Arduino硬件原理3：核心单片机

Arduino硬件原理3：核心单片机

欢迎大家

大家好，我是费老师，
做过STEAM教育，嵌入式硬件开发，方案交付经理，
是一位爱分享的十年老创客。

目前正在全职减肥调养身体，抽空分享自己正在学习的以及喜欢的技术。

这节课，咱们继续《Arduino硬件原理》，

这节课的核心目标是：

1. 分析学习328P单片机的最小系统，了解其各部分工作原理；
2. 在英文单片机文档中，找到硬件相关的内容，并能消化吸收关键点。

高清原理图

通过网盘分享的文件：Arduino UNO R3原理图-2-核心单片机.pdf
链接: https://pan.baidu.com/s/1fTFFHTsp8281xYOvIb9pMw?pwd=753d

哪个是核心单片机？

第一节课的时候，咱们一起从宏观整体观察过UNO的原理图，回顾一下，哪部分是核心单片机呢？

是MEGA328P这个单片机，

虽然左边的MEGA16U2单片机，看上去更大，而且有更丰富的外围电路，但它常规的作用，只是一个USB转UART接口，属于调试模块

单片机是什么？能做什么？怎么开展学习？

概念应该不用多说，单片机是Arduino UNO中最核心的器件，

可以简单粗暴地理解成“单芯片计算机”（包含了计算机概念上的各部分：CPU，内存，硬盘，输入输出设备，等）

能做的事可太多了：

1. 小到时钟，手表，门铃，玩具；
2. 大到汽车，机器人，飞机人造卫星；
3. 可以说，但凡是需要某个装置：
   1. 自己产生动作（声、光、动作等），
   2. 或者需要它能感知世界（听、看、触等），

都是需要单片机，作为“控制器”存在的。

开展​学习的路径​：

1. 讲单片机的优秀老师太多太多了，我入门时候听的看的老师有：郭天祥老师，杜洋老师，小宋老师等，他们的课程作为培养优秀嵌入式工程师来说，是非常体系化非常优秀的；
2. 我希望我的课程能达到的效果，或者学习路径，不是以培养工程师为目标。而是希望能面向青少年同学或者年轻创客，以我的分享，达到“以学促学”的目的，咱们不追求把单片机吃得多么透彻，而是应用明白，能做东西；
3. 也许单片机或Arduino，只是你的学习历程中的一个小阶段，这个阶段能带来的是，我们可以自己动手实现想法创意的成就感，以及一种​结构化梳理知识的经历和能力​。
4. 我推荐的学习路径：Arduino（硬件及软件）→小项目→物联网→小项目→··· ···
5. 至于单片机本身或者各种编程语言，这些都是工具，碰见相应的需求，就学习一下。

从最小系统开始

单片机最小系统模块：围绕核心的单片机，能让单片机运行起来的最小组成部分，也是接触一个新单片机最基本的学习任务

1. 单片机本身：UNO里最核心的器件，可以简单粗暴地理解成“单芯片计算机”（包含了计算机概念上的各部分：CPU，内存，硬盘，输入输出设备，等）；
2. 时钟电路：有的单片机内置，有的需要单独做，作用都是给单片机提供了一个稳定准确可靠的“心跳”；
3. 复位电路：开机的时候让单片机回到初始状态，或者运行过程中让程序重新开始。

寻找资料：

1. 通过立创商城寻找：https://item.szlcsc.com/34869.html
2. 通过单片机的品牌官网寻找：https://www.microchip.com/en-us/product/ATmega328P

有非常多的芯片公司设计和生产单片机：
国产的：国芯/宏晶/STC，沁恒/WCH，兆易创新/GD，乐鑫/ESP，等等；
国外的：意法半导体/ST，英飞凌/Infineon，微芯/Microchip，德州仪器/TI，等等。

建议在未来的选型中，优先选择国产单片机：
《Arduino硬件原理》系列课程，选择的学习方向，是从Arduino入门，它的资料齐全，生态成熟，适合入门，但毕竟是国外芯，别说是用于生产，就是自己玩，也存在被迫接受涨价的风险；
分享我经历过的卡脖子问题，我之前就职的企业，虽然不大，但是有自主设计和生产的产品，21年，美帝突然对我国实行严格的芯片管控，我们正在研发的和生产的产品都受到很大影响，当时使用的是ST单片机，备选GD单片机，即便是有国产备选方案，作为一家规模不大的小公司，仍然被卡脖子了，芯片价格一度上涨了将近10倍。
回过头来看，国产单片机，无论是服务还是技术水平，已经与国外老牌相当，甚至有所超越，但是价格却能低很多，为什么不选择国产单片机呢？

【需要注意：两个地方的资料都需要看看，不需要有压力，因为我们目前重点看的只有硬件相关的资料】

数据手册中大量篇幅是关于AVR单片机的软件操作，而我们的软件，并非直接操作AVR单片机，是在Arduino中编写程序，二者的难度还是有很大差距的

AVR是Atmel公司（现属Microchip）研发的8位RISC架构单片机系列，是一种应用很广泛的单片机类型，市面上还有很多各种类型的单片机：
8051，历史悠久，老牌类型，但是入门简单，费老师入门的时候就是从STC系列的51单片机开始的；
PIC，Microchip旗下的代表，突出特点是抗干扰特性；
ARM，与手机芯片中常说的ARM架构是一码事，可以说应用最广泛，即有低功耗低成本的，也有高性能的；
RISC-V，开源指令集，新兴的架构，被视作唯一能与ARM抗衡的架构（因为美帝总想搞单边霸权主义，即便是老牌开源如Linux，也已经不是真正的开源精神开创者了）；
另外还有很多专有架构的单片机类型，有机会再分享。

通过网盘分享的文件：微芯官网 ATmega48A-PA-88A-PA-168A-PA-328-P-DS-DS40002061B.pdf等2个文件
链接: https://pan.baidu.com/s/19ibfQsfqJ_r21-DnDohARQ?pwd=zg8y

3. 在手册中寻找关键内容，三部分，它们通常都是手册的开篇部分
   1. 描述：快速获取单片机的特性和关键参数
   2. 引脚图：单片机的封装以及引脚排布等关键硬件信息
   3. 引脚说明：每个引脚的定义和作用，以及应该给什么样的外围电路

为什么要看两个手册，只看其中一个可以吗？
可以，但有时候，我们需要多方验证资料的可靠性，对于MEGA328P这种推广良好的产品，手册出问题的概率很低。但是有一些传感器或者特殊器件，不一定有这个条件，可能早期发布的说明书版本，存在一些问题，后续版本虽然有修订，但不一定能做到所有渠道都即时更新了，所以多找几个渠道看看说明书，是一个能减少弯路的好习惯。毕竟这是在做硬件，万一有错误，硬件的成本是无法避免被浪费的。

4. 扔给AI，帮我们翻译总结
   

   1. 工作电压：1.8V - 5.5V​
   2. 封装：PDIP28，双列直插封装，UNO上使用的就是
      
   3. VCC：数字电源正极。必须就近连接0.1μF的去耦电容到GND，以滤除电源噪声
   4. GND：电源地。所有GND引脚应最终连接到电源地
   5. RESET：这个引脚上有个横线，表示是低电平有效，持续一定时间会触发单片机复位。通常外接一个10kΩ的上拉电阻到VCC，防止意外复位。可以连接一个按钮到GND用于手动复位。
   6. AVCC：ADC的模拟电源引脚。​即使不使用ADC，也必须连接到VCC。为获得最佳ADC性能，建议通过一个LC或RC低通滤波器连接到VCC，以分离数字噪声
   7. AREF：ADC的外部参考电压输入引脚。如果使用内部参考电压，此引脚可接一个去耦电容（如0.1μF）到GND。如果使用更精确的外部基准电压源，则将其连接至此引脚
   8. XTAL1/XTAL2​：连接外部晶振，是时钟电路的重要组成部分
   9. PD0(RXD), PD1(TXD)：构成USART（串口），R是接收，T是发送
   10. SPI接口：可用于烧录Arduino的引导固件（BootLoader）

把最小系统画出来

为了方便按各个模块进行分析和学习，我将UNO的原理图在嘉立创EDA上抄了一遍。
通过网盘分享的文件：Arduino UNO R3原理图-2-核心单片机.pdf
链接: https://pan.baidu.com/s/1fTFFHTsp8281xYOvIb9pMw?pwd=753d

Arduino中的各个接口，如D0、D1、A0、A1等等，其实就是将单片机上的各个接口进行了重新的排列

1. ​通用输入输出​：单片机的基本工作原理，就是读取或控制引脚的高低电平（0或1）
2. ​ADC​：将模拟量转变成数字量，比如在5V单片机系统中，要读取一个电压，它不是0V，也不是5V，而是在这之间平顺变化的电压，此时它是3V，那么我们可以用0-255（2^8）来表示0-5V，此时的3V，在ADC的读取下，就变成了数字量154
3. ​PWM​：【回忆开关电源的概念】引脚既然可以读取一个既不是0也不是1的模拟量，那引脚是不是也可以输出一个既不是0也不是1的“模拟量”呢？保持开关一次的总时间不变，通过控制“开关”的时间比例，来实现接水速度的变化，这就是PWM实现的引脚输出不同的电压或电流
4. ​特殊功能​：
   1. 各种硬件通讯接口，如I²C，SPI，UART
   2. ADC的外部参考电压引脚AREF
   3. 中断：生活中的例子，我正在洗衣服，突然手机响了，我要放下正在洗的衣服，接电话，聊完之后，我又回来继续洗衣服，这个“手机响了”就是触发了我的中断机制，处理完中断任务后，我又回到主任务继续干
   4. 定时器：字面意思，碰见了详细讲

【挨个部分讲解，配合元器件的内容讲解】

最小系统用到的元器件

上节课我们开始学习了元器件，其实这是两个名词：

1. ​元件​：基础元件就五类（电阻、电感、电容、二极管、开关管）
2. ​器件​：器件就非常多了，只要不是基础元件的都可以称为器件（连接件，芯片）

电感

电感的种类非常多（贴片，插针，功率，变压器，互感器，磁珠 等），我们还是遇见一个学习一个
学名：贴片电感，0805 10uH 15mA 10%

关键参数 ：
电感值：10uH

H，亨，亨利

精度：±10%

额定电流：15mA

这是关键参数，决定了这个电感能通过的电流大小

封装：0805

图片：

资料：https://item.szlcsc.com/1419747.html

拓展：

1. 最简单的电感，就是一根导线，绕成一个弹簧，所以它的电气符号就是类似弹簧的样子（注意区别电阻的电气符号，弹簧是柔软有弹性的）
2. 电感也是我们中学屋里就接触过的基础元件，他的作用是 抗拒电流的变化，隔交通直
3. 可以把电感想象成一个弹簧
   1. 通电瞬间/交流电：在压缩弹簧，要往上放重物，这是费力的
   2. 电流不变：弹簧已经被重物压上了，不需要再费我的力气了
   3. 断电瞬间/交流电：要释放弹簧，要往下卸重物，又要费力气了
4. 这种特性，非常适合配合滤波电容，做进一步的滤波，让电流更加平直纯净
5. 电容是让电压平直，靠的是电荷电场储能
6. 电感是让电流平稳，靠的是磁场储能

晶振

学名：CSTCE16M0V53-R0，16MHz ±0.5% 内置负载电容:15pF

关键参数 ：
频率：16MHz

Hz，赫兹
描述的是规律变化的速度，比如一秒钟内开关灯1次，这就是1Hz

内置负载电容：15pF

无源晶振，有的集成化做得好，直接集成了负载电容，可以节省电路

图片：

资料：https://item.szlcsc.com/33143.html

拓展：

1. 晶振是各种电子设备的心脏，作用是提供一个稳定精确的节奏，让设备可以按节奏工作
2. 它的内部核心是石英晶体，原理是压电效应，给晶体加电会震动，震动有会影响电，而震动的频率与石英晶体的大小尺寸有关
3. 所以电子表又叫石英表，内部有晶振为核心的电路
4. 通常需要晶振的芯片（单片机及各种有计算功能的芯片），有两个专门接晶振的引脚XTAL1和XTAL2
5. 晶振通常还须要配两个负载电容，共同形成谐振回路（目前我们还不需要理解什么是谐振，可以理解成它能让震动更精确稳定），负载电容的容值通常都很小，pF级的，通常晶振的手册中会说明这个参数
6. 有的电路设计还会配一个反馈电阻或偏置电阻，也是谐振电路中的一部分，如果是必要的，手册里会给出参考电路的，咱们直接照抄（或者在个别不理解的电路，还有一种调试方法，就是先设计预留上这个元件，实物调试的时候，实测是否需要焊接这个器件）

按键

学名：贴片按键

关键参数 ：
电路结构：单刀单掷

【边画边讲】
几刀几掷，是开关结构的基础，对日后学习理解继电器有用
单刀单掷是最基础，多的有四刀双掷，还有一些旋钮有单刀十掷
常开常闭触点，分别对应电路的开路（断开）和闭路（闭合）

触点电流：50mA

额定电压：12V

遇见电流电压参数，就要注意负载不能超出

封装：SMD 5P 6.2*6.2*2.5mm

注意不要与其他元器件或外壳干涉
有的微动开关，有更高的按键帽，或者可以安装按键帽，以能让用户在外壳外部就能徒手按到，有些按键需要用笔或别的东西戳，是一些不能随意触碰的按键（如路由器的重置）

图片：

资料：https://item.szlcsc.com/2790288.html

拓展：

1. 按键结构除了几刀几掷，还有自复位自锁互锁之分：
   1. 自复位：按下闭合，松开断开，如微动开关
   2. 自锁：按下闭合，再次按下断开，如汽车双闪灯
   3. 互锁：按下A闭合同时断开B，按下B闭合同时断开A，如
2. 还有一些低成本按键实现方法：
3. 薄膜按键：一般按下去是没有声音的，如巧克力键盘（声音来自塑料按键与外壳），电视空调遥控器
4. 锅仔片按键：按下有声音但是很薄，如面板按键，质感硬的遥控器（射频遥控器）
   

排针

学名：排针 2x3P

关键参数 ：
封装：插件，P=2.54mm

有插件也有贴片的，有直针有弯针

为什么间距是2.54mm这个数字？
起源于英制单位：mil，密尔，毫英寸
1mils = 0.0254mm
10mils = 0.254mm
100mils= 2.54mm
也是PCB设计中常用的尺寸单位，通常设计PCB时要注意以下限制：
最小过孔 0.3mm = 12mils
最细线宽 0.15mm= 6mils
最小线-线间距 0.15mm= 6mils

结构：2x3P

有单排也有双排

图片：

资料：https://item.szlcsc.com/2784471.html

拓展：

芯片座

学名：DIP28芯片座

关键参数 ：
封装：DIP28

只要与目标芯片的封装一致就行

方孔

另外还有圆孔的，但一般用于比较古早的芯片，常用的还是方孔芯片座

图片：

资料：https://item.szlcsc.com/6028058.html

拓展：
芯片座的最大作用，就是便于更换芯片，UNO本身定位就是调试测试快速搭建原型，这种场景下，难免会出现事故失误，造成芯片损坏，使用插针的芯片配合芯片座，可以大大提升维修效率

回看电路原理图

前面我们已经学习了电路中的各种元器件，

现在回看核心单片机模块的工作原理，是不是就清晰了很多呢

结尾

这节课的核心目标，我们达成了没有？

1. 分析学习328P单片机的最小系统，了解其各部分工作原理；
2. 在英文单片机文档中，找到硬件相关的内容，并能消化吸收关键点。

任何技艺，要想达到登峰造极的境界，唯有终身学习一条路！

这次的课程是V0.1，难免可能有错误，请大家友善指出，

我学习后，会尽快修订错误，并上线V1.0。