Схема платы: что нарисовано в официальном schematic

Термометр в теплице показывал температуру ровно до того момента, как я открывал монитор порта: порт — и скетч начинал жизнь заново, счётчики обнулялись, датчик проходил стартовую инициализацию по новой. Три часа я ловил призрака в собственном коде, а виновник лежал на схеме платы: конденсатор на сто нанофарад между линией DTR USB-моста и RESET. Плате так положено — и это нарисовано в документе, который бесплатно лежит на сайте производителя.

Официальные схемы плат публикуются открыто: у каждой платы на arduino.cc есть страница Documentation с PDF-схемой (Schematics) и исходниками в EAGLE. Документ выглядит страшно, но в нём десяток узлов, и каждый объясняет конкретное поведение железа, на которое иначе тратятся вечера. Здесь читаю Uno R3 и Nano по узлам: авто-ресет, буфер светодиода пина 13, полифьюс, стабилизаторы.

Общие значки — резистор, диод, конденсатор, земля — это язык: азы разобраны в уроке про чтение схем. Здесь язык не учим, а сверяем поведение вашей платы с конкретными узлами её схемы.

Центр — ATmega328P. Рядом ATmega16U2 — USB-мост, который превращает USB в COM-порт (на ревизиях R1/R2 стоял 8U2; у Nano оригинала — FT232RL, у клонов — CH340G). От линии DTR моста к RESET тянется конденсатор 100 нФ, а сам RESET подтянут 10 кОм к 5 В. Эта пара и есть авто-ресет: каждый раз, когда порт открывается, импульс проходит через конденсатор и чип перезапускается. Поэтому монитор порта, прошивка и даже переподключение кабеля — каждый старт заново.

В линиях между мостом 16U2 и ATmega328P на схеме стоят резисторы по 1 кОм — и это не украшение. Мост и внешний модуль на ножках 0 и 1 делят одну линию, и без резисторов они упираются выходами друг в друга: чей уровень сильнее, тот и выиграл. Килоом в каждой ноге смягчает спор — мост шьёт плату даже с воткнутым на 0-ю ножку модулем. Я всё равно вынимаю такие провода на момент прошивки: схема даёт запас, а не гарантию.

Кварц 16 МГц рядом с чипом обвешан двумя конденсаторами по 22 пФ — типовая обвязка, которая встречается на схемах с любым камнем. Отсюда растут все временные числа: delay(1000) и микросекунды millis делятся от кварца, как и скорость Serial. Разглядывать её полезно при выборе клона: резонатор вместо кварца попадается на дешёвых платах, и ход времени я на них проверяю мигалкой с секундомером, а не по паспорту.

Светодиод L на пине 13 сидит за буфером LMV358: на Uno R3 светодиод подключён через операционный усилитель, а не напрямую к ножке. Пин не грузится светодиодом, и в режиме INPUT с подтяжкой он не тускло-светится — в отличие от Nano, где светодиод с резистором висит прямо на пине. Дальше по линии питания: полифьюс на 500 мА в разрыве USB-линии — при перегрузке 5 В компьютер отключает порт, и плата оживает только после переподключения кабеля.

Стабилизаторы — два, и они разные: NCP1117 выдаёт 5 В с VIN при входном 7–12 В, а линия 3V3 питается от маленького LP2985 с потолком 50 мА. Датчик с голодом больше полусотни миллиампер на 3V3 вешать нельзя — потянет линию вниз. Что можно питать от батареек и через какой вход — в уроке про питание без USB.

Вторая половина того же корпуса LMV358 работает компаратором выбора источника: она следит, что выше — напряжение на VIN или линия USB, — и подаёт на главный стабилизатор победителя. Поэтому кабель и баррель одновременно не устраивают драку за питание: решает схема, за доли секунды. На части клонов этого узла нет, и два источника сразу — лотерея: ещё один повод открыть PDF своей платы, а не оригинала.

Диагностика по узлам. Скетч рестартует при открытии монитора — это не баг кода, а авто-ресет; если датчику нужно две-три секунды на старт, он будет проходить её каждый раз. Лечение: держать инициализацию в setup и подождать её там, либо на время работы поставить блокирующий конденсатор около 10 мкФ между RESET и GND — и снять его перед прошивкой, иначе загрузка не начнётся: импульс DTR перестанет доходить. Вкладки и настройки окна монитора, из-за которых всё это всплывает, — в уроке про монитор порта в IDE 2.

Арифметика по схеме спасает и при горячей плате. Стабилизатор NCP1117 сбрасывает на себя разницу между входом и 5 В: при входных 12 В и токе 200 мА на кристалле рассеивается (12−5)×0,2 = 1,4 Вт — корпус без радиатора уже вполкасания горячий. Плата греется не потому, что испорчена: так устроен линейный стабилизатор, и схема честно показывает, куда уходит ватт-другой. Лечение — снизить входное до 7–9 В или увести моторы и серво на отдельный источник.

Клоны читаются по своим схемам, а не по схеме оригинала: мост CH340 вместо FT232 требует отдельного драйвера — разбор невидимой платы; на дешёвых клонах полифьюса может не быть вовсе, и вместо защиты горит порт компьютера; светодиод пина 13 без буфера ведёт себя как на Nano. Полный список отличий при покупке — в уроке про клон и оригинал. Когда плата мертва и мост не помогает, прошивку кладут мимо него внешним программатором — usbasp и запись загрузчика.

Двухрядный разъём ICSP на схеме — шесть контактов MISO, MOSI, SCK, RESET, 5V и GND — запасная дверь в чип. Через него внешний программатор пишет загрузчик мимо USB-моста: когда мост сгорел или загрузчик затёрт скетчем, ICSP остаётся единственным входом. Раскладка у Uno, Nano и Mega совпадает, ключ на разъёме подскажет ориентацию шлейфа; перепутал направление — и питание придёт не на ту ножку.

Схему Nano стоит открыть рядом с Uno хотя бы ради контраста: мост FT232RL со своей обвязкой вместо 16U2, питание только от mini-USB или ножки 5V — барреля нет вовсе, и VIN-истории к Nano не относятся. Зато конденсатор авто-ресета на схеме Nano на своём месте: рестарт при открытии монитора у неё ровно такой же, и лечится тем же способом.

Привычка, которая отрабатывает себя на первой же «мистической» истории: PDF схемы и pinout-карта из урока про карты распиновки лежат в папке проекта. Прежде чем винить код, сверяюсь с узлами: авто-ресет, буфер, полифьюс и потолок 3V3 объясняют девять из десяти историй, в которых «плата ведёт себя как живая».

Второе применение — ремонт и трезвая оценка железа. Увидели на схеме пустое место там, где у оригинала стоит полифьюс, — держите в голове, что защита от короткого замыкания на этой плате только со стороны компьютера. Нашли мост CH340 — заранее поставили драйвер. Схема читается за десять минут, а повторяет она поведение платы точнее любой инструкции из набора.

Последнее, что легко пролистать в схеме, — керамическая россыпь 100 нФ у каждой ножки питания чипов. Пока макетка собрана короткими проводами, она невидима; на длинной плетёнке от внешнего блока младшие разряды analogRead начинают дрожать. Плата гасит всплески у самих чипов, а последний отрезок — провода макетки — остаётся без прикрытия: конденсатор на 100 нФ у входного разъёма стоит копейки и чистит каналы АЦП заметно.