MAKER UNO + で始めるSTEM (3) パーツ

　Arduinoは、当初AVRマイコンを利用しました。その後armマイコンのCortex-M3およびCortex-M0が対応になりました。利用できるディジタル入出力、アナログ入力のビット数など、小さな差はありますが、delay(1000);と記述すれば、いずれのマイコン・ボードも1000msの間、時間待ちをします。

　現在利用できるマイコン、ボード類は、こちらからわかります。

●CPUまわり

　マイコンは、それ単体では動きません。MAKER UNO + は、Arduino UNOと同じ8ビット・マイコンATMega328（A）です。外形は異なります。Arduino UNOはDIP（Dual Inline Package）ですが、MAKER UNO +はQFN/MLF28（MicroLeadFrame）パッケージです。一般的な名称SMD（Surface Mount Device）と呼ばれることもあります。

　ATMega328の電源電圧は1.8～5.5Vです。Arduinoでは5Vで動かしています。この電圧で動作できるクロックは20MHzですが、何かの都合で16MHz（B）が使われています。

　(A) マイコンはATMega328です。ほとんどのピンは、左右に並んだピンヘッダにつながっています。

　(B) クロックです。マイコンはクロックに従って動きます。PCで使われているマイコンは1～4GHzで動作します。クロックの周波数が高いほど、消費電流は大きくなります。消費電力を下げるために、時計用32.768kHzの水晶振動子を搭載したマイコンもあります。発振周波数の確度は低いですが、セラミック振動子も利用できます。こちらは二つのコンデンサが不要なので、価格を下げられます。
　最近ではMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）の発振器も急速に増えています。

　(C) 3.3Vの電源を作っている部分です。USBケーブルでPCから5Vが配給されます。その5Vから3.3Vを作るのがレギュレータICです。レギュレータICには、リニアとスイッチングがあります。ここではリニアICが使われています。変換効率はスイッチングICに比べてよくないので、電流が流れると発熱します。Arduino UNOではDCジャック入力から5Vを作る、リード線が3本の3端子レギュレータICが使われています。
　電解コンデンサと積層セラミック・コンデンサは、レギュレータICの安定な動作のために入っています。

●USB-シリアル変換器

　コンピュータが外部とデータのやり取りするインターフェースのほとんどはシリアル通信です。初期のころはパラレル通信が多かったのですが、通信速度が上がるにつれて、姿を消しました。
　8ビット・マイコンは、非同期の調歩同期通信のシリアル・インターフェースが必ずといってよいほど搭載されています。現在ではUARTと呼ぶのが一般的ですが、古くは、RS-232C（俗称）のTTLレベルとも呼ばれていました。UARTも実はほんとうではなくUSART（Universal Synchronous and Asynchronous Receiver and Transmitter）です。Asynchronous＝同期通信は、IBMのコンピュータとの通信に使われていたものと思われますが、現在は使われていないようです。

　調歩同期式シリアル通信は、PCでCOMポートとして扱われます。現在のPCには調歩同期式シリアル通信用コネクタD-SUB9ピンは存在しません。通常USBポートが代用されます。

　Arduino UNOは現在Rev.3です。USB-シリアル変換はATMega16U2というマイコンを使っています。Rev.2まではATMega8U2でした。USBプロトコルの規格の一つであるCDC（Communication Device Class）ドライバが書き込まれています。UNOのひとつ前のモデルArduino Duemilanoveは、FTDI社のFT232RLを利用していました。

　FT232RLはマイコンより高価なICでした。現在では、同様な機能をもつICにCP210xやCH34xがあるので、UNOの互換品はそれらを使っています。Arduino UNOはFTDIのICより低価格なUSB機能付きマイコンを選びました。現在、FTDIは安価なFT231xなどを出荷しています。

　FT231xの信号は、Rx/Txの信号だけでなくハードウェア・フロー制御用DTR端子が0.1uFを通してATMega328のReset端子につながっています。これは、Duemilanoveと同じく、Arduino IDEでコンパイルが終わって、機械語をArduinoに書き込む前に、DTR信号をLOWにします。マイコンはリセットがかかるとブートローダが起動し、機械語が送られてくるのを待ちます。

●追加されたパーツ

　ButtonはディジタルI/Oの2番につながっています（直列に1kΩの抵抗が入っている）。