วิวัฒนาการของบอร์ด Arduino: จากการเริ่มต้นด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิต ไปสู่ 32 บิต

• ยกตัวอย่างและเปรียบเทียบบอร์ด Arduino ประเภทต่าง ๆ ในแต่ละยุคสมัย

• จ าแนกประเภทบอร์ด Arduino ส าหรับการน าไปใช้งาน

• เรียนรู้แนวทางในการเลือกบอร์ด Arduino และบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่

เป็นตัวเลือกอื่น มาใช้ส าหรับการเรียนรู้ด้านระบบสมองกลฝังตัว (Embedded

Systems)

IoT Engineering Education @KMUTNB 2019-12-23

This document is distributed for educational use, under the Creative Commons license:Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0). 1

2

• เรื่องราวเกี่ยวกับ Arduino เริ่มต้นในสถาบันการศึกษาแห่งหนึ่งที่มีชื่อว่า Interaction Design Institute ในเมือง Ivrea ประเทศอิตาลี (Italy)

• ในปีค.ศ. 2005 Massimo Banzi ได้รับการจ้างให้เป็นอาจารย์สอน ณ สถาบันดังกล่าว และมีความคิดที่จะพัฒนาฮาร์ดแวร์-ซอฟต์แวร์ที่เหมาะกับงานด้าน Interactive Design

• Hernando Barragán นักศึกษาชาวโคลัมเบีย และเป็นลูกศิษย์ของ Banzi ได้พัฒนาซอฟต์แวร์ Wiring Development Platform เพื่อใช้เป็น IDE ในการเขียนโค้ด โดยได้แนวคิดในการพัฒนามาจากซอฟต์แวร์ Processing ของ MIT Media Lab และได้น าเสนอเป็นส่วนหน่ึงของวิทยานิพนธ์ที่มีชื่อหัวข้อ “Arduino - The Revolution of Open Hardware”

• Banzi และทีมงาน ได้พัฒนาบอร์ดต้นแบบครั้งแรกในปี ค.ศ. 2005 และต้องการให้เป็น Open Source และ Open Hardware => Open-source electronics platform

Wiring (http://wiring.org.co/)- is an open-source programming framework for microcontrollers.- was initiated by Hernando Barragán.- is based on Processing IDE (http://processing.org/).

History & Development of Arduino Boards

3

Arduino developer team: David Cuartielles, Gianluca Martino, Tom Igoe, David Mellis, and Massimo Banzi

Photo Courtesy: IEEE Spectrum

“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)https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/the-making-of-arduino

History & Development of Arduino Boards

4

History & Development of Arduino Boards

Processing IDE Arduino IDE

เปรียบเทียบระหว่าง Processing IDE และ Arduino IDE

5

Source: https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/the-making-of-arduino

Photo by Massimo BanziThe first prototype board, made in 2005, was a simple design, and it wasn’t called Arduino. Massimo Banzi coined the name later that year.

ATMEL ATmega8 Flash MCU

History & Development of Arduino Boards

6

Arduino Duemilanove

Arduino Serial

Source: https://www.arduino.cc/en/Main/Boards

Arduino Diecimila

History & Development of Arduino Boards

ATmega8 MCU(16MHz, 5V)RS232 Serial

Connection

7

History & Development of Arduino Boards

Source: https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/ArduinoDiecimilaComponents.jpg

8AVR Block Diagram

• บริษัท Atmel Norway (a subsidiary of Atmel) ได้เริ่มผลิตไมโครคอนโทรลเลอร์ AVR ตั้งแต่ปีค.ศ. 1997• แบ่งเป็น 3 ตระกูลของ AVR: TinyAVR, megaAVR และ XMEGA• บริษัท Atmel ถูกซื้อกิจการ โดยบริษัท Microchip ในปีค.ศ. 2016

History & Development of Arduino Boards

9

28-pin DIP 32-pin TQFP

History & Development of Arduino Boards

100-pin TQFP

ATmega8 (https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega8) - SRAM: 1KB, Flash: 8KB, EEPROM: 512 Bytes

ATmega168p (https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega168p) - SRAM: 1KB, Flash: 16KB, EEPROM: 512 Bytes

ATmega328p (https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328p)- SRAM: 2KB, Flash: 32KB, EEPROM: 1024 Bytes

ATmega1280 (https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega1280)- SRAM: 8KB, Flash: 128KB, EEPROM: 4096 Bytes

ATmega2560 (https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega2560)- SRAM: 8KB, Flash: 256KB, EEPROM: 4096 Bytes

10Source: https://blog.arduino.cc/wp-content/uploads/2013/11/ArduinoEvolution_make.jpg

11Source: https://core-electronics.com.au/media/kbase/207/history-of-arduino-poster-a3.pdf

12

ทิศทางการพัฒนาบอร์ด Arduino (1) - เริ่มต้นโดยเลือกใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ ขนาด 8 บิต (5V) ของบริษัท Atmel เช่น

ATmega8, ATmega168, ATmega328 และ ATmage1280 และ ATmega2560

- มีความแตกต่างกัน เช่น ความจุของหน่วยความจ า SRAM (Data Memory) และ Flash

(Program Memory) จ านวนขา I/O และ ชนิดของตัวถัง (IC Package) เป็นต้น

- ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์เหล่านี้ เป็นของบริษัท ATMEL ตามสถาปัตยกรรมชุดค าสั่งที่

เรียกว่า AVR ภายในมีซีพียู 8 บิต แบบ RISC (Modified Harvard Architecture)

- มีการใชช้ิป เช่น FT232R หรือ ATmega32u2 ท าหน้าที่เป็นโมดูล USB-to-Serial

- มีการเปลี่ยนมาใช้ชิป ATmega32u4 เช่น บอร์ด Arduino Leonardo และ Arduino Micro

- สามารถเชื่อมต่อกับพอร์ต USB ได้ โดยไม่ต้องใช้ชิป USB-to-serial เหมือนกรณีของ

บอร์ด Uno และ Nano และบอร์ดอ่ืน ๆ

History & Development of Arduino Boards

13

ทิศทางการพัฒนาบอร์ด Arduino (2) - ในปีค.ศ. 2012 ได้เริ่มจ าหน่ายบอร์ด Arduino DUE

- ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ Atmel SAM3X8E (32-bit, 84MHz) สถาปัตยกรรม ARM Cortex-M3

- Arduino DUE ถือว่าเป็นบอร์ดแรกของ Arduino ที่เลือกใช้ซีพียู 32 บิต (3.3V)

- URL: https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoDue

- ในปีค.ศ. 2013 ได้เริ่มจ าหน่ายบอร์ด Arduino Yún- มีตัวประมวลผล Atmel ATmega32U4 ท างานร่วมกับ Atheros AR9331 (Embedded Linux /

OpenWRT) สามารถเชื่อมต่อ Wi-Fi และ Ethernet ได้

- URL: https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoYun

- ในปีค.ศ. 2015 ได้มีเริ่มจ าหน่ายบอร์ด Arduino / Genuino 101- ใช้โมดูล Intel Curie ใชช้ิป Intel x86 Quark SE C1000 MCU, 32MHz

- URL: https://www.arduino.cc/en/guide/arduino101

- ในปีค.ศ. 2015 ได้เริ่มจ าหน่ายบอร์ด Arduino Zero- ใช้ชิป ATSAMD21G18A (32-bit ARM Cortex-M0+), 48MHz

- URL: https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoZero

History & Development of Arduino Boards

14Source: https://core-electronics.com.au/media/kbase/207/history-of-arduino-poster-a3.pdf

ตัวอย่างการแบ่งกลุ่มบอร์ด Arduino ส าหรับการน าไปใช้งาน • Industrial เหมาะส าหรับน าไปใช้ในงานอุตสาหกรรม มีการเลือกใช้ชิป

ไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต• Educational เหมาะส าหรับน าไปใช้สอนในชั้นเรียน ด้าน STEM• IoT เน้นการเชื่อมต่อผ่านเครอืข่าย โดยใช้ Ethernet / Wi-Fi และ

Bluetooth เป็นต้น• Wearables บอร์ดขนาดเล็ก เป็นแผ่นวงกลม ใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่ง

พลังงานไฟฟ้า ไม่ต้องบัดกรีเชื่อมต่อสายไฟส าหรับขา I/O• Maker บอร์ดส าหรับนักประดิษฐ ์ราคาไม่แพง หรือหลายรูปแบบให้

เลือกใช้ บางบอร์ดมีลักษณะเปน็โมดูลมีขาส าหรบัเสียบบนเบรดบอร์ดได้• นอกจากนั้นอาจเป็นกลุ่มเพิ่มใหม่ได้อีก เช่น Embedded AI หรือ AIoT

(AI+IoT) หรือ eML (Embedded Machined Learning)

15

Source: https://www.arduino.cc/en/Main/Products

Arduino Official Boards

การจ าแนกประเภทของบอร์ด Arduino ตามความเหมาะสมในการน าไปใช้งาน

16Source: https://www.arduino.cc/en/Products/Compare

Arduino Boards Comparison

17

Arduino Boards: Entry Level

18

Arduino Boards: Enhanced Features

19

Arduino Boards: IoT

20

ตัวอย่างค าถามเพื่อก าหนดแนวทางการเรียนรู้:• จงยกตัวอย่างเกณฑ์ หรือหัวข้อในการจ าแนกและเปรียบเทียบบอร์ด Arduino

• เปรียบเทียบระหว่างบอร์ด Arduino ที่ใช้ชิป Atmel AVR ขนาด 8 บิต เหมือนกัน

เช่น ชิป ATmega328P

• เปรียบเทียบระหว่างบอร์ด Arduino ที่ใช้ ATmega328P กับบอร์ดที่ใช้ ATmega32U4

• เปรียบเทียบบอร์ด Arduino ที่สามารถเสียบขาใช้งานร่วมกับ Arduino Shield เช่น

บอร์ด Uno และ Mega2560 และบอร์ด Arduino อื่น ๆ

• จงเปรียบเทียบระหว่างบอร์ด Arduino Uno R3 หรือ Nano V3.x กับบอร์ด DUE

ในประเด็นต่าง ๆ เช่น

• คุณสมบัติของฮาร์ดแวร์ (ไมโครคอนโทรลเลอร์)

• ซอฟต์แวร์และเครื่องมือที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาโค้ดส าหรับ Arduino

• จงเปรียบเทียบระหว่างบอร์ด Arduino ที่ใช้ MCU ขนาด 32 บิต เช่น Arduino DUE

และบอร์ด Arduino ในตระกูล MKR

History & Development of Arduino Boards

21

Source: https://store.arduino.cc/usa/arduino/arduino-mkr-family

Arduino MRR ZERO Arduino MKR1000

Arduino MKR Boards:- MKR ZERO- MKR1000 (WIFI)- MKR WIFI 1010- MKR FOX 1200 (Europe only)- MKR WAN 1300 (LoRA)- MKR GSM 1400- MKR NB 1500 (NB-IoT)

Arduino MKR Family

22

Arduino Nano 33 IoT (US $18)- MCU: SAMD21G18A (32-bit ARM Cortex-M0+ CPU)- Clock Frequency: 48MHz - Memory: Flash 256KB, SRAM 32KB- Operating Voltage: 3.3V- WiFi and BT module: Ublox NINA W102 (ESP-based) - Crypto chip: ATECC608- 6-axis IMU chip: LSM6DS3

Arduino Nano 33 BLE ($19)- MCU: nRF52840 (32-bit ARM Cortex-M4F CPU)

integrated in Ublox NINA B306 module- Clock Frequency: 64 MHz- Memory: Flash 1MB, SRAM 256KB- Operating Voltage: 3.3V- Bluetooth 5.0: built-in - Crypto chip: ATECC608- 9-axis IMU chip: LSM9DS19- RGB and gesture sensor: APDS-9960- Relative humidity and temperature sensor: HTS221

https://store.arduino.cc/usa/nano-33-iot https://store.arduino.cc/usa/arduino-nano-33-ble

Arduino Nano 33

23

Arduino Nano Every ($9.90)- MCU: ATMega4809 (8-bit AVR) - Clock Frequency: 20MHz - Operating Voltage: 5V- Memory: 48KB Flash, 6KB SRAM, 256-byte EEPROM- USB-to-serial chip: ATSAMD11D14A

https://store.arduino.cc/usa/nano-every

Arduino Nano Every

24

Arduino Nano V3.0 vs. DUE R3

การเลือกใช้บอร์ด Arduino Nano v3.0 (ATmega328P) และบอร์ด Arduino DUE R3 (SAM3X8E)เป็นกรณีศึกษาและเปรยีบเทียบความแตกต่างในเชงิฮาร์ดแวร์และการเขยีนโปรแกรม

25

Arduino Nano v3.x Arduino DUE R3

MCU: ATmega328 (AVR)Clock Speed: 16 MHzOperating Voltage: 5VFlash: 32 KB (2KB used by bootloader)SRAM: 2 KBEEPROM: 1 KBDigital I/O Pins: 22 (6 of which are PWM)UART: 1I2C/TWI: 1SPI: 1Analog Input Pins: 8 (10-bit)Analog Output Pins (DAC): -

MCU: AT91SAM3X8E (ARM Cortex-M3)Clock Speed: 84 MHzOperating Voltage: 3.3VFlash: 512 KB SRAM: 96 KB (two banks: 64KB + 32KB)EEPROM: -Digital I/O Pins: 54 (of which 12 are PWM)UARTs: 4I2C/TWI: 2SPI: 2Analog Input Pins: 12 (12-bit)Analog Output Pins (DAC): 2 (12-bit)

Arduino Nano V3.0 vs. DUE R3

https://store.arduino.cc/usa/duehttps://store.arduino.cc/usa/arduino-nano

Release Date: September 24, 2010 Release Date: October 22, 2012

26

Price: US $38.50Price: US $22.00

Arduino Nano vs. DUE

China Products: approx. US $13.00China Products: approx. US $3.00

27

Datasheet: 294 Pages Datasheet: 1459 Pages

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf

https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-11057-32-bit-Cortex-M3-Microcontroller-SAM3X-SAM3A_Datasheet.pdf

Arduino Nano vs. DUE

28

8-bit and 32-bit MCU Boards (Arduino)

Arduino Uno R3 (8-bit)

Arduino DUE R3 (32-bit)

Arduino Mega2560 R3 (8-bit)

Arduino Leonardo (8-bit MCU)

Examples Arduino Boards in an Arduino-Shield-compatible form factor

Sparkfun Pro Micro(ATmega32u4, built-in USB-to-serial)

Arduino Nano v3.0(ATmega328P, with USB-to-serial chip)

Sparkfun Pro Mini(ATmega328P, no USB-to-serial)

Examples Arduino Boards in a breadboard-friendly form factor

8-bit MCU Boards (Arduino)

Arduino Micro(ATmega32U4, built-in USB-to-serial)

29

Arduino Nano Every(ATmega4809, with USB-to-serial)

30

Sipeed Longan NanoGD32V (RISC-V 32-bit)

PJRC Teensy 3.6(NXP/Freescale MK66FX1M0)

BluePill STM32F103PJRC Teensy 3.2(NXP/Freescale MK20DX256)

STM32F401 Dev. Board RobotDyn SAMD21

32-bit Microcontroller Boards Examples of 32-bit MCU Boards

(in a breadboard-friendly form factor)

31

8-bit MCU Boards (Arduino-Compatible)

Examples Arduino-Nano Compatible Boards + Wireless SoC (2.4GHz) (in a breadboard-friendly form factor)

Keywish RF Nano v3.0 (ATmega328P + Nordic nRF24L01)

Keywish BLE Nano v3.0 (ATmega328P + TI CC2540 BT 4.0)

DFRobot Bluno Nano(ATmega328P + TI CC2540 BT 4.0)

32

8-bit Wireless MCU / SoC Boards

Examples MCU + Wi-Fi SoC / Module (2.4GHz) Boards (in an Arduino-Shield compatible form factor)

RoboDyn MEGA + WiFi R3

(ATmega2560 + ESP8266 Wi-Fi)

Arduino Uno WiFi Rev2

(ATmega4809 + u-blox NINA-W13 Wi-Fi)

33

Nordic nRF52840 USB Dongle(IEEE 802.15.4 & BT 5.0)

ESP32 NodeMCU(Wi-Fi & BT 4.2, 2.4GHz)

ESP8266 NodeMCU(Wi-Fi, 2.4GHz)

32-bit Wireless MCU / SoC Boards

Arduino Nano 33 IoT(Atmel SAMD21G18A, u-blox NINA W102 Wi-Fi)

Arduino Nano 33 BLE(u-blox NINA B306 BLE module with nRF52840)

Examples MCU + Wireless SoC / Module (2.4GHz) Boards(in a breadboard-friendly form factor)

34

Arduino MKR WAN 1310 (Atmel SAMD21, Murata CMWX1ZZABZ LoRa module)

Arduino MKR FOX 1200(Atmel SAMD21, ATA8520 SigFox module)

32-bit MCU Boards with Long-Range Communication

Examples of Arduino Boards with Long-Range Communication Module(in a breadboard-friendly form factor)

35

OPEN-SMART Lilypad (ATmega328P)Wearable Development Board

LilyPad ATtinyy85 DigiSpark Adafruit GEMMA M0Development Board

Wearable MCU Development Boards

Examples of MCU Boards with a circular form factor

36

8-bit MCU Boards (ATmega4808 / 4809)

Source: https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-wifi-rev2Schematic: https://content.arduino.cc/assets/UNOWiFiREV2V4.0_sch.pdfTutorial: https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoUnoWiFiRev2

ARDUINO UNO WIFI REV2 BOARD• MCU: ATMEGA4809 (8-bit, 16MHz)• Flash Memory: 48 KB• SRAM: 6,144 Bytes • EEPROM: 256 Bytes• USB-to-Serial/Programming: ATmega32U4 (5V)• WiFi/BLE: NiNA-W13 module (3.3V, SPI, Serial, I2C) • Hardware security support: ATECC608 (5V,I2C)• 6DOF IMU: LSM6DS3TR (3.3V, SPI)• Power supply: 5V USB or 7-12VDC (DC Jack)

37

8-bit MCU Boards (ATmega4808 / 4809)

Source: https://www.seeedstudio.com/Seeeduino-Crypto-ATmega4809-ECC608-p-4369.htm

Seeeduino Crypto Board• derived from Arduino Uno WiFI Rev2 board• MCU: Microchip ATMEGA4809-AFR (5V, 16

MHz, 48KB Flash, 6,144 SRAM, 256 Byte EEPROM)

• USB: 1x USB Type-C port• USB-to-Serial: ATmega32U4• HW Security support: Microchip ECC608• ICSP Interface (2x3 pins)• Interfaces: Arduino Uno headers & Grove

sockets• Power Supply : 5V USB Type C or 8-15 VDC

Jack Input

38

8-bit MCU Boards (ATmega4808 / 4809)

Thinary Nano Every 4808 Board• MCU: ATmega4808 (5V, 16 MHz, 48KB Flash,

6,144 SRAM, 256 Byte EEPROM)• USB-to-serial: CH340• Programming: Nuvoton Technology

N76E003AQ20 (8-bit 8051 MCU)

• USB: microUSB

Source: https://thinaryelectronic.aliexpress.com/Thinary-Arduino: https://github.com/Thinary/ThinaryArduino/

Arduino Nano Every Board• MCU: ATmega4808 (5V, 16 MHz, 48KB Flash,

6,144 SRAM, 256 Byte EEPROM)• Programming/USB-to-serial: ATSAMD11 • USB: microUSB

Source: https://store.arduino.cc/usa/nano-everyTutorial: https://www.arduino.cc/en/Guide/NANOEvery

39

ArduinoNano V3.0

(ATmega328P)

Thiny Electronic Nano Every

(ATmega4808)

Robodyn SAMD21 M0-Mini

(ATSAMD21)

Arduino DUE REV.3(ATSAM3X8E)

8-bit MCU (megaAVR), 5V 32-bit MCU (ARM Cortex-M Series), 3.3V

Supported by both Arduino IDE and ATMEL AVR Studio 7

MCU Boards

40

Apollo Arduino: Uno compatible Training Board DuinoKit: Arduino Kit in a Briefcase

Arduino Training Kits

Examples of Arduino-Compatible Training Kits

Source: https://www.kickstarter.com/projects/795510755/apollo-arduino-compatible-trainer-board

Source: http://duinokit.com/store/home/9-duinokit-essentials-754748002689.html

41

Source: http://www.myduino.com/https://www.facebook.com/myduino

Arduino Training Kits

Myduino IoT Training Kit

42

Source: http://www.robotpark.com/ArduKIT-Arduino-Training-Kit

ArduKIT Arduino Training Kit

Arduino Training Kits

Arduino Kit – Hanback Electronics

Source: https://hanback.com/en/archives/6492

43Source: https://www.elecrow.com/

Elecrow Uno R3 Starter Kit for Arduino Elecrow Basic Arduino Kit

Arduino Training Kits

44

32-bit MCU Boards with Programmer/Debugger

ST-Link debugger/programmer

XDS-110ET debugger (JTAG)

Texas Instruments (TI) MSP-EXP432P401R

Launchpad STMicroelectronics

Nucleo-64STMicroelectronics

Nucleo-144

ST-Link debugger/programmer

Examples of MCU Boards with onboard

Programmer/ Debugger

45Source: https://medium.com/@manuel.bl/arduino-in-circuit-debugging-with-platformio-9f699da57ddc

Arduino Nano 33 IoT (Atmel SAMD21 + U-blox) + J-Link adapter

MCU Programming / Debugging with Extra Tool