1. Wprowadzenie do Raspberry Pi Pico
Raspberry Pi Pico to niedroga, wydajna płytka rozwojowa z mikrokontrolerem, oficjalnie zaprojektowana przez firmę Raspberry Pi, wyposażona w elastyczne interfejsy cyfrowe. Pod względem sprzętowym wykorzystuje układ mikrokontrolera RP2040, opracowany niezależnie przez firmę Raspberry Pi, jest wyposażony w dwurdzeniowy procesor ARM Cortex-M0+, ma częstotliwość roboczą do 133 MHz, 264 KB pamięci SRAM i 2 MB pamięci, a także aż 26 wielofunkcyjnych pinów GPIO na płytce.Jeśli chodzi o oprogramowanie, do tworzenia aplikacji można wybrać zestaw SDK w języku C/C++ udostępniony przez firmę Raspberry Pi lub skorzystać z języka MicroPython. Płytka jest również wyposażona w kompletne materiały programistyczne i samouczki, co ułatwia szybkie rozpoczęcie prac programistycznych oraz wdrażanie aplikacji w produktach.
Rysunek 1.1 Widok z przodu płytki rozwojowej Raspberry Pi Pico
Rysunek 1.2 Tył płytki rozwojowej Raspberry Pi Pico
2. Układ sprzętowy płytki rozwojowej Pico
Początkujący mogą wyobrazić sobie układ RP2040 jako „płytę główną smartfona bez ekranu, baterii ani przycisków” — posiada on podstawowe funkcje, ale nie może działać bez tych elementów. Te obwody sprzętowe uzupełniają układ o niezbędne funkcje, takie jak „zasilanie, generator zegara, wskaźnik stanu i interfejsy”, przekształcając Pico z „samego układu” w „gotową do użycia płytkę rozwojową”.
Raspberry Pi Pico jest wyposażone w niektóre obwody peryferyjne układu RP2040, w tym elementy pasywne, takie jak zewnętrzny układ pamięci Flash (W25Q16JV), oscylator kwarcowy oraz kondensatory filtrujące zasilanie, a także złącze USB, przycisk resetowania i diodę LED. Większość dostępnych pinów układu RP2040 jest wyprowadzona po obu stronach płytki rozwojowej Pico, a cztery piny są zarezerwowane dla funkcji wewnętrznych, w tym sterowania wbudowaną diodą LED, zasilania płytki rozwojowej oraz wyboru trybu BOOT.
Poniżej przedstawiono schemat ideowy Raspberry Pi Pico, który składa się z obwodu zewnętrznego oscylatora kwarcowego, obwodu wyboru trybu BOOT, obwodu wejściowego zasilania, obwodu pomiaru napięcia zasilania, obwodu sterującego diodą LED, obwodu interfejsu debugowania, obwodu rozszerzenia pinów oraz obwodu peryferyjnego układu scalonego. Poniżej omówimy je po kolei.
Rysunek 1.4 Schemat obwodu płytki rozwojowej Raspberry Pi Pico
Mówiąc najprościej, obwody peryferyjne płytki rozwojowej Pico składają się z następujących elementów:
- Obwód oscylatora kwarcowego: Obwód złożony z oscylatora kwarcowego o częstotliwości 12 MHz (oznaczonego na schemacie jako X1) oraz niewielkich elementów, takich jak kondensatory. Działa on jak „metronom” dla układu — jego działanie oraz komunikacja z urządzeniami peryferyjnymi opierają się na precyzyjnym „rytmie czasowym”, a obwód ten dostarcza stabilny „sygnał taktujący” o częstotliwości 12 milionów cykli na sekundę, zapewniając dokładne taktowanie pracy układu (na przykład miganie diody LED z częstotliwością 1 milisekundy jest w całości zsynchronizowane z tym sygnałem taktującym).
- Obwód wyboru trybu BOOT: Jest to zasadniczo niewielki obwód wyposażony w przycisk BOOTSEL, pełniący funkcję „przełącznika trybu rozruchu” dla układu. Układ posiada dwa tryby podczas uruchamiania:
- Tryb normalny: uruchamia zapisany program;
- Tryb BOOT: stan flashowania oprogramowania układowego stanowi „tryb ładowania programu” urządzenia Pico: po Po podłączeniu urządzenia Pico do komputera przy przytrzymanym przycisku BOOTSEL urządzenie przełączy się w ten stan (bez uruchamiania starego programu), po czym zostanie rozpoznane przez komputer jako urządzenie pamięci masowej. Wystarczy przeciągnąć do niego napisany program (oprogramowanie układowe), aby zainstalować nowe funkcje w urządzeniu Pico.
- Obwód wejściowy zasilania: Jest to obwód odpowiedzialny za zarządzanie zasilaniem (np. układ zarządzania zasilaniem U2 na schemacie). Obsługuje zasilanie zarówno z USB (5 V), jak i z baterii (2–5 V) oraz stabilnie przekształca napięcie wejściowe na 3,3 V wymagane przez układy scalone, jednocześnie filtrując zakłócenia w napięciu, aby zapobiec uszkodzeniu układów w wyniku wahań napięcia.
- Obwód pomiaru napięcia zasilania: Kompaktowy obwód zaprojektowany do wykrywania napięcia zasilania. Działa on jako „wbudowany woltomierz” płytki, umożliwiający pomiar napięcia wejściowego zasilania w czasie rzeczywistym (na przykład w przypadku zasilania z baterii informuje o ich wyczerpaniu), co ułatwia monitorowanie stanu zasilania.
- Obwód sterujący diodą LED: Mały obwód sterujący wbudowaną diodą LED. Układ scalony może sterować stanem włączenia/wyłączenia tej diody LED poprzez pin GPIO25 w celu wyświetlania stanu (np. miganie podczas działania programu, stałe świecenie po podłączeniu zasilania).
- Obwód interfejsu debugowania: Odnosi się to do złącza DEBUG (złącze 3-pinowe) pokazanego na schemacie, które pełni funkcję „portu diagnostyki usterek” płytki. Jeśli program ulegnie uszkodzeniu lub płytka przestanie działać, można podłączyć narzędzie do debugowania do tego interfejsu, aby sprawdzić wewnętrzny stan pracy układu i zlokalizować miejsce, w którym program uległ uszkodzeniu.
- Obwód rozszerzający piny: Obwód przekształcający piny układu w piny złącza (oznaczone na schemacie jako CON_PICO_40W). Piny samego układu RP2040 są zbyt małe, aby podłączyć do nich bezpośrednio przewody; obwód ten rozszerza piny układu na piny złącza, umożliwiając użycie przewodów typu DuPont do bezpośredniego podłączenia do tych złączy w celu połączenia elementów zewnętrznych, takich jak czujniki i silniki.
- Obwód peryferyjny układu: Obwód złożony z niewielkich elementów, takich jak kondensatory filtrujące i rezystory, rozmieszczonych wokół układu. Na przykład kondensatory filtrujące mogą odfiltrować zakłócenia w zasilaniu, aby zapewnić bardziej stabilne zasilanie układu; rezystory mogą chronić piny przed przepaleniem w wyniku nadmiernego prądu oraz zapobiegać nieprawidłowemu działaniu układu spowodowanemu zakłóceniami zewnętrznymi lub wahaniami prądu.
Raspberry Pi Pico to niedroga, wydajna płytka rozwojowa z mikrokontrolerem, oficjalnie zaprojektowana przez firmę Raspberry Pi, wyposażona w elastyczne interfejsy cyfrowe. Pod względem sprzętowym wykorzystuje układ mikrokontrolera RP2040, opracowany niezależnie przez firmę Raspberry Pi, jest wyposażony w dwurdzeniowy procesor ARM Cortex-M0+, ma częstotliwość roboczą do 133 MHz, 264 KB pamięci SRAM i 2 MB pamięci, a także aż 26 wielofunkcyjnych pinów GPIO na płytce.Jeśli chodzi o oprogramowanie, do tworzenia aplikacji można wybrać zestaw SDK w języku C/C++ udostępniony przez firmę Raspberry Pi lub skorzystać z języka MicroPython. Płytka jest również wyposażona w kompletne materiały programistyczne i samouczki, co ułatwia szybkie rozpoczęcie prac programistycznych oraz wdrażanie aplikacji w produktach.
Rysunek 1.1 Widok z przodu płytki rozwojowej Raspberry Pi Pico
Rysunek 1.2 Tył płytki rozwojowej Raspberry Pi Pico
2. Układ sprzętowy płytki rozwojowej Pico
Początkujący mogą wyobrazić sobie układ RP2040 jako „płytę główną smartfona bez ekranu, baterii ani przycisków” — posiada on podstawowe funkcje, ale nie może działać bez tych elementów. Te obwody sprzętowe uzupełniają układ o niezbędne funkcje, takie jak „zasilanie, generator zegara, wskaźnik stanu i interfejsy”, przekształcając Pico z „samego układu” w „gotową do użycia płytkę rozwojową”.
Raspberry Pi Pico jest wyposażone w niektóre obwody peryferyjne układu RP2040, w tym elementy pasywne, takie jak zewnętrzny układ pamięci Flash (W25Q16JV), oscylator kwarcowy oraz kondensatory filtrujące zasilanie, a także złącze USB, przycisk resetowania i diodę LED. Większość dostępnych pinów układu RP2040 jest wyprowadzona po obu stronach płytki rozwojowej Pico, a cztery piny są zarezerwowane dla funkcji wewnętrznych, w tym sterowania wbudowaną diodą LED, zasilania płytki rozwojowej oraz wyboru trybu BOOT.
Poniżej przedstawiono schemat ideowy Raspberry Pi Pico, który składa się z obwodu zewnętrznego oscylatora kwarcowego, obwodu wyboru trybu BOOT, obwodu wejściowego zasilania, obwodu pomiaru napięcia zasilania, obwodu sterującego diodą LED, obwodu interfejsu debugowania, obwodu rozszerzenia pinów oraz obwodu peryferyjnego układu scalonego. Poniżej omówimy je po kolei.
Rysunek 1.4 Schemat obwodu płytki rozwojowej Raspberry Pi Pico
Mówiąc najprościej, obwody peryferyjne płytki rozwojowej Pico składają się z następujących elementów:
- Obwód oscylatora kwarcowego: Obwód złożony z oscylatora kwarcowego o częstotliwości 12 MHz (oznaczonego na schemacie jako X1) oraz niewielkich elementów, takich jak kondensatory. Działa on jak „metronom” dla układu — jego działanie oraz komunikacja z urządzeniami peryferyjnymi opierają się na precyzyjnym „rytmie czasowym”, a obwód ten dostarcza stabilny „sygnał taktujący” o częstotliwości 12 milionów cykli na sekundę, zapewniając dokładne taktowanie pracy układu (na przykład miganie diody LED z częstotliwością 1 milisekundy jest w całości zsynchronizowane z tym sygnałem taktującym).
- Obwód wyboru trybu BOOT: Jest to zasadniczo niewielki obwód wyposażony w przycisk BOOTSEL, pełniący funkcję „przełącznika trybu rozruchu” dla układu. Układ posiada dwa tryby podczas uruchamiania:
- Tryb normalny: uruchamia zapisany program;
- Tryb BOOT: stan flashowania oprogramowania układowego stanowi „tryb ładowania programu” urządzenia Pico: po Po podłączeniu urządzenia Pico do komputera przy przytrzymanym przycisku BOOTSEL urządzenie przełączy się w ten stan (bez uruchamiania starego programu), po czym zostanie rozpoznane przez komputer jako urządzenie pamięci masowej. Wystarczy przeciągnąć do niego napisany program (oprogramowanie układowe), aby zainstalować nowe funkcje w urządzeniu Pico.
- Obwód wejściowy zasilania: Jest to obwód odpowiedzialny za zarządzanie zasilaniem (np. układ zarządzania zasilaniem U2 na schemacie). Obsługuje zasilanie zarówno z USB (5 V), jak i z baterii (2–5 V) oraz stabilnie przekształca napięcie wejściowe na 3,3 V wymagane przez układy scalone, jednocześnie filtrując zakłócenia w napięciu, aby zapobiec uszkodzeniu układów w wyniku wahań napięcia.
- Obwód pomiaru napięcia zasilania: Kompaktowy obwód zaprojektowany do wykrywania napięcia zasilania. Działa on jako „wbudowany woltomierz” płytki, umożliwiający pomiar napięcia wejściowego zasilania w czasie rzeczywistym (na przykład w przypadku zasilania z baterii informuje o ich wyczerpaniu), co ułatwia monitorowanie stanu zasilania.
- Obwód sterujący diodą LED: Mały obwód sterujący wbudowaną diodą LED. Układ scalony może sterować stanem włączenia/wyłączenia tej diody LED poprzez pin GPIO25 w celu wyświetlania stanu (np. miganie podczas działania programu, stałe świecenie po podłączeniu zasilania).
- Obwód interfejsu debugowania: Odnosi się to do złącza DEBUG (złącze 3-pinowe) pokazanego na schemacie, które pełni funkcję „portu diagnostyki usterek” płytki. Jeśli program ulegnie uszkodzeniu lub płytka przestanie działać, można podłączyć narzędzie do debugowania do tego interfejsu, aby sprawdzić wewnętrzny stan pracy układu i zlokalizować miejsce, w którym program uległ uszkodzeniu.
- Obwód rozszerzający piny: Obwód przekształcający piny układu w piny złącza (oznaczone na schemacie jako CON_PICO_40W). Piny samego układu RP2040 są zbyt małe, aby podłączyć do nich bezpośrednio przewody; obwód ten rozszerza piny układu na piny złącza, umożliwiając użycie przewodów typu DuPont do bezpośredniego podłączenia do tych złączy w celu połączenia elementów zewnętrznych, takich jak czujniki i silniki.
- Obwód peryferyjny układu: Obwód złożony z niewielkich elementów, takich jak kondensatory filtrujące i rezystory, rozmieszczonych wokół układu. Na przykład kondensatory filtrujące mogą odfiltrować zakłócenia w zasilaniu, aby zapewnić bardziej stabilne zasilanie układu; rezystory mogą chronić piny przed przepaleniem w wyniku nadmiernego prądu oraz zapobiegać nieprawidłowemu działaniu układu spowodowanemu zakłóceniami zewnętrznymi lub wahaniami prądu.
