4M1, а ESP32-S3 служит дополнительным микроконтроллером для беспроводной связи и USB-моста. Данные между двумя микроконтроллерами передаются через преобразователь логических уровней. Это не одноплатный компьютер: операционной системы нет, плата выполняет загруженный скетч.
От Uno R4 Minima плату отличают радиомодуль, светодиодная матрица 12 × 8 из красных светодиодов, разъём Qwiic для устройств I²C и разъём для резервной батареи часов реального времени. Форм-фактор UNO и логические уровни 5 В для RA4M1 сохранены, но совместимость с конкретным шилдом зависит также от его электрических и программных требований. По сравнению с Uno Rev3 объём Flash увеличен в 8 раз (256 КБ), SRAM — в 16 раз (32 КБ), а разъём VIN допускает входное напряжение 6–24 В.
Основные характеристики Arduino Uno R4 WiFi
- Основной микроконтроллер: Renesas RA4M1 (R7FA4M1AB3CFM#AA0)
- Архитектура: Arm Cortex-M4 с FPU, 32-разрядная
- Тактовая частота RA4M1: 48 МГц
- Рабочее напряжение: 5 В для RA4M1; 3,3 В для модуля ESP32-S3
- Входное напряжение (VIN, разъём питания): 6–24 В
- Питание через USB-C: номинально 5 В; не подавайте на USB-C напряжение выше 5 В
- 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 входами и выходом усилителя
- Максимальный ток вывода I/O: 8 мА
- Flash-память RA4M1: 256 КБ
- SRAM RA4M1: 32 КБ
- Энергонезависимая память данных RA4M1: 8 КБ Data Flash (EEPROM-подобная память)
- Радиомодуль: ESP32-S3-MINI-1-N8, двухъядерный Xtensa LX7 до 240 МГц, 8 МБ Flash, 384 КБ ROM и 512 КБ SRAM
- Wi-Fi: 2,4 ГГц, Wi-Fi 4 (802.11 b/g/n), скорость передачи до 150 Мбит/с, встроенная антенна
- Bluetooth: Bluetooth 5 LE
- Интерфейсы: 1 × UART (D0, D1), 1 × SPI (D10–D13 и ICSP), 2 × I²C (A4/A5 и Qwiic), 1 × CAN (D10, D13; нужен внешний трансивер)
- USB: USB-C; по умолчанию используется USB-мост на ESP32-S3
- Светодиодная матрица: 12 × 8 красных светодиодов
- Дополнительно: часы реального времени (RTC), разъём Qwiic, вывод OFF и вход резервного питания RTC (VRTC)
- Совместимость с шилдами: форм-фактор UNO и логические уровни 5 В для GPIO RA4M1; проверьте требования конкретного шилда
- Размеры: 68,58 × 53,34 мм, масса около 48 г
- Способ программирования: Arduino IDE (пакет Arduino UNO R4 Boards)
Технические характеристики
Микроконтроллер RA4M1
Renesas RA4M1 — основной микроконтроллер платы; к нему подключены разъёмы расширения и коммуникационные шины. Это 32-разрядное ядро Arm Cortex-M4 с FPU, работающее на частоте 48 МГц — втрое выше тактовой частоты ATmega328P в Uno Rev3 (16 МГц). В RA4M1 предусмотрены четыре канала DMA, блок защиты памяти MPU, часы реального времени (RTC), контроллер ёмкостных сенсоров CTSU, USB 2.0 Full-Speed, 14-битный АЦП, 12-битный ЦАП, операционный усилитель и контроллер CAN. Логическое напряжение RA4M1 составляет 5 В, что обеспечивает совместимость с рядом шилдов и схем для старых UNO.
Радиомодуль ESP32-S3
За Wi-Fi и Bluetooth отвечает ESP32-S3-MINI-1-N8: двухъядерный 32-разрядный Xtensa LX7 с кварцевым генератором 40 МГц, Wi-Fi 4 (2,4 ГГц, до 150 Мбит/с), Bluetooth 5 LE и встроенной антенной. Модуль имеет 8 МБ Flash, 384 КБ ROM и 512 КБ SRAM. Он работает как дополнительный микроконтроллер и обменивается данными с RA4M1 по UART через преобразователь логических уровней TXB0108 (5 В ↔ 3,3 В). Рабочее напряжение модуля — 3,3 В; его обеспечивает линейный стабилизатор SGM2205-3.3.
⚠ Не смешивайте логические уровни 3,3 В и 5 В. Сигналы на разъёме ESP имеют уровни 3,3 В, а GPIO RA4M1 рассчитаны на 5 В. Внутренние линии между двумя микроконтроллерами проходят через преобразователь уровней, но это не означает, что внешний модуль с логикой 5 В можно напрямую подключать к разъёму ESP. На разъём ESP и Qwiic нельзя подавать сигналы 5 В. Для таких устройств используйте преобразователь логических уровней.
Разъём ESP (шесть контактов около кнопки Reset) предоставляет прямой доступ к модулю: 1 — GPIO42 (MTMS, отладка), 2 — GPIO41 (MTDI, отладка), 3 — TXD0 (UART), 4 — DOWNLOAD (режим загрузки), 5 — RXD0 (UART), 6 — GND.
Память (Flash, SRAM, Data Flash)
У RA4M1 — 256 КБ Flash, 32 КБ SRAM и 8 КБ Data Flash, которую Arduino описывает как EEPROM-подобную энергонезависимую память. У ESP32-S3 есть собственные 8 МБ Flash, 384 КБ ROM и 512 КБ SRAM. Эта память относится к радиомодулю, а основной скетч Arduino выполняется на RA4M1.
Цифровые и аналоговые выводы (I/O)
На плате 14 цифровых выводов (D0–D13), 6 аналоговых входов (A0–A5) и 6 выводов с ШИМ (D3, D5, D6, D9, D10, D11). Разрешение АЦП — до 14 бит. На выводе A0 расположен 12-битный ЦАП, а выводы A1, A2 и A3 служат неинвертирующим входом, инвертирующим входом и выходом встроенного операционного усилителя. A4 и A5 совмещены с D18 (SDA) и D19 (SCL); при использовании их для I²C те же контакты нельзя одновременно использовать как аналоговые входы или для других альтернативных функций.
⚠ Ток выводов. Максимальный ток одного вывода RA4M1 указан как 8 мА. Не подключайте к GPIO напрямую нагрузку с большим током: это может привести к повреждению платы. Для сервоприводов, реле и других мощных потребителей используйте транзистор или драйвер и отдельный источник питания с общим проводом GND.
Светодиодная матрица 12 × 8
На плате установлена матрица из 12 × 8 красных светодиодов (96 точек), подключённая по схеме charlieplexing к одиннадцати выводам RA4M1 (P003, P004, P011, P012, P013, P015, P204, P205, P206, P212, P213). С помощью специальной библиотеки матрица доступна как массив пикселей: можно выводить статичные изображения, анимацию, бегущий текст и простые игры.
Интерфейсы связи (UART, I²C, SPI, CAN)
- UART: D0 (RX) и D1 (TX).
- I²C: основная шина (объект
Wireв Arduino) выведена на A4/A5 и контакты SDA/SCL верхней гребёнки; вторая шина (объектWire1, I2C0) — на разъёме Qwiic. К обеим шинам можно одновременно подключать устройства, но A4 и A5 нельзя параллельно использовать как входы АЦП, пока задействована основная шина. - SPI: D10 (CS), D11 (COPI), D12 (CIPO), D13 (SCK) и разъём ICSP.
- CAN: контроллер встроен в RA4M1 и выведен на D10 (CAN TX) и D13 (CAN RX); необходим внешний трансивер. В отличие от Minima, где CAN выведен на D4 и D5, здесь эти выводы совмещены с сигналами SPI.
USB
Единственный внешний USB-порт платы — USB-C, используемый для питания, программирования и последовательной связи. По умолчанию USB подключён к ESP32-S3, который служит USB-мостом для RA4M1. Переключатели U2 и U6 позволяют перенаправить USB напрямую на RA4M1; для выбора режима используется управляющая цепь P408 (D40). Перемычку SJ1 можно замкнуть пайкой, чтобы зафиксировать соединение USB с RA4M1 в обход ESP32-S3.
Питание
Питание подаётся через USB-C или через гнездо питания / вывод VIN. Для VIN допустим диапазон 6–24 В; импульсный понижающий преобразователь ISL854102 преобразует входное напряжение в 5 В. В цепях питания предусмотрены диоды Шоттки для защиты от неправильной полярности и перенапряжения. При питании по USB напряжение на RA4M1 составляет около 4,7 В из-за падения на диоде Шоттки. Линейный стабилизатор SGM2205-3.3 формирует шину 3,3 В для ESP32-S3 и других компонентов. Рабочая температура платы — от −40 до +85 °C. Для USB-C используйте стандартный источник питания 5 В.
⚠ Питание платы. Для USB-C используйте стандартный источник питания номиналом 5 В; не подавайте напряжение выше 5 В. На VIN рекомендуется подавать 6–24 В; превышать 24 В нельзя. Для часов реального времени предусмотрен отдельный вход резервного питания VRTC. Он предназначен для RTC, а не для питания всей платы. Вывод OFF используется для управления питанием.
Совместимость с шилдами и форм-фактор
Форм-фактор и расположение выводов соответствуют Arduino Uno, а GPIO основного микроконтроллера работают с логическими уровнями 5 В, поэтому многие шилды для предыдущих UNO можно использовать и с этой платой. Однако совместимость не гарантируется для каждого шилда: необходимо проверить требования к распиновке, току и периферии. Программная совместимость также не гарантируется: микроконтроллер отличается от AVR, поэтому библиотеки, напрямую обращающиеся к регистрам AVR, могут потребовать замены или адаптации.
Размеры и конструкция
Размеры платы — 68,58 × 53,34 мм (на странице магазина указана ширина 68,85 мм), масса — около 48 г. Монтажные отверстия соответствуют форм-фактору UNO.
Интерфейсы и разъёмы
- USB-C — питание, программирование и последовательная связь через USB-мост;
- Гнездо питания (barrel jack) и вывод VIN — внешний источник 6–24 В;
- JDIGITAL и JANALOG — гребёнки формата UNO;
- ICSP — SPI и внутрисхемное программирование;
- Разъём Qwiic (3,3 В) — для устройств I²C и модулей Arduino Modulino;
- Разъём ESP — прямой доступ к ESP32-S3;
- Разъём JOFF — сигналы OFF и GND, а также вход VRTC для батареи часов реального времени;
- Кнопка Reset и светодиоды питания, TX, RX и SCK.
Программирование
Плата программируется в Arduino IDE (рекомендуется версия 2.x): установите пакет Arduino UNO R4 Boards и выберите Arduino UNO R4 WiFi. Для работы с радиомодулем и матрицей доступны библиотеки Arduino, например WiFiS3 и библиотека светодиодной матрицы. Плата также поддерживается Arduino Cloud; для простых IoT-проектов это позволяет использовать сетевые функции без самостоятельной реализации всего сетевого стека.
Распиновка
Ниже приведены таблицы выводов из документации Arduino (datasheet ABX00087) и схемы распиновки с портами микроконтроллера и альтернативными функциями.
JDIGITAL — цифровые выводы (18 контактов, 5 В)
| Контакт | Обозначение | Порт MCU | Функции |
|---|---|---|---|
| 1 | SCL (D19) | P100 | I²C IIC_SCL1, SCI_RXD0, IRQ2, АЦП AN022, компаратор CMPIN0, таймер GTIOC5B |
| 2 | SDA (D18) | P101 | I²C IIC_SDA1, SCI_TXD0, IRQ1, АЦП AN021, компаратор CMPREF0, таймер GTIOC5A |
| 3 | AREF | — | Опорное напряжение АЦП |
| 4 | GND | — | Земля |
| 5 | D13 | P102 | SPI RSPCKA (SCK), CAN RX (CRX0), АЦП AN020 / ADTRG0, компаратор CMPIN1, GTIOC2B; светодиод LED_BUILTIN |
| 6 | D12 | P410 | SPI CIPOA, IRQ5, GTIOC6B |
| 7 | ~D11 | P411 | SPI COPIA, IRQ4, GTIOC6A |
| 8 | ~D10 | P103 | SPI CSLA0 (CS), CAN TX (CTX0), АЦП AN019, компаратор CMPREF1, GTIOC2A |
| 9 | ~D9 | P303 | ШИМ, GTIOC7B |
| 10 | D8 | P304 | IRQ9, GTIOC7A |
| 11 | D7 | P112 | GTIOC3B |
| 12 | ~D6 | P111 | ШИМ, IRQ4, GTIOC3A |
| 13 | ~D5 | P107 | ШИМ, GTIOC0A |
| 14 | D4 | P106 | GTIOC0B |
| 15 | ~D3 | P105 | IRQ0, ШИМ, GTIOC1A |
| 16 | D2 | P104 | IRQ1, GTIOC1B |
| 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 от стабилизатора платы |
| 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+, IRQ6 |
| 11 | A2 (D16) | P001 | АЦП AN001, ОУ AMP0−, 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 |
Qwiic (I²C, 3,3 В)
| Контакт | Обозначение | Порт MCU / цепь |
|---|---|---|
| 1 | GND | Земля |
| 2 | +3,3 В | Питание Qwiic-устройств (выход) |
| 3 | SDA | P401 (IIC0_SDA) |
| 4 | SCL | P400 (IIC0_SCL) |
ICSP (6 контактов)
| Контакт | Обозначение | Порт MCU / цепь |
|---|---|---|
| 1 | CIPO | P410 |
| 2 | +5V | Питание 5 В |
| 3 | SCK | P102 |
| 4 | COPI | P411 |
| 5 | RESET | Сброс |
| 6 | GND | Земля |
Разъём ESP (6 контактов, 3,3 В)
| Контакт | Обозначение | Назначение |
|---|---|---|
| 1 | GPIO42 | MTMS, отладка |
| 2 | GPIO41 | MTDI, отладка |
| 3 | GPIO43 | UART TXD0 |
| 4 | GPIO0 | DOWNLOAD (режим загрузки) |
| 5 | GPIO44 | UART RXD0 |
| 6 | GND | Земля |
JOFF — управление питанием
| Обозначение | Назначение |
|---|---|
| OFF | Управление питанием платы |
| GND | Земля |
| VRTC | Вход резервного питания часов реального времени (RTC) |
Возможности и особенности
- Wi-Fi и Bluetooth LE на плате формата UNO без внешних модулей.
- Светодиодная матрица 12 × 8 для графики, анимации и индикации без внешнего дисплея.
- Две шины I²C: основная и Qwiic для подключения датчиков и модулей Modulino.
- ЦАП, операционный усилитель и CAN в составе RA4M1.
- USB-C с USB-мостом, виртуальным COM-портом и поддержкой HID через RA4M1.
- Часы реального времени с отдельным входом резервного питания VRTC.
- Широкий диапазон входного питания 6–24 В через VIN.
Для чего подходит Arduino Uno R4 WiFi
- IoT-проекты: передача данных датчиков по Wi-Fi, облачный мониторинг и удалённое управление.
- Умный дом: управление простыми устройствами и создание панелей индикации.
- Устройства с индикацией: показания датчиков, часы, анимация и бегущий текст на встроенной матрице.
- Обучение программированию и электронике на привычной платформе UNO.
- Прототипы с датчиками Qwiic и Modulino с подключением без пайки.
- Проекты с CAN при использовании внешнего трансивера.
Преимущества
- Беспроводная связь и светодиодная матрица на плате формата UNO.
- Значительно больше памяти, чем у Uno Rev3; АЦП с разрешением до 14 бит и ЦАП на 12 бит.
- Разъём Qwiic и вторая шина I²C.
- Форм-фактор UNO и логические уровни 5 В для GPIO RA4M1.
- Диапазон питания VIN 6–24 В и разъём USB-C.
Ограничения
- Максимальный ток одного вывода — 8 мА: для более мощной нагрузки используйте транзистор или драйвер.
- Радиомодуль работает на 3,3 В; на разъёмы ESP и Qwiic нельзя подавать сигналы 5 В.
- Поддерживается только Wi-Fi 4 в диапазоне 2,4 ГГц; диапазон 5 ГГц отсутствует.
- Для CAN нужен внешний трансивер; соответствующие сигналы занимают D10 и D13.
- По умолчанию USB-C подключён к ESP32-S3, который служит USB-мостом для RA4M1.
- Программная совместимость с библиотеками для AVR не гарантируется.
- Стоимость выше, чем у Uno R4 Minima.
Arduino Uno R4 WiFi и похожие платы
| Характеристика | Uno R4 WiFi | Uno R4 Minima | Uno Rev3 |
|---|---|---|---|
| Микроконтроллер | Renesas RA4M1 + ESP32-S3 | Renesas RA4M1 | ATmega328P |
| Тактовая частота | 48 МГц (RA4M1), до 240 МГц (ESP32-S3) | 48 МГц | 16 МГц |
| Flash / SRAM основного MCU | 256 КБ / 32 КБ | 256 КБ / 32 КБ | 32 КБ / 2 КБ |
| Wi-Fi / Bluetooth | Wi-Fi 4 / Bluetooth 5 LE | нет | нет |
| Светодиодная матрица | 12 × 8 | нет | нет |
| Qwiic | есть | нет | нет |
| CAN | D10, D13 | D4, D5 | нет |
| Максимальный ток вывода | 8 мА | 8 мА | 40 мА (абсолютный максимум; рекомендуется меньше) |
| USB | USB-C, по умолчанию через ESP32-S3 | USB-C (native USB) | USB-B (через ATmega16U2) |
| Размеры | 68,58 × 53,34 мм | 68,58 × 53,34 мм | 68,6 × 53,4 мм |
Для проектов без беспроводной связи проще и дешевле выбрать R4 Minima. Если нужны Wi-Fi, Bluetooth и светодиодная матрица, подойдёт R4 WiFi.
Заключение
Arduino Uno R4 WiFi — версия Uno R4 с Wi-Fi и Bluetooth LE на ESP32-S3, светодиодной матрицей 12 × 8 и разъёмом Qwiic. Микроконтроллер RA4M1 обеспечивает больше памяти и производительности по сравнению с Uno Rev3 при сохранении форм-фактора UNO и логических уровней 5 В.
Перед покупкой учитывайте ограничение тока одного вывода (8 мА), логические уровни 3,3 В на разъёмах ESP и Qwiic, а также необходимость внешнего трансивера для CAN. По умолчанию USB-C используется через ESP32-S3 как USB-мост для основного микроконтроллера.
Материалы
- Документация Arduino — Uno R4 WiFi — описание платы, схемы и файлы САПР.
- Datasheet Arduino Uno R4 WiFi (PDF) — характеристики, питание и таблицы выводов.
- Полная распиновка Uno R4 WiFi (PDF) — схема выводов с альтернативными функциями.
- Магазин Arduino — Uno R4 WiFi — страница продукта.
- Страница микроконтроллера Renesas RA4M1 — технические характеристики и документация.
Иллюстрации (фотография, схемы распиновки, структурная схема, схема питания, разъём ESP, схема матрицы и чертёж) взяты из документации Arduino к Uno R4 WiFi (SKU ABX00087). Схемы распиновки распространяются по лицензии CC BY-SA 4.0; права на остальные материалы принадлежат Arduino.
