Arduino & Embedded Systems#

Keywords: Embedded Systems, Microcontroller Programming, Arduino, C/C++

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ถ้าต้องการเรียนรู้ด้านระบบสมองกลฝังตัว (Embedded Systems) ซึ่งเป็นประเภทหนึ่งของระบบคอมพิวเตอร์ที่พบเห็นได้ในชีวิตประจำวัน และการเขียนโปรแกรมสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontrollers) ซึ่งเป็นองค์ประกอบหนึ่งที่สำคัญของระบบสมองกลฝังตัว ตัวเลือกแรกสำหรับผู้ที่เริ่มต้น คงจะเป็น Arduino แม้ว่าในปัจจุบัน ก็มีตัวเลือกอื่นอีกที่น่าสนใจ ยกตัวอย่างเช่น บอร์ด BBC Micro:bit และบอร์ด Raspberry Pi

 

▷ หลักการทำงานโดยทั่วไปของไมโครคอนโทรลเลอร์#

ไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นไอซีที่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์อยู่ภายใน ประกอบด้วยองค์ประกอบที่สำคัญรวมไว้ในชิปเดียวกัน อย่างเช่น

  • ตัวประมวลผล หรือ ซีพียู (CPU: Central Processing Unit)
  • วงจรรอบข้างสำหรับการทำงานในรูปแบบต่าง ๆ (เรียกว่า Peripheral Units)
  • ส่วนที่เป็นอินพุต-เอาต์พุต (Input/Output Unit)
  • และหน่วยความจำแบบ Flash สำหรับเก็บข้อมูลที่เป็นคำสั่งสำหรับซีพียู และหน่วยความจำแบบ SRAM สำหรับการเก็บข้อมูลชั่วคราวในระหว่างการทำงานของซีพียู

โดยทั่วไปแล้ว วัตถุประสงค์ของการใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์ก็คือ การเขียนโปรแกรมด้วยภาษาคอมพิวเตอร์ (เช่น ภาษา C/C++) เพื่อกำหนดรูปแบบการทำงานไมโครคอนโทรลเลอร์ ให้ตอบสนองต่อเหตุการณ์หรือสัญญาณทั้งภายในหรือภายนอก เช่น จากวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ตามรูปแบบที่กำหนดไว้ ยกตัวอย่างเช่น

  • ถ้ากดปุ่มหนึ่งครั้งทำให้เปลี่ยนสถานะลอจิกที่ขาเอาต์พุต และใช้ควบคุมการทำงานของวงจรอื่น เช่น วงจรไดโอดเปล่งแสง (LED) เป็นต้น
  • การรับค่าจากสัญญาณแอนะล็อกเข้ามาที่ขาอินพุต เพื่อใช้ในการสร้างสัญญาณควบคุมที่ขาเอาต์พุตอีกขาหนึ่ง และนำไปใช้ปรับความเร็วการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าผ่านชุดขับเคลื่อนที่เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์
  • การอ่านค่าจากวงจรหรือโมดูลเซนเซอร์ (Sensors) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ประเภทที่เรียกว่า "ทรานสดิวเซอร์" (Transducers) ที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานรูปแบบต่าง ๆ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า และอุปกรณ์ประเภทนี้สามารถนำมาเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ด้วยสัญญาณไฟฟ้าทั้งแบบดิจิทัลหรือแอนะล็อก เช่น การวัดอุณหภูมิ ความเข้มแสง ระยะห่างจากวัตถุกีดขวาง เป็นต้น
  • การกำหนดสถานะของเอาต์พุตเพื่อควบคุมการทำงานของวงจรภายนอก เช่น วงจรอิเล็กทรอนิกส์ควบคุมการหมุน ความเร็วและทิศทางของมอเตอร์ไฟฟ้า เป็นต้น หรืออาจเป็นอุปกรณ์อื่นในประเภทที่เรียกว่า "แอคชูเอเตอร์" (Actuator) ที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกล หรือมีการเคลื่อนไหวทางกล

ไมโครคอนโทรลเลอร์จะทำงานต่อเนื่อง คอยตอบสนองต่อเหตุการณ์ต่าง ๆ (และอาจไม่เกี่ยวข้องกับผู้ใช้โดยตรง) ดังนั้นจึงมีรูปแบบการทำงานของระบบที่เรียกว่า Reactive Systems และเมื่ออยู่ในระบบอื่น (ฝังตัวอยู่ภายใน) ก็เรียกได้ว่าเป็น Reactive Embedded Systems

 

▷ การเรียนรู้และใช้งาน Arduino#

Arduino เป็นคำในภาษาอิตาลี (อ่านออกเสียงว่า "อาดูอิโน" หรือ "อาร์ดูยโน่") ประกอบด้วยทั้งซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ที่เราสามารถนำมาใช้ในการเรียนรู้ และนำไปประยุกต์ใช้งานได้จริงสำหรับการสร้างระบบสมองกลฝังตัว

ส่วนที่เป็นซอฟต์แวร์ของ Arduino สำหรับผู้ใช้คือ โปรแกรมประเภทที่เรียกว่า IDE (Integrated Development Environment) มีชื่อเรียกว่า Arduino IDE เป็น Desktop App ที่ง่ายต่อการใช้งาน และใช้ได้กับระบบปฏิบัติการ Windows, Linux และ Mac OS

 



รูปภาพ: Arduino Hardware + Software (Source: arduino.cc)

 

โปรแกรม Arduino IDE มีไว้สำหรับการคอมไพล์โค้ดในภาษา C/C++ ให้ไฟล์ประเภท .hex หรือ .bin หรือที่เรียกว่า "เฟิร์มแวร์" (Firmware) เพื่อนำไปใส่ลงในหน่วยความจำ Flash ภายในชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ และโปรแกรมนี้จะไม่สูญหายจากหน่วยความจำภายใน หากปิดแรงดันไฟเลี้ยง

การใช้งาน Arduino IDE แบ่งออกเป็นสองขั้นตอนหลัก เรียกว่า Verify / Build (การแปลงโค้ด หรือ การคอมไพล์) และ Upload (การนำไฟล์ไปใส่ลงในชิปไมโครคอนโทรลเลอร์) ตามลำดับ หากทำทั้งสองขั้นตอนได้สำเร็จ ไมโครคอนโทรลเลอร์จะทำงานตามที่กำหนดไว้โดยโปรแกรม (เฟิร์มแวร์) ที่ได้มีการอัปโหลดไปใส่ไว้ในหน่วยความจำภายในครั้งล่าสุด

ในส่วนของการเขียนโค้ดด้วยซอฟต์แวร์ Arduino IDE ผู้ใช้จะต้องเขียนและบันทึกโค้ดลงในไฟล์ที่เรียกว่า Arduino Sketch (.ino) และใช้คำสั่งที่ได้มีการกำหนดไว้โดย API (Application Programming Interface) สำหรับ Arduino ซึ่งประกอบด้วยฟังก์ชันต่าง ๆ ในภาษา C/C++ (สามารถดูรายการคำสั่งได้จาก Arduino Language Reference) และผู้ใช้สามารถเรียนรู้การเขียนโค้ดโดยใช้คำสั่งเหล่านี้ได้ไม่ยาก

 
รูปภาพ: Arduino IDE Software: offline and online (Source: arduino.cc)

 

ถ้าอ้างอิงจากเว็บไซต์ของ Arduino มีการเขียนสรุปข้อดีไว้ดังนี้

  • Inexpensive — มีบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ให้เลือกใช้ ที่ราคาไม่แพง เมื่อเปรียบเทียบกับบอร์ดของผู้ผลิตอื่น
  • Cross-platform — มีซอฟต์แวร์ Arduino IDE ที่ใช้ได้กับหลายระบบปฏิบัติการ
  • Simple, clear programming environment — มีซอฟต์แวร์ Arduino IDE ที่ใช้งานได้ง่าย
  • Open source and extensible software — เป็นซอฟต์แวร์ประเภทโอเพนซอร์ส และมีส่วนเสริม เช่น การติดตั้งไลบรารีและซอฟต์แวร์อื่น ๆ เพิ่มได้อีก
  • Open source and extensible hardware — รายละเอียดในการออกแบบของบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ นั้นมีการเผยแพร่ภายใต้ Creative Commons license

ตัวอย่างบอร์ด Arduino ที่ได้รับความนิยมสำหรับผู้เริ่มต้น ได้แก่ Arduino Uno (rev.3) และ Arduino Nano (v3.x) อาจเป็นเพราะมีราคาไม่แพง มีแหล่งข้อมูลให้ศึกษาได้มากกว่าบอร์ดรุ่นอื่น ๆ ทั้งสองบอร์ดนี้ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์เหมือนกันคือ ATmega328P (16MHz, 2KB SRAM, 32KB Flash, 1KB EEPROM) ภายในมีตัวประมวลผล หรือ ซีพียู 8 บิต แต่บอร์ด Uno มีขนาดใหญ่กว่าบอร์ด Nano

โดยทั่วไปแล้ว บอร์ด Arduino มีขา I/O ที่มีลักษณะเป็น Pin Headers จำแนกได้เป็นสองประเภท คือ ขาแบบตัวผู้ (Male Pin Headers) และขาแบบตัวเมีย (Female Pin Headers) บอร์ด Uno มีขาแบบตัวเมียและใช้สายไฟที่เรียกว่า Jumper Wire เสียบขาด้านบนของบอร์ด เพื่อเชื่อมต่อกับวงจรอื่นภายนอก ในขณะที่บอร์ด Arduino Nano มีขาแบบตัวผู้ และสามารถนำไปเสียบลงบนแผงต่อวงจรหรือเบรดบอร์ด (Breadboard) ได้ง่าย

 



รูปภาพ: บอร์ด Arduino Uno ร่วมกับการต่อวงจรบนเบรดบอร์ด และการเชื่อมต่อกับซอฟต์แวร์ในคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ (Source: Instructables)

การเชื่อมต่อระหว่างคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้กับบอร์ด Arduino ก็ใช้เพียงสาย USB และสามารถใช้แรงดันไฟเลี้ยง +5V จากพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์ เพื่อป้อนให้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่บนบอร์ด ดังนั้นจึงมีความสะดวกในการใช้งาน แต่บอร์ด Uno และ Nano ก็มีขา VIN เอาไว้สำหรับจ่ายแรงดันไฟเลี้ยงกระแสตรงในช่วง 7V ถึง 12V ได้ ถ้าไม่ต้องการจ่ายไฟผ่านทางพอร์ต USB

 

▷ ตัวอย่างโค้ด Arduino Sketch#

ลองมาดูตัวอย่างโค้ด LED Blink ที่ทำให้วงจร LED กระพริบได้ด้วยอัตราคงที่ และให้วงจรดังกล่าวเชื่อมต่อกับขา I/O ขาหนึ่งของบอร์ด Arduino (เช่น ขาหมายเลข D13) และใช้เป็นขาเอาต์พุต

การกระพริบของ LED เกิดจากการเปลี่ยนสถานะลอจิกที่ขาเอาต์พุต สลับไปมาระหว่างสถานะ LOW (0) กับ HIGH (1) เกิดซ้ำไปเรื่อย ๆ และมีการหน่วงเวลาก่อนเปลี่ยนสถานะลอจิกในครั้งถัดไป 

#define LED_PIN  (13) // use the Arduino Digital Pin D13

void setup() {
   pinMode( LED_PIN, OUTPUT ); // pin direction output
}

void loop() {
   digitalWrite( LED_PIN, LOW ); // output low
   delay(500); // delay for 0.5 sec
   digitalWrite( LED_PIN, HIGH ); // output high
   delay(500); // delay for 0.5 sec
}

จากตัวอย่างนี้จะเห็นว่า Arduino Sketch ประกอบด้วยสองฟังก์ชันที่สำคัญคือ

  • void setup(){...} ฟังก์ชันนี้จะมีคำสั่งอยู่ภายใน และจะถูกเรียกให้ทำงาน เมื่อโปรแกรมเริ่มต้นทำงานต่อจาก Arduino Bootloader เช่น หลังจากการกดปุ่มรีเซตของบอร์ด และจะทำเพียงครั้งเดียว เมื่อจบการคำสั่งสุดท้ายในฟังก์ชันนี้ จะเรียกฟังก์ชัน loop() เป็นลำดับถัดไป
  • void loop(){...} เมื่อทำคำสั่งสุดท้ายที่อยู่ภายในฟังก์ชันนี้แล้ว จะวนซ้ำไปเรื่อย ๆ โดยกลับไปทำเริ่มคำสั่งแรกและคำสั่งถัดไปตามลำดับในฟังก์ชันนี้อีกรอบ

▷ ซอฟต์แวร์ในประเภท Arduino Bootloader#

ซอฟต์แวร์อีกประเภทหนึ่งที่สำคัญและเกี่ยวข้องกับการใช้งานบอร์ด Arduino คือ Bootloader โดยทั่วไปแล้ว บอร์ด Arduino ที่ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ เช่น ATmega328P (สำหรับบอร์ด Uno และ Nano) จะต้องมีการติดตั้งเฟิร์มแวร์ที่เรียกว่า Arduino Bootloader ซึ่งเป็นโปรแกรมที่มีขนาดเล็ก (เช่น มีขนาดไฟล์ไม่เกิน 1KB) ใส่ไว้ในหน่วยความจำภายในบริเวณที่เรียกว่า Boot Flash Section ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของหน่วยความจำแฟลช (On-Chip Flash) ที่อยู่ภายในชิปไมโครคอนโทรลเลอร์

เมื่อรีเซตการทำงานวงจรบนบอร์ดหรือจ่ายไฟเลี้ยง โปรแกรมนี้จะเริ่มทำงานเป็นอันดับแรกและตรวจสอบว่า จะต้องมีการอัปโหลด Arduino Sketch ไปยังบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์หรือไม่ และต้องมีการเชื่อมต่อจากซอฟต์แวร์ Arduino IDE ของเครื่องผู้ใช้ผ่านทางพอร์ต USB-to-Serial แต่ถ้าไม่ใช่ ก็จะส่งต่อการทำงานให้โปรแกรมของผู้ใช้ (User Main Program) ถ้ามีอยู่ในส่วนที่เรียกว่า User Application Flash Section ในลำดับถัดไป

ข้อสังเกต:

  • โดยทั่วไปแล้ว ผู้ผลิตบอร์ด Arduino ได้มีการติดตั้ง Arduino Bootloader ลงในชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ มาพร้อมใช้งานแล้ว ผู้ใช้ไม่มีความจำเป็นต้องติดตั้งเอง หากมีความจำเป็นต้องติดตั้งใหม่ จะต้องมีอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์เสริมที่เรียกว่า Device Programmer และมีรูปแบบการทำงานที่แตกต่างกันไป เช่น
    • In-System Programming (ISP) หรือ In-Circuit Serial Programmer (ICSP) สำหรับชิป Atmel AVR/ATmega (8-bit)
    • CMSIS-DAP/DAPlink Programmer สำหรับชิป Atmel ATSAMD21 (32-bit) หรือชิปอื่นที่ใช้ซีพียู ARM Cortex-M Series
  • ไฟล์สำหรับ Arduino Bootloader แตกต่างกันไปตามชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้งาน เช่น
    • optiboot สำหรับบอร์ด Arduino Uno / Nano (ชิป 8-bit ATmega168/328P)
    • caterina สำหรับบอร์ด Arduino Micro / Leonardo (ชิป ATmega32u4)
    • stk500boot สำหรับบอร์ด Arduino MEGA2560 (ชิป ATmega2560)
    • samd21_sam_ba สำหรับบอร์ดในตระกูล Arduino MKR (ชิป ATSAMD21)
    • nana33ble สำหรับบอร์ด Arduino Nano 33 BLE (ชิป nRF52840)
    • portenta_h7 สำหรับบอร์ด Arduino Portenta H7 (ชิป STM32H747XI)

Bootloader สำหรับบอร์ด Arduino ประเภทต่าง ๆ ก็มีพฤติกรรมในการทำงานแตกต่างกันไป เนื่องจากใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่แตกต่างกัน ดังนั้นการทำความเข้าใจหลักการทำงานพื้นฐานของ Bootloader จึงมีความสำคัญเช่นกันและเลือกใช้ให้ถูกต้อง

 

▷ ซอฟต์แวร์ในประเภท Arduino Core / Arduino Board Manager#

ซอฟต์แวร์อีกประเภทหนึ่งคือ Arduino Core ซึ่งประกอบด้วยโค้ดสำหรับไลบรารีต่าง ๆ และเจาะจงใช้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีความแตกต่างกันไป โดยจำแนกตามตระกูลหรือสถาปัตยกรรมของชิปที่นำมาใช้สำหรับบอร์ด Arduino ในรุ่นต่าง ๆ นอกจากนั้นแล้ว ก็มีไฟล์ที่ใช้ในการตั้งค่าใช้งานสำหรับบอร์ดแต่ละตัวเลือก เช่น ไฟล์ platform.txt และ boards.txt

 



รูปภาพ: Arduino Board Managers

 

Arduino Core ทำหน้าที่เป็น Hardware Abstraction Layer (HAL) ช่วยจัดการทำงานของฮาร์ดแวร์ในระดับล่าง ทำให้เราใช้คำสั่งของ Arduino เขียนโค้ดได้เหมือนกัน แม้ว่าจะเลือกใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่แตกต่างกัน

ไฟล์ที่เกี่ยวข้องจะถูกจัดเก็บไว้ในไดเรกทอรีต่อไปนี้ จำแนกตามระบบปฏิบัติการที่ใช้

  • Windows: %APPDATA%\Arduino15\packages\
  • Linux: ~/.arduino15/packages/
  • Mac OS: ~/Library/Arduino15/packages/

Arduino Core ทำให้เราสามารถใช้คำสั่งพื้นฐานของ Arduino ได้เหมือนกัน สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่แตกต่างกัน เช่น

  • pinMode(...) — กำหนดทิศทางของขา Digital I/O ให้เป็นอินพุตหรือเอาต์พุต
  • digitalRead(...) — อ่านค่าลอจิกจากขาอินพุต-ดิจิทัล
  • digitalWrite(...) — เขียนค่าลอจิกไปยังขาอินพุต-ดิจิทัล
  • analogRead(...) — อ่านค่าจากช่องสัญญาณอินพุต-แอนะล็อก
  • analogWrite(...) — เขียนค่าเลขจำนวนเต็มไปยังขาเอาต์พุต-แอนะล็อก
  • delay(...) — หน่วยเวลาในการทำงาน (หน่วยเป็นมิลลิวินาที)

เมื่อจะเลือกใช้บอร์ดใด ก็ต้องตรวจสอบก่อนว่า ได้มีการติดตั้ง Arduino Core ที่เกี่ยวข้องแล้วหรือไม่ ในส่วนที่เรียกว่า Arduino Board Manager ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Arduino IDE หรือถ้าต้องการจะอัปเดตเป็นเวอร์ชันล่าสุด ก็ทำได้เช่นกัน ตัวอย่างของ Arduino Cores มีดังนี้

  • Arduino Core for AVR — โดยปรกติแล้ว จะมีการติดตั้งมาให้แล้วพร้อมกับซอฟต์แวร์ Arduino IDE)
  • Arduino Core for SAMD — สำหรับบอร์ดตระกูล Arduino MKR (ผู้ใช้จะต้องติดตั้งเพิ่มเอง)
  • Arduino Core for Mbed — สำหรับบอร์ด Arduino Nano 33 BLE, Arduino Nano RP2040 และ Arduino Portenta H7 (ผู้ใช้จะต้องติดตั้งเพิ่มเอง)

นอกจากนั้น ก็ยังมี Arduino Core สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์จากผู้ผลิตอื่นอีก และติดตั้งใช้งานได้ง่าย โดยทั่วไปก็ใช้งานได้กับ Arduino Board Manager เช่น

  • Arduino Core for ESP32 สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิป Espressif ESP32 / ESP32-S2/-C3
  • Arduino Core for STM32 สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต ตระกูล STM32 ของบริษัท STMicroelectronics
  • Arduino Core for Adafruit nRF52 สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิป nRF52 Series (nRF52832 / nRF52833 / nRF52840 )
  • Arduino Core for Adafruit nRF52-based Boards สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ของบริษัท Adafruit ที่ใช้ชิป nRF52 Series
  • Arduino Core for Sparkfun Boards สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ของบริษัท Sparkfun ซึ่งมีหลายรุ่นหลายแบบ เช่น ใช้ชิป Atmel AVR / Atmel SAMD21 / Ambiq Apollo3
  • Arduino Core for Infineon XMC สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิปของบริษัท Infineon เช่น XMC1100 / 1300 / 4400 / 4700
  • Teensyduino เป็นตัวอย่างของ Add-on สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Teensy 2.x/3.x/4.x ที่ผู้ใช้ต้องดาวน์โหลดมาเพื่อติดตั้งและใช้งานกับซอฟต์แวร์ Arduino IDE



รูปภาพ: ตัวอย่างรายการภายในไดเรกทอรี ~/.arduino15/packages/ สำหรับ Linux

 

▷ การกำหนดหมายเลขขาไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino Pin Mapping#

ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ที่แตกต่างกัน ก็อาจมีการจัดการและอ้างอิงชื่อขา GPIO (General-Purpose I/O) ที่แตกต่างกัน แต่ Arduino ได้ใช้วิธีเรียงลำดับขาเหล่านั้น (Pin Numbers) เช่น ขาหมายเลข 0, 1, 2, ... ทำให้ง่ายต่อการเขียนโค้ด มีการจำแนกเป็นขาดิจิทัล (D0, D1, ...) และขาแอนะล็อก (A0, A1, ...) เป็นต้น โดยรวมเรียกว่า Arduino Board Pins และใช้แทนที่การอ้างอิงด้วยหมายเลขขาและพอร์ต I/O ของชิป (Device Pins)

ในกรณีที่เลือกใช้บอร์ด Uno หรือ Nano (ชิป ATmega328P) ก็มีตัวอย่างเช่น (อ้างอิงจากไฟล์ pins_arduino.h)

  • ขา D13 ของบอร์ด หมายถึง ขา GPIO ในตำแหน่งบิตที่ 5 ของพอร์ต PORTB หรือ PB5 (ขาของชิป) และเป็นขาที่มีวงจร LED อยู่บนบอร์ด (เรียกว่า LED_BUILTIN)
  • ขา A0 (ใช้เป็นขาแอนะล็อกสำหรับอินพุต) หรือ D14 (ใช้เป็นขาดิจิทัล) ก็คือ ขาในตำแหน่งบิตที่ 0 ของพอร์ต PORTC หรือ PC0 ของชิปไมโครคอนโทรลเลอร์

ถ้าเลือกใช้บอร์ด MKR Zero (ชิป ATSAMD21G18) ก็มีตัวอย่างเช่น (อ้างอิงจากไฟล์ variants.h และ variants.cpp)

  • ขา 13 ของบอร์ด หมายถึง ขา PA23 ของชิป (ในตำแหน่งบิตที่ 23 ของพอร์ต PORTA)
  • ขา A0 (ใช้เป็นขาแอนะล็อกอินพุต) หรือ 15 (ใช้เป็นขาดิจิทัล I/O) หมายถึง PA02 ของชิป (ในตำแหน่งบิตที่ 2 ของพอร์ต PORTA)
  • แต่ขา LED_BUILTIN คือ ขา 32 ของบอร์ด หรือ PB08 ของชิป

 


รูปภาพ: แผนผังแสดงตำแหน่งขาของบอร์ด Arduino Uno (Rev.3)

 


รูปภาพ: แผนผังแสดงตำแหน่งขาของบอร์ด Arduino MKR Zero

▷ ประวัติความเป็นมาโดยสังเขปเกี่ยวกับ Arduino#

เรามาลองทำความรู้จักกับเรื่องราวของ Arduino ในอดีต จากเนื้อหาในส่วนนี้

  • เรื่องราวเกี่ยวกับ Arduino เริ่มต้นในสถาบันการศึกษาแห่งหนึ่งที่มีชื่อว่า "Interaction Design Institute" (IDI) ในเมือง Ivrea ประเทศอิตาลี (Italy)
  • ในปีค.ศ. 2005 Massimo Banzi ได้รับการจ้างให้เป็นอาจารย์สอนที่สถาบันดังกล่าว และมีความคิดที่จะพัฒนาฮาร์ดแวร์-ซอฟต์แวร์ที่เหมาะกับงานด้าน Interactive Design
  • Hernando Barragán นักศึกษาชาวโคลัมเบีย และเป็นลูกศิษย์ของ Massimo Banzi ได้เริ่มต้นพัฒนาซอฟต์แวร์ Wiring Development Platform เพื่อใช้เป็น IDE สำหรับการเขียนโค้ด และคอมไพล์โค้ดให้เป็นไฟล์ไบนารี .hex โดยได้แนวคิดในการพัฒนามาจากซอฟต์แวร์ Processing ของ MIT Media Lab และ ได้นำเสนอเป็นส่วนหนึ่งของวิทยานิพนธ์ (Master Thesis in Interaction Design) ที่มีชื่อหัวข้อ "Arduino - The Revolution of Open Hardware"
  • งานของ Barragan ซึ่งก็คือ ซอฟต์แวร์ Wiring IDE และไลบรารีสำหรับการเขียนโค้ดไมโครคอนโทรลเลอร์ ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงปีค.ศ. 2004-2005 ที่สถาบันดังกล่าว
    • แต่หลังจากนั้นเมื่อเรียนจบแล้ว เขาได้ย้ายกลับไปประเทศโคลอมเบีย (Colombia) ไปเป็นอาจารย์สอนในมหาวิทยาลัย และพัฒนาซอฟต์แวร์ Wiring IDE ต่อไป
    • เขาได้พัฒนาบอร์ดชื่อว่า Wiring ออกมาด้วยเช่นกัน และยังทำงานร่วมกับ Casey Reas และเขียนหนังสือเกี่ยวกับ Processing ที่มีชื่อว่า "Processing: A Programming Handbook for Visual Designers and Artists, Second Edition ซึ่งมีเนื้อหาบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับการใช้งาน Wiring + Processing ในปีค.ศ. 2005 และเวอร์ชัน 2 ในปีค.ศ. 2014 (MIT Press) https://processing.org/tutorials/electronics/
    • เรื่องราวของ Barragan ที่เกี่ยวข้องกับ Arduino ได้มีการจดบันทึกและเผยแพร่ไว้ที่ https://arduinohistory.github.io/
  • Banzi และทีมงาน ได้พัฒนาบอร์ดต้นแบบครั้งแรกในปี ค.ศ. 2005 และต้องการให้เป็น Open Source และ Open Hardware / Open-source Electronics Platform
    • เขาได้ทำงานร่วมกับนศ.อีกคนชื่อว่า David Mellis เพื่อทำซอฟต์แวร์ Wiring IDE (forked) อีกเวอร์ชันหนึ่ง ให้ใช้กับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ ATmega8 และเริ่มต้นโปรเจกต์ใหม่ที่มีชื่อว่า Arduino
    • หลังจากนั้นก็ได้ว่าจ้าง David Cuartielles ซึ่งเป็นวิศวกร มาช่วยออกแบบบอร์ดต้นแบบ และติดต่อกับภาคอุตสาหกรรมให้ผลิตบอร์ดที่ราคาถูกลงและจำนวนมาก


รูปภาพ: ทีมงานผู้มีส่วนร่วมในการพัฒนา / Arduino Developer Team

 


รูปภาพ: ตัวอย่างบอร์ดต้นแบบ / Arduino Board Prototype (2005)

Credit/Source: “The Making of Arduino: How five friends engineered a small circuit board that’s taking the DIY world by storm” by David Kushner (22 Oct. 2011)

 

▷ ทิศทางการพัฒนาบอร์ด Arduino จากอดีตถึงปัจจุบัน#

เราลองมาวิเคราะห์ทิศทางหรือแนวโน้มในการพัฒนาบอร์ด Arduino ในช่วง 10 ปีแรก

  • เริ่มต้นได้มีการเลือกใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิต (ใช้แรงดันไฟฟ้า 5V) ของบริษัท Atmel เช่น ชิปรุ่น ATmega8 (เล็กสุด) หรือ ATmega168 / 328 / 1280 / 2560 (เรียงตามความจุของหน่วยความจำภายใน และจำนวนขา I/O จากน้อยไปมาก)
    • มีความแตกต่างกัน เช่น ความจุของหน่วยความจำ SRAM (Data Memory) และ Flash (Program Memory) จำนวนขา I/O และชนิดของตัวถัง (IC Package) เป็นต้น
    • ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์เหล่านี้ ใช้สถาปัตยกรรมสำหรับชุดคำสั่งที่เรียกว่า AVR Instruction Set ภายในมีซีพียู 8 บิต ได้รับการออกแบบตามสถาปัตยกรรมประเภท RISC / Modified Harvard Architecture
  • มีการใช้ชิป เช่น FTDI FT232R และต่อมาเปลี่ยนมาเป็นชิป ATmega32U2 ทำหน้าที่เป็นวงจรแปลงสัญญาณ USB-to-Serial
  • มีการกำหนดรูปแบบและขนาดของบอร์ด (Board Form Factor) เพื่อใช้งานกับบอร์ดเสริมประเภทที่เรียกว่า Arduino Shields ที่สามารถนำมาใช้ร่วมกับ บอร์ดอย่างเช่น Uno หรือ MEGA2560 ได้
  • มีบอร์ดขนาดเล็กกว่า Uno ให้เลือกใช้ และเหมาะสำหรับการต่อวงจรใช้งานบนเบรดบอร์ด (Breadboard Prototyping) เพราะมีขาแบบ Male Pin Headers (2.54mm spacing) ที่มีระยะห่างของขาพอดีกับการเสียบใช้งานบนเบรดบอร์ด
  • มีการเริ่มต้นใช้งานชิป ATmega32u4 (with native USB support) เช่น สำหรับบอร์ด Arduino Leonardo และ Arduino/Genuino Micro
    • สามารถเชื่อมต่อกับพอร์ต USB ได้โดยตรง ไม่ต้องใช้ชิป USB-to-serial เหมือนกรณีของบอร์ด Uno และ Nano และบอร์ดอื่น ๆ
  • ในปีค.ศ. 2012 ได้เริ่มจำหน่ายบอร์ด Arduino DUE
    • ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ Atmel SAM3X8E (32-bit ARM Cortex-M3, 84MHz, 512KB Flash, 100KB SRAM)
    • Arduino DUE ถือว่าเป็นบอร์ดแรกของ Arduino ที่เลือกใช้ซีพียู 32 บิต (3.3V)
  • ในปีค.ศ. 2013 ได้เริ่มจำหน่ายบอร์ด Arduino Yún
    • มีชิป ATmega32u4 ที่ทำงานร่วมกับชิป Atheros AR9331 ที่ทำงานโดยใช้ระบบปฏิบัติการ Embedded Linux / OpenWRT สามารถเชื่อมต่อ Wi-Fi และ Ethernet ได้
    • ปัจจุบันไม่การผลิตและจำหน่ายแล้ว (retired product)
  • ในปีค.ศ. 2015 ได้มีเริ่มจำหน่ายบอร์ด Arduino / Genuino 101
    • ใช้โมดูล Intel Curie ซึ่งภายในมีชิป Intel x86 Quark SE C1000 MCU (32MHz)
    • ปัจจุบันไม่การผลิตและจำหน่ายแล้ว (retired product)
  • ในราวปีค.ศ. 2015 เริ่มใช้ชิป Atmel ATSAMD21G18A (32-bit ARM Cortex-M0+, 48MHz, 256KB Flash, 32KB SRAM) สำหรับบอร์ด เช่น
    • Arduino M0 และ Arduino M0 Pro จากค่าย arduino.org และ Arduino/Genuino ZERO จากค่าย arduino.cc (ในช่วงเวลานั้นมีการแบ่งแยกเป็นสองบริษัท)
    • บอร์ด Arduino M0 Pro (with Debug Interface) แตกต่างจากบอร์ด Arduino M0 ตรงที่มีการเพิ่มชิป Atmel EDBG (Onboard Atmel Embedded Debugger) ไว้บนบอร์ด เพื่อใช้สำหรับการโปรแกรมและดีบักการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์
    • ในปัจจุบันบอร์ด Arduino M0 / M0 Pro เลิกผลิตและจำหน่ายแล้ว (retired product)


รูปภาพ: Arduino Boards & Shield Form Factors

 


รูปภาพ: Breadboard-Friendly Arduino (Compatible) Boards

 


รูปภาพ: ตัวอย่างตารางเปรียบเทียบ Hardware Spec ของบอร์ดบางรุ่น (Source: Arduino.cc)

 

ผู้ออกแบบและพัฒนาบอร์ด Arduino ได้จำแนกบอร์ดของ Third-party ออกเป็นสองกลุ่ม

  • Compatible — บอร์ดที่มีการนำวงจรหรือไฟล์ Schematic ของ Arduino.cc (เนื่องจากเป็น Open-source Hardware Design) ไปดัดแปลง บอร์ดอาจมีรูปแบบแตกต่างออกไป หรือมีวงจรบางส่วนไม่เหมือนบอร์ดต้นแบบ แต่ผลิตและจำหน่ายภายใต้ชื่อหรือโลโก้ของบริษัทของตนเอง ไม่ได้ใช้ชื่อ Arduino Trademark ใด ๆ ดังนั้นการกระทำแบบนี้ถือว่า ทำได้และไม่ละเมิดลิขสิทธิ์
  • Counterfeit — เป็นบอร์ดที่มีการทำปลอมหรือเลียนแบบให้เหมือนกัน (Clone) ราคามักจะถูกกว่า แต่คุณภาพของบอร์ดก็อาจต่ำกว่า และได้ใช้ชื่อและเครื่องหมายการค้าหรือมีโลโก้ของ Arduino.cc จึงเป็นการละเมิดลิขสิทธิ์

 

▷ การเปลี่ยนแปลงจากชิปตัวประมวลผล 8 บิต ไปสู่ 32 บิต#

ทิศทางในการพัฒนาหลังจาก 10 ปีแรก พอจะยกตัวอย่างเป็นข้อ ๆ ได้ดังนี้

  • บอร์ดล่าสุดที่ใช้ชิปตัวประมวลผล 8 บิต มีชื่อว่า Arduino Nano Every ได้เลือกใช้ชิป Microchip ATmega4809 (20MHz, 48KB Flash memory, 6KB SRAM, 256 byte EEPROM) และทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้า +5V และบอร์ดมีขนาดใกล้เคียงกับบอร์ด Arduino Nano
  • บอร์ดที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต มีออกมาให้เห็นมากขึ้นตามลำดับ เริ่มต้นด้วยการใช้ชิป Atmel SAM3X8E (ARM Cortex-M3) ในยุคแรก ก็ตามมาด้วยชิป Atmel SAMD21 (ARM Cortex-M0+) ที่ใช้สำหรับบอร์ดในกลุ่ม Arduino MKR เป็นหลัก
  • บอร์ดที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต ทำงานที่แรงดัน 3.3V เท่านั้น และไม่รองรับการเชื่อมต่อ I/O ที่แรงดัน 5V โดยตรง
  • การเริ่มต้นใช้ชิป Atmel SAMD21 ทำให้เกิดบอร์ดต่าง ๆ ในตระกูล Arduino MKR ตามมาอีกหลายรุ่น ซึ่งถือว่าเป็นการต่อยอดประสบการณ์ที่ได้จากบอร์ด Arduino / Genuino ZERO
    • อาจกล่าวได้ว่า Arduino MKR เป็นการกำหนดรูปแบบของ Arduino Ecosystem ในยุคถัดไป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อต้องตอบโจทย์ความต้องการงานด้าน IoT
    • บอร์ดในตระกูล Arduino MKR ทุกบอร์ดใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ ATSAMD21 บอร์ดมีขนาดเล็กลง (มีขนาดประมาณ 65mm x 25mm) และ มีการกำหนดขนาดของบอร์ดและการวางตำแหน่งของอุปกรณ์ต่าง ๆ ใหม่ (เรียกว่า MKR Form Factor) สามารถเสียบขาลงบนเบรดบอร์ดได้ด้วย (Breadboard-Friendly)
    • เริ่มมีการใช้ชิปประเภท SoC (System-on-Chip) หรือ เป็นโมดูลสื่อสารข้อมูลไร้สายเพื่อเชื่อมต่อกับ Wi-Fi เช่น
  • ตัวอย่างบอร์ดในตระกูล Arduino MKR (ATSAMD21) ได้แก่
    • MKR ZERO
    • MKR WIFI 1010
    • MKR FOX 1200
    • MKR WAN 1300 (LoRA)
    • MKR GSM 1400
    • MKR NB 1500 (NB-IoT)
    • MKR Vidor 4000 — เป็นบอร์ดรุ่นพิเศษที่มีชิป Intel Cyclone 10 FPGA ใช้งานร่วมกับ ATSAMD21 MCU
  • บอร์ดอีกรุ่นหนึ่งคือ Arduino Nano IoT ใช้ชิป ATSAMD21 ร่วมกับโมดูล U-blox Nina-W102 (สื่อสารกันด้วยบัส SPI และขา GPIO) มีไว้สำหรับเชื่อมต่อ Wi-Fi / BLE
  • จากนั้นได้เปลี่ยนมาใช้ชิป nRF52840 (ARM Cortex-M4F, 64MHz, 1024 KB Flash, 256KB SRAM) ของบริษัท Nordic Semiconductors และใช้ระบบปฏิบัติการเวลาจริง ARM Mbed OS เป็นพื้นฐานในการพัฒนาซอฟต์แวร์ Arduino Mbed Core เช่น
  • บอร์ดอีกรุ่นหนึ่งที่ได้มีการเริ่มผลิตและจำหน่ายในปีค.ศ. 2021 คือ บอร์ด Arduino Nano RP2040 Connect ซึ่งใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ Raspberry Pi RP2040 (133MHz, 32-bit Dual ARM Cortex-M0+, 264KB of SRAM, 2MB of on-board Flash) และมีโมดูล U-blox Nina W102 เพื่อเชื่อมต่อกับ Wi-Fi / BLE

 


รูปภาพ: Arduino Board Nano 33 IoT vs. Nano 33 BLE (Source: arduino.cc)

 

เราอาจแบ่งกลุ่มของบอร์ด Arduino ตามความเหมาะสมในการนำไปใช้งานได้ดังนี้

  • Educational เหมาะสำหรับนำไปใช้สอนในชั้นเรียนด้าน STEM ดังนั้นจึงไม่ได้มีแค่บอร์ด Arduino แต่ยังมีชุดอุปกรณ์ และสื่อการเรียนรู้ที่เกี่ยวข้อง ตัวอย่างชุดคิท เช่น
  • IoT เน้นการเชื่อมต่อผ่านเครือข่ายและอินเทอร์เน็ต ทั้งแบบใช้สายเชื่อมต่อและไร้สาย
  • Maker — บอร์ดสำหรับนักประดิษฐ์ ราคาไม่แพง หรือหลายรูปแบบให้เลือกใช้ บางบอร์ดมีลักษณะเป็นโมดูลมีขาสำหรับเสียบบนเบรดบอร์ดได้
  • Industrial — เหมาะสำหรับนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรม มีการเลือกใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต
  • นอกจากนั้นอาจเป็นกลุ่มเพิ่มใหม่ได้อีก เช่น Machine Vision, Embedded AI / Edge AI หรือ AIoT (AI+IoT)

▷ การเข้าสู่ยุค Arduino Pro#

แนวโน้มในการพัฒนาที่เกี่ยวข้อง Arduino Pro แบ่งได้เป็นฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์ และการบริการในระบบคลาวด์ ดังนี้

  • Arduino Pro (หมายถึง Professional) เป็นแนวทางใหม่ที่เน้นการพัฒนาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์เพื่อตอบโจทย์งานอุตสาหกรรม หรือ "Industrie 4.0" & Industrial IoT (IIoT) มากขึ้น แต่บอร์ดและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ในประเภทนี้ ก็มีราคาสูงขึ้นไปด้วย
  • ซอฟต์แวร์ (Arduino Pro Software)
    • Arduino Pro IDE — ทำงานโดยใช้ Theia Eclipse-based IDE เป็นพื้นฐานร่วมกับ JavaScript-based Electron framework และทำให้ใช้งานได้ทั้งแบบ Desktop App และ Web (Cloud) App และได้มีการเริ่มต้นให้ทดลองใช้งาน ในช่วงปลายปีค.ศ. 2019 เวอร์ชัน Alpha Release ต่อมาได้กลายเป็น Arduino IDE 2.x (Beta Release)
    • Arduino CLI (Commmand Line Interface) เป็นโปรแกรมที่เขียนด้วยภาษา Go และทำงานแบบไม่มี GUI และ Arduino IDE 2.x จะเรียกใช้โปรแกรมนี้ในการทำงานเบื้องหลัง เช่น การอัปเดตหรือติดตั้ง Arduino Core การติดตั้งไลบรารีเพิ่ม การคอมไพล์โค้ดและอัปโหลดไปยังบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ เป็นต้น
    • Arduino Create Web Editor — ผู้ใช้สามารถเข้าไปใช้งานโดยใช้เบราว์เซอร์ และเก็บไฟล์ของ Arduino Sketch ไว้ได้ใน Arduino IoT Cloud มีรูปแบบบริการทั้งฟรี (Free Plan) แต่มีข้อจำกัดในการใช้งาน และเสียเงินค่าบริการ
  • การเชื่อมต่อและบริการในระบบคลาวด์ (IoT Connectivity & IoT Cloud Services) — มีรูปแบบการเชื่อมต่อได้หลายแบบ เช่น Wi-Fi / BLE / LTE Cat-M1 / NB-IoT / LoRaWAN / Sigfox เพื่อเข้าถึงบริการด้าน IoT ในระบบคลาวด์

ในส่วนของฮาร์ดแวร์ (Arduino Pro Hardware) ได้แก่

  • บอร์ด Portenta H7 — เป็นบอร์ดที่ใช้ชิป STM32H747XI MCU (32-bit, Dual-Core ARM Cortex-M7 @480MHz + Cortex-M4F @240MHz)

    • มีหน่วยความจำภายใน 2MB Flash และ 1MB SRAM และมีหน่วยความจำภายนอก 8MB SDRAM และ 16MB NOR Flash
    • แบ่งเป็นสองรุ่นให้เลือกคือ Portenta H7 Lite ซึ่งไม่มีโมดูล WiFi/BLE และ Portenta H7 ซึ่งมีโมดูล Murata 1DX WiFi/BLE
    • สามารถเขียนโปรแกรมได้ด้วยซอฟต์แวร์ Arduino โดยใช้ Arduino Mbed-OS Core เป็นพื้นฐานในการเขียนโค้ด และเนื่องจากมี Cortex-M7 และ Cortex-M4 CPU Cores อยู่ภายใน ทำงานได้แยกกัน ดังนั้นจึงสามารถเขียนโปรแกรมแยกกันได้ และทั้งสองส่วนสามารถสื่อสารกันได้ด้วยโพรโตคอลที่เรียกว่า
    • บอร์ด Portenta H7 Lite ราคาถูกว่า เนื่องจากไม่มีโมดูล Murata 1DX WiFi/BLE RPC (Remote Procedure Call)

  • บอร์ด Arduino Edge Control — เป็นบอร์ดที่มีชิป nRF52840 (32-bit, ARM Cortex-M4F @64MHz)

    • มีช่องเสียบ MKR slots สำหรับโมดูลเสริมเพื่อการเชื่อมต่อไร้สายในรูปแบบต่าง ๆ
    • มีวงจรบนบอร์ดอย่างเช่น วงจรขับรีเลย์ วงจรรับสัญญาณอินพุตแอนะล็อกแบบ 4-20mA เป็นต้น

  • บอร์ด Arduino Nicla Sense ME — เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีขนาดเล็ก ใช้ชิป nRF52832 (32-bit, ARM Cortex-M4F @64MHz) และเนื่องจากว่า บอร์ดนี้เกิดขึ้นจากความร่วมมือกับบริษัท Bosch ในประเทศเยอรมัน จึงมีการใช้ชิปเซนเซอร์หลายชนิดของบริษัท BOSCH

  • บอร์ด Arduino Nicla Vision — เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิป STM32H747AII6 (ARM Cortex-M7 core @480MHz, ARM Cortex-M4F @240MHz)

    • มีหน่วยความจำภายใน 1MB SRAM และ 2MB on-chip Flash และภายนอก 16MB QSPI Flash
    • มีเซนเซอร์อย่างเช่น 6-axis IMU Motion Sensor, Time-of-flight (ToF) Distance Sensor, MEMS Digital Microphone และโมดูลกล้อง GC2145 ขนาด 2M pixels
    • มีโมดูลสื่อสาร 2.4GHz WiFi/BLE (CYW4343W-based Murata Type 1DX Module)

  • บอร์ด Arduino Nicla Voice เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้โมดูล u-Blox ANNA-B112

    • ภายในโมดูล ANNA-B112 (1.8V) มีชิป Nordic Semiconductor nRF52832 (Arm Cortex M4, 64 MHz, 512KB Flash / 64KB SRAM) เชื่อมต่อไร้สายด้วย Bluetooth / BLE
    • มีชิป Syntiant NDP120 Neural Decision Processor (1.8V) ซึ่งภายในประกอบด้วย
      • Arm Cortex M0 core, up to 48 MHz
      • Syntiant Core 2 ultra-low-power deep neural network inference engine
      • HiFi 3 Audio DSP
      • 48KB SRAM dedicated for NDP120
      • ชิป NDP120 เชื่อมต่อกับโมดูล ANNA-B112 ด้วยบัส SPI
    • มีชิป ATSAMD11 ทำหน้าที่เป็น USB-to-Serial Bridge
    • มีชิป AT25QL128A (16MB SPI Flash)
    • มีไอซีเซนเซอร์ที่เชื่อมต่อกับชิป NDP
      • MEMS microphone (IM69D130)
      • 6-Axis IMU (BMI270)
      • 3-axis magnetometer (BMM150)
    • มีวงจรชาร์จแบตเตอรี่ (BQ25120AYFPR)

  • บอร์ด Arduino Portenta X8 — เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีราคาสูงกว่าบอร์ดอื่นของ Arduino และใช้ชิป NXP i.MX 8M Mini MPU (Quad-core ARM Cortex-A53 @1.8GHz + ARM Cortex-M4 @400MHz)

    • มีหน่วยความจำหลัก DDR4 DRAM (2GB) และ eMMC Storage (16GB)
    • รองรับการใช้งานร่วมกับ Linux Distribution (Yocto)
    • มีชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32H747XI MCU (ARM Cortex-M7 @480MHz + Cortex-M4 @240MHz, 2MB Flash, 1MB SRAM)
    • มีโมดูล Murata Type 1DX (Infineon/Cypress CYW4343W SoC) ที่รองรับการสื่อสารไร้สาย WiFi 802.11b/g/n และ Bluetooth 5.1

  • บอร์ดหรือโมดูลในกลุ่ม Arduino Pro ที่ใช้ชิป STM32H747 สำหรับงานประเภท Industrial Control / Automation ซึ่งสามารถเขียนโปรแกรมได้ด้วยภาษา Arduino C/C++ และภาษาตามมาตรฐาน IEC 61131-3 โดยใช้ซอฟต์แวร์ Arduino PLC IDE ได้แก่

    • Arduino Opta Micro-PLC สำหรับนำไปใช้งานและติดตั้งบน DIN Rail เหมือนอุปกรณ์ PLC ที่มีขนาดเล็กโดยทั่วไป
    • Portenta Machine Control เป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานร่วมกับบอร์ด Portenta H7 เป็นตัวประมวผลหลัก แต่มีขนาดใหญ่กว่าและราคาสูงกว่า Arduino Opta

  • Arduino Opta — เป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่า Micro-PLC (Programmable Logic Controller) สำหรับการนำไปใช้งานทางด้าน Industrial IoT (IIoT)

    • มีโมดูลรีเลย์จำนวน 4 ชุด (Relays, Normally Open / SPST, 250 VAC/10A rating) และสามารถรับสัญญาณอินพุต-แอนะล็อกหรือดิจิทัล 8 ช่องสัญญาณ แรงดันไฟฟ้าในช่วง 0-10V
    • บริษัท Arduino.cc และ Finder ในประเทศอิตาลี ได้ร่วมกันพัฒนาอุปกรณ์รุ่นนี้ และได้เปิดตัวสินค้าครั้งแรกในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2565
    • อุปกรณ์นี้ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32H747XI (Dual-core Cortex-M7 @480MHz + Cortex-M4F @240MHz) เป็นตัวประมวลผลัก มีหน่วยความจำแบบ SRAM: 1MB (on-chip) และ Flash: 2MB (on-chip) + 16MB (QSPI NOR Flash)
    • อุปกรณ์แบ่งเป็น 3 รุ่น ได้แก่ Opta Lite, Opta RS485 (Plus) และ Opta WiFi (Advabced) จำแนกตามรูปแบบการเชื่อมต่อ เช่น พอร์ต RJ45 สำหรับ 10/100 Ethernet การเชื่อมต่อด้วย RS485 และ การเชื่อมต่อ Wi-Fi/BLE เป็นต้น ดังนั้นจึงรองรับการเชื่อมต่อด้วย Modbus RTU / Modbus TCP
    • มีพอร์ต USB-C สำหรับการโปรแกรมด้วยซอฟต์แวร์ Arduino โดยใช้ Arduino Mbed-OS Core เป็นพื้นฐานในการเขียนโค้ด เช่นเดียวกับบอร์ด Portenta H7

  • บอร์ด Arduino GIGA R1 WiFi

    • เปิดตัวในเดือนมีนาคม ค.ศ. 2023
    • เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีขนาดเท่ากับบอร์ด Arduino MEGA2560 แต่ใช้ชิป STM32H747XI (Arm Cortex-M7 @480MHz + Cortex-M4 @240MHz, 2MB Flash, 1MB SRAM)
    • มีหน่วยความจำภายนอก 16 MB NOR QSPI Flash QSPI และ 8 MB SDRAM
    • มีโมดูลสื่อสารไร้สาย Murata 1DX (WiFi 802.11b/g/n, Bluetooth)

  • บอร์ด Arduino Portenta C33

    • เปิดตัวในเดือนมีนาคม ค.ศ. 2023
    • ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ Renesas RA6M5 (R7FA6M5BH2CBG, 32-bit ARM Cortex M33, 200 MHz, 512KB SRAM, 2MB Flash)
    • มีโมดูล ESP32-C3 สำหรับการสื่อสารด้วย Wi-Fi / BLE

  • บอร์ด Arduino Uno R4

    • เปิดตัวในเดือนมีนาคม ค.ศ. 2023
    • แบ่งเป็นสองรุ่น Uno R4 Wifi และ Uno R4 Minima (ไม่มีชิป ESP32S3 และเชื่อมต่อ WiFi/BLE ไม่ได้)
    • ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ Renesas RA4M1 R7FA4M1AB3CFM#AA0 (Arm Cortex-M4, 48 MHz, 32KB SRAM, 256KB Flash memory, 8KB EEPROM) ระดับแรงดันไฟฟ้าของขา I/O เท่ากับ 5V
    • มีชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ Espressif ESP32-S3-MINI-1-N8 ที่รองรับการสื่อสาร WiFi/BLE และทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้า 3.3V
    • สัญญาณที่เชื่อมต่อระหว่างชิปทั้งสองตัวผ่านไอซีแปลงระดับแรงดัน (Logic-level translator): TXB0108DQSR
    • ชิป RA4M1 มีวงจรภายใน เช่น
      • 1x RTC, 1x UART, 1x I2C, 1x SPI, 6-Channel PWM
      • 1x USB 2.0, 1x CAN Bus (CAN transceiver required)
      • 6-channel 14-bit ADC, 1-channel 12-bit DAC
    • มีแผง LED ขนาด 12x8 สำหรับการแสดงผลเชิงกราฟิก
    • มีคอนเนกเตอร์ USB-C connector และไอซี USB Selector Switch (Analog Multiplexer) เพื่อเลือกทิศทางที่จะเชื่อมต่อสัญญาณ USB D+/D- จากคอนเนกเตอร์ไปยังชิป RA4M1 หรือ ESP32-S3 อย่างใดอย่างหนึ่ง

  • บอร์ด Arduino Nano ESP32

    • มีโมดูล u-blox NORA-W106-10B ซึ่งภายในมีชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ Espressif ESP32-S3 (Xtensa Dual-core 32-bit LX7) ทำงานที่แรงดันไฟฟ้า 3.3V
    • มีชิปหน่วยความจำ 16 MB QSPI Flash (GD25B128EWIGR)
    • มีคอนเนกเตอร์ USB-C Connector สำหรับเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์และอัปโหลดโปรแกรม
    • มี 3-pin RGB LED สำหรับแสดงสถานะลอจิก

  • บอร์ด Arduino Nano Matter

    • เปิดตัวในเดือนมกราคม ค.ศ. 2024
    • ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์: Silicon Labs MGM240SD22VNA
    • 32-bit Arm Cortex-M33 @78MHz, 1536 kB Flash and 256 kB RAM
    • Datasheet: MGM240S / EFR32MG24 Series 2 SoC
    • ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ ATSAMD11 สำหรับการใช้งาน ARM DAPLink / SWD / USB-to-Serial
    • รองรับโพรโทคอลเพื่อการสื่อสารข้อมูลไร้สาย: IEEE 802.15.4, OpenThread, ZigBee, Matter, Bluetooth Low Energy (BLE 5.3)
    • Arduino Core for Silicon Labs SoCs (based on Geoko SDK 4.3.x)
    • ใช้ร่วมกับ Arduino Matter Library

รูป: บอร์ด Arduino GIGA R1 WiFi (Source: Arduino.cc)

รูป: บอร์ด Portenta X8 (Source: Arduino.cc)

รูป: บอร์ด Portenta C33 (Source: Arduino.cc)

รูป: บอร์ด Uni R4 Wifi และ Uno R4 Minima (Source: Arduino.cc)

รูป: บอร์ด Arduino ESP32 Nano (Source: Arduino.cc)

 

▷ ความนิยมแพร่หลายของ Arduino#

ถ้าหากกล่าวว่า Arduino ได้รับความนิยมอย่างมาก แล้วจะดูจากอะไรได้บ้าง หรือ ใช้อะไรเป็นตัวชี้วัดในประเด็นนี้ เช่น เราอาจดูได้จากตัวอย่างโครงงานหรือสิ่งประดิษฐ์ต่าง ๆ ที่มีการใช้ Arduino ในการพัฒนา

ถ้าลองเข้าไปดูเว็บไซต์ Arduino Project Hub หรือ Hackster.io - Arduino Community จะพบว่ามีการนำเสนอผลงานแนว DIY ที่ใช้ Arduino พร้อมรายละเอียดทั้งฮาร์ดแวร์และการเขียนโค้ดสำหรับการสร้างผลงานเหล่านั้น มีการจำแนกรายการตามบอร์ดทื่ใช้ ระดับความยากง่าย หรือการจัดลำดับของความนิยมซึ่งดูจากยอดวิว เป็นต้น

จากการสืบค้นวันที่ 12 พ.ย. 2564 ถ้าลองใส่คำค้นหา arduino ในช่อง Search จะพบว่า มีรายการมากกว่า 6,200 โครงงาน (Projects) และมีมากกว่า 2,100 ผู้เขียนบทความ (Authors)

 


รูปภาพ: Arduino Project Hub

 

เว็บของ Instructables.com ก็มีการจัดหมวดหมู่โครงงานที่เกี่ยวข้องกับ Arduino ไว้เช่นกัน


รูปภาพ: Instructables - Circuit / Arduino Projects

 

หรืออีกตัวอย่างหนึ่ง ถ้าลองเข้าไปสืบค้นใน Github โดยใช้คำค้นหา arduino จะพบว่า มีจำนวนโปรเจกต์ซอฟต์แวร์หรือ Repositories มากกว่า 220,000 รายการ


รูปภาพ: ตัวอย่างการสืบค้นเกี่ยวกับ Arduino ใน Github.com

 

ลองมาดูหนังสือบ้าง ถ้าเข้าไปสืบค้นในหน้าเว็บของ Amazon (จากการสืบค้นวันที่ 12 พ.ย. 2564 ) จะพบว่า มีรายการที่ตรงกับคำค้นหา arduino books และมีจำนวนมากกว่า 6,000 รายการ

 

▷ ซอฟต์แวร์ในประเภท Arduino Libraries#

จำนวนและความหลากหลายของไลบรารีสำหรับ Arduino ก็เป็นอีกตัวชี้วัดความนิยมของ Arduino ถ้าลองดูเว็บไซต์ https://www.arduinolibraries.info/ จะเห็นว่า มีการรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับ Arduino Libraries มีการจำแนกเป็นกลุ่ม เช่น จำแนกตามสถาปัตยกรรมของซีพียูหรือไมโครคอนโทรลเลอร์ หรือลักษณะการนำไปใช้งาน เป็นต้น โดยทั่วไปแล้ว ผู้ใช้ก็สามารถค้นหาและติดตั้งใช้งานไลบรารีได้สะดวก โดยใช้เมนูคำสั่ง Arduino Library Manager ของ Arduino IDE หรือดาวน์โหลดมาเป็นไฟล์ .ZIP แล้วจึงติดตั้งใช้งานก็ได้

ตัวอย่างของไลบรารีที่ได้รับความนิยม ได้แก่

  • FastLED และ Adafruit NeoPixel — สำหรับใช้งานวงจร RGB LED ประเภทต่าง ๆ เช่น Neopixel / WS2812 / WS2801 เป็นต้น
  • PubSubClient — สำหรับการใช้งาน MQTT Client และสื่อสารผ่านทาง Ethernet หรือ WiFi เป็นต้น
  • Adafruit DHT — สำหรับการอ่านข้อมูลจากโมดูลเซนเซอร์วัดอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ DHT11 / DHT22
  • Arduino IRremote — สำหรับการรับหรือส่งข้อมูลด้วยแสงอินฟราเรด เช่น การใช้งานรีโมทคอนโทรล เป็นต้น
  • Arduino Json — สำหรับการสร้างและจัดการข้อมูลในรูปแบบของ JSON


รูปภาพ: Arduino Library List

 

ถ้าดูจากข้อมูล (วันที่ 19 พ.ย. 2564) จะเห็นได้ว่า มีไลบรารีมากกว่า 4,200 เมื่อจำแนกตามลักษณะในการนำไปใช้งาน ไลบรารีส่วนใหญ่อยู่ในกลุ่มสื่อสาร (Communication) และกลุ่มเซนเซอร์ (Sensors)

 


รูปภาพ: การจำแนกแบ่งกลุ่ม Arduino Libraries

 

หรือถ้าจำแนกตามสถาปัตยกรรมของตัวประมวลผล (CPU/MCU Architecture) พบว่า ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดตามลำดับ คือ

  • avr
  • esp32
  • esp8266

▷ ตัวอย่าง Arduino Starter Kits#

ถ้าลองสำรวจราคาชุดอุปกรณ์ Arduino สำหรับผู้เริ่มต้นหรือนำไปใช้สอนในชั้นเรียน ก็พบว่า มีราคาค่อนข้างสูง อาจลองพิจารณาตัวเลือกอื่นหรือของบริษัทอื่น เช่น

 


รูปภาพ: SparkFun Inventor's Kit (Source: Sparkfun)

 

▷ ตัวเลือกที่เป็นซอฟต์แวร์สำหรับ Arduino#

นอกจากซอฟต์แวร์ Arduino IDE แล้ว ก็ยังมีซอฟต์แวร์อื่นอีกสำหรับการเขียนโค้ด ยกตัวอย่างดังนี้

  • Visual Studio Code + PlatformIO Extension
    • พัฒนาโดย Platformio.org
    • มีจุดเด่นคือ ผู้ใช้สามารถเลือกเขียนโค้ดโดยใช้ Platform Frameworks ได้หลายรูปแบบ เช่น Arduino, ARM CMSIS, Mbed OS, Zephyr OS, STM32 HAL, ESP-IDF เป็นต้น และได้รับความนิยมค่อนข้างมาก
    • เหมาะสำหรับผู้ที่ต้องการใช้งาน VS Code เป็น IDE สำหรับการเขียนโปรแกรมทั่วไป
  • Visual Studio Code + Arduino Extension พัฒนาโดย Microsoft
  • Eclipse C/C++ IDE ติดตั้งใช้งานร่วมกับ Plug-in เช่น Arduino Create Eclipse Plug-in
  • Atmel Studio IDE 7 / Microchip Studio IDE
    • ผู้ใช้สามารถนำเข้าไฟล์ Arduino Sketch (.ino) มาสร้างเป็นโปรเจกต์และคอมไพล์โค้ดได้ แต่ใช้ได้เฉพาะกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิป ATmega/AVR เท่านั้น เช่น บอร์ด Uno / Nano
    • มีข้อดีคือ สามารถใช้ซอฟต์แวร์นี้ จำลองการทำงานของโปรแกรมได้ (Built-in AVR Instruction-Set Simulator)
  • Energia IDE
    • เป็นซอฟต์แวร์ประเภท IDE ที่มีลักษณะเหมือน Arduino IDE และเขียนโค้ด Arduino Sketch ได้
    • แต่ใช้ได้เฉพาะกับไมโครคอนโทรลเลอร์ของบริษัท Texas Instruments (TI) เท่านั้น (MSP430 / MSP432 / CC3200 / TivaC)
    • เวอร์ชันล่าสุดที่มีการอัปเดต คือ Energia 1.8.10E23 (17 Dec. 2019) ดังนั้นจึงไม่แนะนำให้ใช้งาน
  • ซอฟต์แวร์ในกลุ่ม Commercial ที่นำมาใช้ได้สำหรับการเขียนโค้ด Arduino ก็มีตัวอย่างเช่น


รูปภาพ: Arduino Extension for VS Code

 


รูปภาพ: PlatformIO Extension for VS Code

 


รูปภาพ: ตัวอย่างการเขียนโค้ด Arduino LED Blink โดยใช้ VS Code IDE + PlatformIO

 

▷ ซอฟต์แวร์สำหรับจำลองการทำงานของบอร์ด Arduino#

ในกรณีที่ยังไม่มีบอร์ด Arduino แต่ต้องการเรียนรู้การเขียนโค้ดและทดสอบการทำงานของโค้ด ก็มีตัวเลือกของซอฟต์แวร์ที่ใช้งานได้ฟรีในระบบคลาวน์ และใช้งานผ่านเว็บเบราว์เซอร์ ดังนี้

  • AUTODESK Tinkercad - Circuits — ผู้ใช้สามารถต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์เสมือนจริงได้ โดยใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน รวมถึงบอร์ด Arduino Uno มาต่อเป็นวงจร และเขียนโค้ด Arduino Sketch (C/C++) หรือจะใช้รูปแบบการเขียนโค้ดแบบต่อบล็อกก็ได้ (Block-based Coding) และจำลองการทำงานของวงจรโดยรวมได้ (Circuit Simulation) ผู้สามารถทดสอบการทำงานของโค้ดสำหรับ Arduino ได้พร้อมกับการทำงานของวงจรในส่วนอื่น และสามารถเลือกตำแหน่งหยุดการทำงานชั่วคราวในโค้ดที่เขียนได้ (Breakpoints)
  • Wokwi Arduino Online Simulator — เป็นซอฟต์แวร์อีกตัวเลือกหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ได้สำหรับการทดลองเขียนโค้ด เช่น สำหรับบอร์ด Arduino Uno / Nano / Mega บอร์ด Raspberry Pi Pico (RP2040) และบอร์ด ESP32 / ESP32-S2 / ESP32-C3 สร้างเป็นวงจรเสมือนจริง โดยใช้โมดูลอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ จากไลบรารีของอุปกรณ์ (เรียกว่า Wokwi Elements) และจำลองการทำงานได้ ซอฟต์แวร์นี้เป็น Open Source และใช้ภาษา TypeScript / JavaScript ในการพัฒนา (มีการแชร์โค้ดไว้ใน Github repo)


รูปภาพ: ตัวอย่างการใช้งาน Tinkercad Circuits ทดลองโค้ดตัวอย่าง LED Blink

 


รูปภาพ: ตัวอย่างการใช้งาน Wokwi Online Simulator

 

▷ ตัวเลือกสำหรับ Arduino & RTOS Programming#

ถ้าต้องการเขียนโค้ด Arduino Sketch โดยใช้ RTOS ร่วมด้วย ในปัจจุบันก็มีตัวเลือกตามตัวอย่างดังนี้

  • Arduino FreeRTOS Library for AVR (code repository)
    • รองรับการใช้งาน FreeRTOS v10.5.0 (เวอร์ชันล่าสุด: สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565)
    • ใช้ได้สำหรับบอร์ด Uno / Nano / MEGA2560
  • Arduino FreeRTOS Library for DUE / ATSAM3X8E
    • ใช้ได้สำหรับบอร์ด Arduino DUE เท่านั้น
    • รองรับการใช้งาน FreeRTOS v10.1.1 (สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565)
    • ตัวเลือกอื่น: freertos-arduino-due-demo เพื่อใช้งาน FreeRTOS v10.2.1 สำหรับ ATSAM3X8E (แต่ไม่ใช่ไลบรารีสำหรับ Arduino)
  • Arduino FreeRTOS Library for SAMD21 (code repository)
    • ใช้ได้สำหรับบอร์ดในตระกูล ZERO / MKR (ATSAMD21-based) เท่านั้น
    • รองรับการใช้งาน FreeRTOS v10.2.1 (สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565)
  • Arduino FreeRTOS Library for SAMD51 (code repository)
    • ใช้ได้สำหรับบอร์ดไมโครโทรลเลอร์ ATSAMD51 เท่านั้น
    • รองรับการใช้งาน FreeRTOS v10.2.1 (สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565)
  • Arduino FreeRTOS Library for STM32 (code repository)
    • รองรับการใช้งาน FreeRTOS v10.3.1 (เวอร์ชันล่าสุด: สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565)
  • Adafruit Arduino Core for nRF52
    • ใช้ FreeRTOS v10.0.1 เป็นพื้นฐานในการพัฒนาโค้ด (สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565)
  • Arduino Core for RP2040 by Arduino.cc
    • ใช้ Arm Mbed OS 6.16.0 เป็นพื้นฐานในการพัฒนาโค้ด (ดูได้จากไฟล์ mbed_version.h)
    • เวอร์ชันล่าสุดคือ 3.4.1 (สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565)
  • Arduino Core for RP2040 by Earle Philhower
    • รองรับการใช้งาน FreeRTOS v10.51 (สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565) และใช้งานได้แบบ SMP (Symmetric Multi-Processing) สำหรับมัลติคอร์ (Dual Arm Cortex-M0+ Core) ภายในชิป RP2040
  • Arduino-ESP32
    • ใช้ Espressif ESP-IDF เป็นพื้นฐานในการทำงาน
    • รองรับการใช้งาน FreeRTOS-SMP ในกรณีที่ใช้ชิป ESP32 และ ESP32-S3 เป็นต้น มีหลายเวอร์ชัน เช่น FreeRTOS v10.4.3 สำหรับ ESP-IDF v5.0 (สืบค้นเมื่อวันที่ 10 ธ.ค. 2565)

▷ ข้อควรระวังในการต่อวงจรร่วมกับบอร์ด Arduino#

  • ศึกษาคู่มือหรือไฟล์เอกสาร (Manuals / Datasheets) ของบอร์ดหรืออุปกรณ์ก่อนที่จะใช้งาน
  • ห้ามป้อนแรงดันไฟฟ้าสูงหรือต่ำกว่าข้อกำหนดของบอร์ด และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ระวังการต่อไฟกลับขั้ว (Reverse Polarity) เพราะจะทำให้อุปกรณ์ชำรุดเสียหายได้
  • ในการต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพื่อใช้งานร่วมกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ เช่น การต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ควรตรวจสอบ ความถูกต้องของวงจรก่อน แล้วจึงจ่ายไฟ ไม่ควรแก้ไขหรือปรับแก้การต่อวงจรในขณะที่มีการจ่ายไฟอยู่ เพราะถ้าต่อวงจรผิดพลาด จะทำให้อุปกรณ์ชำรุดเสียหายได้
  • แต่ละขา I/O ของไมโครคอนโทรลเลอร์ มีข้อจำกัดในการรับหรือจ่ายกระแส (Current Sink & Source) โดยจำกัดกระแสสูงสุดต่อหนึ่งขา (และถ้าใช้หลายขาในพอร์ต I/O เดียวกัน ก็มีข้อจำกัดปริมาณกระแสต่อหนึ่งพอร์ตอีกเช่นกัน) ยกตัวอย่าง ขาของชิป ATmega328P บนบอร์ด Uno หรือ Nano จะทนกระแสไฟฟ้าตรงต่อหนึ่งขา (DC Current per I/O Pin) ได้ไม่เกิน 40 mA (สูงสุด) แต่โดยทั่วไปแล้ว ก็ไม่ควรเกิน 25mA ถ้าต้องการใช้ร่วมกับโหลดที่มีต้องการกระแสสูง ให้ใช้โมดูลหรือวงจรอื่นมาต่อเพิ่ม เช่น วงจรทรานซิสเตอร์ วงจรรีเลย์ เป็นต้น ตามความเหมาะสมในการใช้งาน
  • ในกรณีที่ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานด้วยแรงดันไฟเลี้ยง +3.3V กระแสไฟฟ้าที่ขา I/O ไม่ควรเกิน 10mA (หรือมีปริมาณกระแสน้อยกว่านี้) เพราะจะทำให้ระดับแรงดันไฟฟ้าสำหรับลอจิก 0 (Low) หรือ 1 (High) อยู่นอกช่วงที่กำหนดไว้
  • ดังนั้นจึงต้องศึกษาและตรวจสอบจาก Datasheet ของผู้ผลิต เช่น ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับขา I/O ในหัวข้อ I/O Drive Strength (ความสามารถในการรับหรือจ่ายกระแสที่ขา), I/O Pin Characteristics (คุณลักษณะของขาอินพุต-เอาต์พุต) และ Electrical Characteristics (คุณลักษณะทางไฟฟ้า)

▷ ตัวอย่างคำถามสำหรับการทบทวน / เรียนรู้เพิ่มเติม#

  • จงบอกข้อดีหรือจุดเด่นของการเขียนโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์โดยใช้ Arduino สำหรับผู้ที่เริ่มต้นเรียนรู้ มาสัก 3 ข้อ
  • ซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้องกับ Arduino จำแนกออกเป็นประเภทต่าง ๆ ได้อย่างไรบ้าง
  • จงอธิบายความหมายของคำว่า Arduino Core และขั้นตอนการติดตั้งใช้งานใน Arduino IDE
  • นอกจากซอฟต์แวร์ Arduino IDE แล้ว ยังมีซอฟต์แวร์อื่นจาก Third-Party ที่เราสามารถนำมาใช้ ในการเขียนโค้ด Arduino Sketch ได้อีกหรือไม่ (ลองสำรวจและสืบค้นจากอินเทอร์เน็ตเพื่อเป็นแนวทางในการหาคำตอบ)
  • ถ้ายังไม่มีบอร์ด Arduino แต่ต้องการเรียนรู้และฝึกเขียนโค้ด Arduino Sketch และทดลองการทำงานของโค้ดที่เขียนได้ จะมีตัวเลือกอย่างไรบ้าง
  • จงอธิบายความสำคัญของ Arduino Bootloader จะต้องเตรียมอุปกรณ์และซอฟต์แวร์อย่างไรบ้าง และมีขั้นตอนอย่างไร
  • ถ้าต้องการจะติดตั้งหรือเขียนไฟล์ Arduino Bootloader ลงในชิปของบอร์ด Arduino Uno / ATmega328P
  • จงเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างบอร์ด Uno (Rev.3) และ Nano v3.3 เช่น ศึกษาและเปรียบเทียบข้อมูลเชิงเทคนิคของบอร์ดจากไฟล์ Schematic ของทั้งสองบอร์ด
  • จงสำรวจและสืบค้นข้อมูลในอินเทอร์เน็ตเกี่ยวกับบอร์ด Uno หรือ Nano และหาตัวอย่างบอร์ดอื่นที่สามารถใช้แทนที่ได้ (เรียกว่าเป็นบอร์ด Arduino-Compatible)
  • บอร์ด Arduino บางรุ่น ใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ระดับ +5V แต่บางรุ่นใช้ +3.3V การใช้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำลงมีข้อดีอย่างไร และมีข้อควรระวังในการนำไปใช้งานอย่างไรบ้าง
  • จงหาตัวอย่างบอร์ด Arduino Clone ที่มีราคาถูกกว่าหรือแตกต่างจากบอร์ดแท้ (Arduino Official Boards) และลองเปรียบเทียบผังวงจรของบอร์ด (Schematic) การจัดวาง Layout และรายการชิ้นส่วนของวงจรอิเล็กทรอนิกส์บนบอร์ด เพื่อสังเกตและเปรียบเทียบความแตกต่าง
  • จงอธิบายความหมายของคำว่า Arduino Shield และถ้าต้องการใช้บอร์ด Arduino ควบคุมการเปิด-ปิดกระแสให้อุปกรณ์ที่เป็นโหลดไฟฟ้า จะเลือกใช้บอร์ด Shield อย่างไรได้บ้าง (ลองสำรวจและสืบค้นจากอินเทอร์เน็ต)
  • โดยทั่วไปแล้ว บอร์ด Arduino ใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้าจากพอร์ต USB นอกจากคอนเนกเตอร์ USB แลัว มีช่องทางอื่นในการจ่ายแรงดันไฟเลี้ยงบนบอร์ดหรือไม่ ยกตัวอย่างมาสัก 2 กรณี
  • ถ้ามีบอร์ด Arduino (ใช้ตัวประมวลผล 8 บิต หรือ 32 บิต) แต่ไม่อยากเขียนโค้ดด้วยภาษา C/C++ มีตัวเลือกภาษาคอมพิวเตอร์อื่นอีกหรือไม่ ลองสำรวจสืบค้นจากอินเทอร์เน็ต แล้วนำเสนอตัวอย่าง (เช่น การเขียนโค้ดด้วยการต่อบล็อกโดยใช้ซอฟต์แวร์ Mixly และ ArduBlock การเขียนโค้ดโดยใช้ภาษา TinyGo หรือ MicroPython / CircuitPython เป็นต้น)
  • บอร์ด Arduino เช่น Arduino Uno หรือ Nano ไม่สามารถเชื่อมต่อระบบเครือข่ายได้โดยตรง ในกรณีนี้เราจะสามารถเลือกอุปกรณ์หรือฮาร์ดแวร์เสริมนำมาต่อเพิ่มอย่างไรได้บ้าง ทั้งแบบใช้สายไฟเชื่อมต่อ และแบบไร้สาย (เช่น การเชื่อมต่อด้วยโมดูล Ethernet การเชื่อมต่อด้วย Bluetooth-Serial หรือ WiFi-Serial) และมีไลบรารีที่จำเป็นต้องใช้ร่วมด้วยอย่างไรบ้าง
  • ลองสำรวจดูว่า ในปัจจุบันมีซอฟต์แวร์ที่เป็น Arduino Core สำหรับชิปหรือบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์อื่นอีกที่ไม่ใช่บอร์ดของ Arduino.cc ยกตัวอย่างมาสัก 3 กรณี
  • จงเปรียบเทียบข้อดีและข้อจำกัด เมื่อใช้ซอฟต์แวร์ (1) Arduino IDE / Arduino Web Editor และ (2) Arduino Create สำหรับการเขียนโค้ด Arduino Sketch
  • จงเปรียบเทียบความแตกต่าง ถ้าจะเขียนโปรแกรมด้วยภาษา C สำหรับชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ Atmel AVR เมื่อเลือกใช้งาน Arduino IDE หรือใช้ตัวเลือกต่อไปนี้

▷ กล่าวสรุป#

เราได้ทำความรู้จักกับ Arduino ในเบื้องต้นไปบ้างแล้ว และได้เรียนรู้เรื่องราวเกี่ยวกับวิวัฒนาการของบอร์ด Arduino และซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งมีการเริ่มต้นตั้งแต่ปีค.ศ. 2005 เป็นต้นมา เราได้เห็นว่า ผู้พัฒนา Arduino ได้ออกแบบฮาร์ดแวร์รุ่นใหม่ ๆ ออกมาหลายรุ่นหลายแบบ และเลือกใช้ตัวประมวผล 32 บิต ตามสถาปัตยกรรมตระกูล Arm Cortex-M Series เป็นส่วนใหญ่ แต่บอร์ดที่ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิต ยังคงมีอยู่ต่อไป และก็ยังคงเหมาะสำหรับคนเริ่มต้นหรือเรียนรู้ในระดับ Basic / Entry-Level

บอร์ดที่ใช้ตัวประมวผล 8 บิต เช่น Uno หรือ Nano มีราคาต่ำกว่าบอร์ด Ardiuno ที่ใช้ชิป 32 บิต นอกจากนั้นแล้ว ยังมีบอร์ดประเภท Arduino Clone ที่ได้มีการผลิตออกมาในราคาที่ต่ำกว่ามาก (ส่วนใหญ่ก็มาจากประเทศจีน) และมีบอร์ดที่สามารถใช้แทนได้และราคาไม่แพง เขียนโปรแกรม Arduino Sketch ได้ ยกตัวอย่างเช่น บอร์ดที่ใช้ชิป ESP8266 / ESP32 Series ของบริษัท Espressif เป็นต้น หรือบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิปรุ่นอื่นและมีการผลิตในประเทศจีน ดังนั้นผู้ใช้จึงมีตัวเลือกค่อนข้างมากในปัจจุบัน

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2021-11-03 | Last Updated: 2024-03-24