当Arduino遇上树莓派:Nano RP2040连接板

已经很庞大的 Arduino 板系列增加了一个新产品，即Arduino Nano RP2040 Connect，它集成了 Raspberry Pi Foundation 开发的 RP2040 微控制器与 u-blox NINA-W102 Wi-Fi 和蓝牙无线电模块，以及一个丰富的先进传感器甚至能够支持人工智能算法。事实上，该板包括一个支持语音激活功能的数字麦克风、一个六轴惯性运动传感器 (IMU)、一个小型 RGB LED 和广泛可用的闪存 (16 MB)，甚至能够满足最苛刻的要求应用程序。

新板从 Raspberry Pi RP2040 继承了对 MicroPython 和 C/C++ 语言的编程支持，两者均基于为 Raspberry Pi Pico 板开发的 SDK。与 Arduino 系列中的所有其他板一样，最新添加的产品支持本地编程环境，例如著名的 Arduino IDE（现在为 2.0 版）、Arduino CLI、IoT Cloud 和 Web 编辑器。后者允许直接从网络浏览器编程和控制 Nano RP2040 Connect 的操作。因此，可以通过免费的 Arduino IoT Remote 智能手机应用程序通过即时远程控制无线上传草图。

选择 RP2040 微控制器是因为它代表了 Raspberry 和 Arduino 世界之间的“特质 d'union”，是所有那些不需要“完整”Raspberry Pi 的复杂性和性能的应用的理想解决方案，同时受益以极具竞争力的成本提供高级功能。

另一个值得注意的特性是该板属于 Arduino Nano Mbed OS 系列，这是一组具有共同小尺寸（“Nano”封装，尺寸仅为 18 × 43 mm）的板，并支持基于 ARM 的物联网应用Mbed OS 操作系统。目前，该系列包括三块板：Nano 33 BLE、Nano 33 BLE Sense 和 Nano RP2040 Connect（Nano 33 IoT 不属于其中，因为它不支持 Mbed OS 系统）。图 1 显示了 Arduino Nano RP2040 Connect 板的四分之三视图，此处为未安装排针的版本。

图 1：Arduino Nano RP2040 连接

框图

电路板框图如图 2 所示。核心由 RP2040 微控制器表示，能够通过经典的 USB 连接与主机开发和调试环境进行通信，并通过四通道 SPI 串行高速存储器与 16-MB 外部闪存进行通信。速度接口。3.3V 电源由 MP2322 稳压器提供，输入源可从 USB 端口 (V _USB ) 或外部电源 (V _IN ) 中选择。NINA W102 Wi-Fi/蓝牙模块通过 I ^{2连接到 micro}C、SPI、UART接口，连接RGB LED。至于其他传感器，MEMS麦克风通过脉冲密度调制（PDM）数字音频接口连接到micro，而六轴运动传感器和认证模块通过I ² C总线连接。以 12 MHz 运行的外部 MEMS 振荡器提供时钟脉冲。

图 2：电路板框图

组件

该板的主要组件在图 3 中突出显示。首先，我们有 RP2040 芯片，这是一个基于 ARM Cortex M0+ 的 32 位双核微控制器，工作频率为 133 MHz，并配有一个集成的 264-KB SRAM 存储器。该 MCU 的卓越性能和高效率使其能够支持使用 TinyML、TensorFlow Lite 或 Edge Impulse 开发的机器学习算法。除了对 MicroPython 的全面支持（从 2021 年 7 月开始提供）外，该板还为机器视觉项目提供免费的 OpenMV 许可证。RP2040 微控制器提供的功能包括：

• 直接内存访问控制器
• USB 1.1 控制器和 PHY，具有主机和设备支持
• 8 个可编程 IO 状态机
• 用于扩展外设支持的可编程 IO
• 具有内部温度传感器的四通道 ADC，0.5-MS/s，12 位转换
• SWD调试
• 两个片上 PLL，用于生成 USB 和内核时钟
• 多种低功耗模式支持
• USB 1.1 主机/设备
• 内部稳压器提供核心电压
• 先进的高性能总线/先进的外围总线

图 3：电路板的主要组成部分

在 MCU 之后，此卡的第二个优势无疑是连接性，它通过 u-blox NINA W102 无线电模块实现，这是一种廉价且易于适应的设备。该模块还增加了四个模拟 GPIO（RP2040 只有四个模拟引脚），使总数达到八个，与其他 Arduino Nano 板一致。配备集成天线的无线电模块基于双核 Xtensa LX6 CPU，可以使用 SWD 接口和位于板背面的特殊焊盘独立于 RP2040 进行编程。在实践中，NINA W102 模块使用与 ESP32 模块相同的 CPU，ESP32 模块是最受创客欢迎的硬件平台之一，还有 Arduino 和 Raspberry Pi。RGB LED 连接到无线电模块，可以使用为模块本身开发的相同库 (WiFiNINA) 驱动。物联网应用中使用的连接需要高度的安全性，以便在所有操作条件下保持传输数据的一致性，并防止来自外部的潜在攻击。为此，设计人员采用了功能强大的加密协处理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密协处理器的特点是功耗特别低，提供对安全启动的支持、对非对称签名的硬件支持、验证、密钥协商、对对称算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及网络关键管理支持。物联网应用中使用的连接需要高度的安全性，以便在所有操作条件下保持传输数据的一致性，并防止来自外部的潜在攻击。为此，设计人员采用了功能强大的加密协处理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密协处理器的特点是功耗特别低，提供对安全启动的支持、对非对称签名的硬件支持、验证、密钥协商、对对称算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及网络关键管理支持。物联网应用中使用的连接需要高度的安全性，以便在所有操作条件下保持传输数据的一致性，并防止来自外部的潜在攻击。为此，设计人员采用了功能强大的加密协处理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密协处理器的特点是功耗特别低，提供对安全启动的支持、对非对称签名的硬件支持、验证、密钥协商、对对称算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及网络关键管理支持。设计人员包括一个功能强大的加密协处理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密协处理器的特点是功耗特别低，提供对安全启动的支持、对非对称签名的硬件支持、验证、密钥协商、对对称算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及网络关键管理支持。设计人员包括一个功能强大的加密协处理器，即已在 Arduino MKR 系列板上使用的 Microchip ATECC608A。加密协处理器的特点是功耗特别低，提供对安全启动的支持、对非对称签名的硬件支持、验证、密钥协商、对对称算法（SHA-256 和 HMAC、AES-128）的硬件支持以及网络关键管理支持。

传感器设备包括 ST LSM6DSOX 六轴 IMU，它将 3D 加速度计和 3D 陀螺仪与专用机器学习核心相结合。该组件主要用于“永远在线”操作要求特别低功耗的移动市场，具有以下技术特性：

• 3D 陀螺仪，±2-/±4-/±8-/±16-g 满量程
• 3D 加速度计，±125-/±250-/±500-/±1,000-/±2,000-dps 满量程
• 先进的计步器、计步器和计步器
• 显着运动检测、倾斜检测
• 标准中断：自由落体、唤醒、6D/4D 定向、单击和双击
• 可编程有限状态机：加速度计、陀螺仪和外部传感器
• 机器学习核心
• 嵌入式温度传感器

该设备可以使用专用的 Arduino LSM6DSOX 库轻松编程。

另一个相关的传感器是全向数字麦克风，可用于声音激活、音频控制，甚至人工智能语音识别。MP34DT05 麦克风实时捕捉和分析声音，可用于为任何项目创建语音界面。ST MP34DT05-A 是一款超紧凑、低功耗、全向、数字 MEMS 麦克风，内置电容感应元件和 I2C 接口。能够检测声波的传感元件采用 MEMS 工艺制造，而 IC 接口采用 CMOS 工艺制造，可在外部以 PDM 格式提供数字信号。MP34DT05-A 是一款低失真数字麦克风，具有 64-dB 的信噪比和 –26-dBFS ±3-dB 的灵敏度。可以使用专用的 Arduino PDM 库对该设备进行编程。

关于可编程 I/O 引脚，该板提供 8 个模拟输入引脚和 22 个数字 I/O 引脚（其中 20 个可配置为 PWM 发生器或外部中断）。引脚 13 上还提供了一个内置用户 LED。图 4 显示了 Arduino Nano RP2040 连接板的完整引脚排列，该板也可提供预安装的插头引脚。引脚布局井井有条，所有模拟和电源引脚都在左侧接头上，数字引脚在右侧接头上。如图 2 所示，RP2040 MCU 支持 UART、SPI 和 I ² C 通信。

图 4：电路板引脚排列

关于应用，Arduino Nano RP2040 Connect 可适用于广泛的用例，包括：

• 边缘计算：TinyML 可用于异常检测、咳嗽检测、手势分析等。
• 可穿戴设备：减少的占用空间使机器学习算法能够部署在各种可穿戴设备上，包括运动追踪器和 VR 控制器。
• 语音助手：Arduino Nano RP2040 Connect 包含一个全向麦克风，可用作个人数字助手，在不同项目中实现语音控制。

审核编辑：汤梓红