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I. Matériel
1. Description de la carte

a.Alimentation secteur

Il est possible d’alimenter l’Arduino soit par le port USB ou par le connecteur externe. Dans ce cas, un régulateur de tension 5 V est utilisé.

 

Il sert à stabiliser et à réguler la tension à 5 volts la tension d’entrée qui peut varier entre 7 et 12 volts. Il est volumineux par rapport aux autres composants, notamment CMS (composant monté en surface), ce qui lui permet de jouer le rôle de dissipateur de chaleur.

b.Entrée analogiques (A0 à A6)

Ces broches permettent de mesurer une tension utilisable par la suite dans les programmes. L’impédance d’entrée est très grande ainsi le courant d’entrée est très faible.

c.Entrées/Sorties numériques (D0 à D13)

Si vous les utilisez en sortie, il est possible d’envoyer un ‘1’ dans ce cas, la tension est de 5V, dans le cas d’un ‘0’, la tension sera 0V

Toutes les broches numériques peuvent supporter 40 mA sur 5 V : ce qui est suffisant pour alimenter une diode mais pas pour un moteur électrique.

À noter que les deux premières D0 et D1 sont réservées à la communication avec l’USB RX/TX.

d.Le terminal serie : partie matérielle (hardware) :

Arduino, comme la plupart des microcontrôleurs actuels, possède un UART (Universally Asynchronous Receiver/Rransmitter) qui est utilisé pour émettre et recevoir des données à travers une liaison série aux niveaux TTL (Transistor-Transistor Logic)  du nom de l’une des premières familles de circuits logiques

Électriquement et pour faire simple, en TTL un zéro est représenté par une tension de 0 volt (ou plutôt <0,5 volt) et un 1 par 5 volts (compris entre 2,4 et 5 V).

Par contre, à la sortie du PC, c’est le protocole série RS232 qui est utilisé. Un « 1 » est à niveau de tension négatif (-12 V) et un « 0 », +12V.  Il est donc nécessaire de convertir le TTL en RS232 et vice-versa.

Un autre problème est que les ordinateurs actuels ne possèdent plus de connecteur RS232 mais un USB.

Donc, les cartes arduino possèdent un composant qui permet la conversion micro-contrôleur <-> usb : le FDTI pour les anciennes cartes ou atmega8u2 pour les nouvelles.

La liaison est de type série et plus précisément RS232. Les toutes premières versions proposaient un connecteur série et non pas un USB.

 

e.Alimentation et régulateurs

Il existe deux types de régulateurs sur la carte : un avec une sortie à 5 volts (MC33269) et une autre à 3.3 volts (LP2985-33DBVR).

Le régulateur 5 V (MC33269) pour fournir 5 volts doit être alimenté à au moins 7 volts.

La carte peut être alimentée :

soit par le port USB (N°8 sur la carte réelle – X1 sur le schéma électrique)
soit directement en amenant 5 volts sur une des broches 5V,
soit par Vin
soit par le connecteur jack (femelle 2.1 mm)

Dans les deux derniers cas (VIN et connecteur jack) la tension est régulée à 5 volts par MC33269.

Quant au composant LP2985-33DBVR est un régulateur 3.3 volts et comme son nom l’indique délivre une tension de sortie de 3.3 volts à partir des entrées USB, Vin et connecteur jack.

Connecteurs sur le jack

Horloge, quartz

Un quartz est une horloge permettant de cadencer le microcontrôleur.

Il en existe deux :

Celui du microcontrôleur	Celui du convertisseur USB/TTL (un autre microcontrôleur)

Le microcontrôleur est cadencé par un résonateur externe.

Un résonateur est moins précis qu’un quartz (100 à 200 fois moins) mais c’est moins cher et la précision reste suffisante pour l’usage des cartes Arduino.

Par contre pour l’UART, il faut absolument de la précision à cause de la gestion de l’USB, c’est la raison pour laquelle un quartz est utilisé.

Structure interne

Schéma simplifié

N’y figure pas : le composant « RS232/USB » ATMEGA8U2-MU, le régulateur de tension « 12 volts »(MC33269), régulateur « 3.3 volts » (LP2985-33DBVR),

Quelques observations à propos du schéma :

 

A noter que la valeur de la résistance sur la led (CMS) verte ainsi que celle sur la sortie 13 est de 500 Ω

Brochage

On trouve souvent cette représentation :

1. représente les broches du microcontrôleur
2. correspond aux entrées/sorties numériques de l’Arduino
3. les broches analogiques
4. l’alimentation au sens large
5. Rx/Tx, transmission série déportée sur le port usb, mais utilisable
   également directement
6. les protocoles SPI et I2C
7. signal périodique et carré dont on fera varier le rapport cyclique (temps durant laquel le signal reste à l’état haut)
8. les signaux des interruptions

La carte complète

Cliquez pour agrandir

 

Le BOM (bill of material) – nomenclature-

Voici la liste complète des composants de la carte Arduino rev 3 :

Value	Description	Pos. schéma	Valeur	Description
AD	Les entrées/sorties analogiques	5	6x1F-H8.5	PIN HEADER
C1			100n	CAPACITOR,
C2			100n	CAPACITOR,
C3			1u	CAPACITOR,
C4			100n	CAPACITOR,
C5			100n	CAPACITOR,
C6			100n	CAPACITOR,
C7			100n	CAPACITOR,
C8			1u	CAPACITOR,
C9			22p	CAPACITOR,
C11			22p	CAPACITOR,
D1			M7	DIODE
D2			CD1206-S01575	DIODE
D3			CD1206-S01575	DIODE
F1	Fusible 500 mA maxi sur l’entrée USB	9	MF-MSMF050-2 500mA	INDUCTOR,
FD1			FIDUCIALMOUNT
FD2			FIDUCIALMOUNT
FD3			FIDUCIALMOUNT
GROUND				SMD solder JUMPER
ICSP	Connecteur de programmation série ICSP	12	3×2 M	PIN HEADER
ICSP1		12	3×2 M	PIN HEADER
IOH	Les entrées/sorties numériques de 8 à 13 + GND +AREF + SCL et SDA	7	10x1F-H8.5	PIN HEADER
IOL	Les entrées/sorties numériques de 0 à 7	6	8x1F-H8.5	PIN HEADER
JP2			2×2 M – NM	PIN HEADER
L	La led sur la sortie N°13 (celle du blink	2	YELLOW	LED
L1			BLM21	SMD EMI Suppression Ferrite Beads
ON	La led verte témoin d’alimentation	1	GREEN	LED
PC1	« Gros »condensateur de droite	15a	47u	POLARIZED CAPACITOR,
PC2	« Gros » condensateur de gauche	15b	47u	POLARIZED CAPACITOR,
POWER			8x1F-H8.5	PIN HEADER
R1			1M	RESISTOR,
R2			1M	RESISTOR,
RESET	Le bouton Reset	3	TS42031-160R-TR-7260	TS42
RESET-EN				SMD solder JUMPER
RN1			10K	Array Chip Resistor
RN2			1K	Array Chip Resistor
RN3			22R	Array Chip Resistor
RN4			1K	Array Chip Resistor
RX			YELLOW	LED
T1			FDN340P	MOS FET
TX			YELLOW	LED
U$1			DISCLAIMER
U1	Régulateur 5 Volt MC33269	10	NCP1117ST50T3G	Adjustable Output Low Dropout Voltage Regulator 800 mA
U2	régulateur « 3.3 volts »	15	LP2985-33DBVR	ULTRALOW-POWER 50-mA LOW-DROPOUT LINEAR REGULATORS
U3	Le quartz d’horloge de l’UART	13	ATMEGA16U2-MU(R)
U5			LMV358IDGKR	Dual General Purpose, Low Voltage, Rail-to-Rail Output Operational Amplifiers
X1	Alimentation externe	11	POWERSUPPLY_DC21MMX
X2	Le connecteur USB	8	USB-B_TH	BERG USB connector
Y1	Le quartz (horloge) du convertisseur USB/TTL	4	16MHz	CRYSTAL
Y2 (n’est pas identifié, entre XTAL2 et XTAL1)	Le quartz (horloge) du microcontrôleur	16	CSTCE16M0V53-R0 16MHZ
Z1			CG0603MLC-05E	VARISTOR
Z2			CG0603MLC-05E	VARISTOR
ZU4	Le microcontrôleur	>14	ATMEGA328P-PU	MICROCONTROLLER

Microcontrôleur ATMEL ATMega328
Datasheet

Caractéristiques

Le microcontrôleur utilisé sur la carte Arduino UNO est un microcontrôleur ATMega328. C’est un microcontrôleur ATMEL de la famille AVR 8 bits au format DIP 28. Le format DIP (Dual Inline Package), est un boîtier de circuit intégré, 28 signifie 28 broches.

Les principales caractéristiques sont :

• FLASH = mémoire programme de 32Ko, sert à stocker le programme même après avoir débranché l’Arduino
• SRAM = données (volatiles) 2Ko, sert à stocker les variables utilisées par le programme
• EEPROM = données (non volatiles) 1Ko, sert à enregistrer des informations qui ne doivent pas être perdues lorsque la carte n’est plus alimentée.
• Digital I/O (entrées-sorties Tout Ou Rien) =3 ports PortB, PortC, PortD (soit 23 broches en tout I/O)
• Timers/Counters : Timer0 et Timer2 (comptage 8 bits), Timer1 (comptage 16bits), Chaque timer peut être utilisé pour générer deux signaux PWM. (6 broches OCxA/OCxB)
• Plusieurs broches multi-fonctions : certaines broches peuvent avoir plusieurs fonctions différentes choisies par programmation
• PWM = 6 broches OC0A(PD6), OC0B(PD5), 0C1A(PB1), OC1B(PB3), OC2A(PB3), OC2B(PD3)
• Analog to Digital Converter (résolution 10bits) = 6 entrées multiplexées ADC0(PC0) à ADC5(PC5)
• Gestion bus I2C (TWI Two Wire Interface) = le bus est exploité via les broches SDA(PC5)/SCL(PC4).
• Port série (USART) = émission/réception série via les broches TXD(PD1)/RXD(PD0)
• Comparateur Analogique = broches AIN0(PD6) et AIN1 (PD7) peut déclencher interruption
• Watchdog Timer programmable.
• Gestion d’interruptions (24 sources possibles (cf interrupt vectors)) : en résumé

– Interruptions liées aux entrées INT0 (PD2) et INT1 (PD3)
– Interruptions sur changement d’état des broches PCINT0 à PCINT23
– Interruptions liées aux Timers 0, 1 et 2 (plusieurs causes configurables)
– Interruption liée au comparateur analogique
– Interruption de fin de conversion ADC
– Interruptions du port série USART
– Interruption du bus TWI (I2C)

 

Le format est DIP 28 (Dual Inline Package) qui signifie qu’il a 28 broches. Il existe une version CMS (Composant Monté en Surface) TQFP de 32 broches.

 

 

Brochage du microcontrôleur

Schématiquement la correspondance entre les broches de l’ATMEL et les fonctions de l’Arduino est :

Structure interne du microprocesseur

Le microcontrôleur est constitué principalement d’un microprocesseur (CPU) de la marque AVR.

Le bus birectionnel, est de largueur 8 bits (puisque c’est un processeur 8 bits).

Ouvre l’AVR on trouve :

• une EEPROM
• une flash qui se trouve plus proche (rapidité)
• des timers
• les ports A, B, D et D

La diagramme de block du processeur

On descend encore d’un niveau, le dernier :

Qui est composé de :

• un compteur de pile (PC)
• de registres
• d’un ALU
• de mémoire flash et ram
• d’un chien de garde

Synthèse