Raspberry Pi Pico: распиновка и устройство платы

Распиновка

Плата нарисована сверху, разъёмом USB вверх. Контакт 1 — верхний левый у разъёма USB, номера идут вниз по левому ряду до 20, а затем снизу вверх по правому: 21 внизу справа, 40 вверху справа. Рядом с каждым контактом — подпись с платы и функции, которые RP2040 может на него вывести. Кнопки над рисунком подсвечивают выводы одного блока: например, все контакты, на которые можно назначить UART1.

Земляных контактов восемь: 3, 8, 13, 18, 23, 28, 38 и AGND (33) — земля аналоговой части, под входами АЦП проложен отдельный аналоговый слой земли, который заканчивается на этом контакте. Если АЦП не используется или точность не важна, AGND можно соединить с общей землёй. Внизу платы — три площадки отладочного интерфейса SWD.

Контакты и функции GPIO

У RP2040 каждый вывод GPIO подключается к одному из нескольких блоков: функцию выбирает поле FUNCSEL регистра управления вывода. Блоки SIO (программное управление выводом) и оба PIO доступны на любом GPIO, поэтому в таблице их нет; аппаратные интерфейсы распределены так, что каждый из них выведен на несколько групп контактов. В один момент вывод выполняет одну функцию, а один вход периферии лучше подключать только к одному выводу: если, например, UART0 RX назначить на два вывода, приёмник увидит логическое ИЛИ их уровней.

ШИМ у RP2040 устроен блоками: восемь блоков по два канала A и B, и два соседних вывода принадлежат одному блоку. Поэтому GP0 и GP16 — один и тот же канал PWM0 A: на них будет одинаковый сигнал. Канал B можно использовать и как вход — для измерения частоты и скважности. Частоту и скважность для заданного делителя можно прикинуть в калькуляторе ШИМ.

В pico-sdk выводы интерфейсов по умолчанию заданы в файле описания платы: UART0 — GP0 и GP1, I²C0 — GP4 и GP5, SPI0 — GP16 (RX), GP17 (CSn), GP18 (SCK) и GP19 (TX). Их можно переназначить на любые другие выводы с той же функцией. Подтягивающие резисторы для шины I²C на плате не установлены — их ставят снаружи; номинал считает калькулятор подтяжки I²C.

GPIO, занятые на плате

Четыре вывода RP2040 не выведены на контакты, а работают на самой плате:

Кроме контактов, на нижней стороне есть шесть тестовых точек: TP1 — земля, TP2 и TP3 — линии USB D− и D+, TP4 — GPIO23 (вывод режима стабилизатора, использовать не нужно), TP5 — GPIO25 со светодиодом (напряжение на нём поднимается только до прямого напряжения светодиода, поэтому как вход-выход его применять не рекомендуется), TP6 — BOOTSEL. Через TP1–TP3 можно подключить USB, если плата впаяна как модуль, а замыкание TP6 на землю при включении переводит RP2040 в режим загрузки.

Питание

Питание платы построено вокруг импульсного стабилизатора RT6150 — повышающе-понижающего, поэтому он выдаёт 3,3 В при входном напряжении от 1,8 до 5,5 В (как устроены такие преобразователи — в статье об импульсных преобразователях).

• VBUS (40) — 5 В с разъёма micro-USB или 0 В, если USB не подключён. Через диод Шоттки D1 (MBR120VLSFT1G) VBUS питает VSYS, поэтому на VSYS при питании от USB — 5 В минус падение на диоде. GPIO24 следит за наличием VBUS.
• VSYS (39) — вход стабилизатора, 1,8–5,5 В. Сюда подключают батарею или внешний источник, если USB не используется. Через делитель на 3 VSYS подаётся на канал 3 АЦП (GPIO29), что позволяет грубо следить за напряжением батареи.
• 3V3(OUT) (36) — выход стабилизатора 3,3 В, от него питаются RP2040 и его выводы. Его можно нагружать внешними схемами, но даташит советует держать ток нагрузки меньше 300 мА: запас зависит от потребления RP2040 и напряжения VSYS.
• 3V3_EN (37) — вход разрешения стабилизатора, подтянут к VSYS резистором 100 кОм. Замыкание на землю выключает 3,3 В и вместе с ними RP2040.
• RUN (30) — вход сброса RP2040 с внутренней подтяжкой к 3,3 В около 50 кОм; кнопка между RUN и землёй работает как кнопка сброса.

Если USB — единственный источник, VSYS и VBUS можно соединить, чтобы убрать падение на диоде. Второй источник подключают к VSYS через свой диод Шоттки: диоды образуют схему «ИЛИ», и плата питается от того источника, напряжение которого выше. Так подойдут литий-ионный аккумулятор (3,0–4,2 В) или три элемента AA (около 3,0–4,8 В). Чтобы не терять напряжение на втором диоде, вместо него ставят P-канальный MOSFET, затвором подключённый к VBUS: при наличии USB транзистор закрыт. Даташит приводит пример — DMG2305UX с пороговым напряжением не больше 0,9 В и сопротивлением 100 мОм при напряжении затвор-исток 2,5 В. Литий-ионный элемент должен иметь защиту от переразряда, перезаряда и перегрузки по току.

В режиме USB-хоста Pico нужно питать подачей 5 В на VBUS: подключённому устройству питание идёт с этого контакта.

GPIO23 управляет выводом PS стабилизатора. При низком уровне (так по умолчанию) на малой нагрузке стабилизатор работает в экономичном режиме PFM, включая ключи лишь время от времени; высокий уровень включает постоянный режим PWM — пульсации на выходе заметно меньше, но КПД на малой нагрузке хуже. При большой нагрузке стабилизатор работает в PWM независимо от PS.

Типичный ток потребления, измеренный Raspberry Pi на трёх платах при 5 В на VBUS и 25 °C (средние значения): в режиме BOOTSEL без обмена по USB — 8,7 мА, с обменом — 9,9 мА; в режиме SLEEP — 1,3 мА; в режиме DORMANT — 0,8 мА. Это не гарантированные максимумы, а ориентиры; ток с работающими ядрами и периферией зависит от программы. Время работы от батареи по среднему току оценивает калькулятор времени работы от батареи.

Ограничения входов и выходов

Выводы GPIO на Pico питаются от 3,3 В, другого напряжения логики плата не допускает. Уровни по даташиту RP2040 (табл. 625) при питании выводов 3,3 В:

Из последней строки следует, что 5-вольтовые сигналы напрямую подавать нельзя: нужен делитель, последовательный резистор или преобразователь уровней — варианты разобраны на странице согласования уровней. Входы GP26–GP28 (и внутренний GPIO29) имеют диод на шину 3,3 В: напряжение на них не должно превышать 3,3 В больше чем примерно на 300 мВ, а при выключенном RP2040 поданное на них напряжение через диод питает шину 3,3 В. Цифровые GP0–GP22 и выводы SWD такого ограничения не имеют: на них можно подавать напряжение и при выключенном питании RP2040 — пока оно ниже 3,63 В, ток в вывод очень мал.

Светодиод от вывода GPIO подключают через резистор: при токе вывода 4 мА по умолчанию и прямом напряжении светодиода 2 В резистор должен быть не меньше (3,3 − 2)/0,004 ≈ 330 Ом. Точнее номинал для своего светодиода подберёт калькулятор резистора для светодиода.

АЦП

АЦП RP2040 — 12-битный, последовательного приближения, до 500 тыс. выборок в секунду; эффективная разрядность по даташиту — 8,7 бита. Пять входов мультиплексора: четыре на выводах GPIO26–GPIO29 (на Pico на контакты выведены GP26–GP28 — ADC0–ADC2, а ADC3 измеряет VSYS/3) и встроенный датчик температуры. Цифровую часть вывода перед измерением отключают в регистре управления площадкой вывода.

Своего источника опорного напряжения у RP2040 нет: опорой служит питание АЦП. На Pico оно берётся с шины 3,3 В через фильтр — резисторы 200 Ом (R7) и 1 Ом (R9) и конденсатор 2,2 мкФ — и выведено на контакт ADC_VREF. Код АЦП переводится в напряжение так:

$U = N \cdot \frac{3{,}3}{4096},\qquad U_{\text{VSYS}} = 3 \cdot N_3 \cdot \frac{3{,}3}{4096},$

где N — код канала 0–2, N₃ — код канала 3. У такой схемы три недостатка, которые даташит называет прямо: точность определяется стабилизатором 3,3 В, фильтр подавляет его пульсации не полностью, а ток потребления АЦП (около 150 мкА) создаёт на резисторе 200 Ом смещение около 30 мВ, которое меняется с температурой и во время измерений. Что с этим делать:

• перевести стабилизатор в режим PWM высоким уровнем на GPIO23 — пульсации на малой нагрузке заметно снижаются;
• соединить свободный канал АЦП с землёй и вычитать его показание как смещение;
• подключить к ADC_VREF внешний параллельный источник опорного напряжения на 3,0 В, например LM4040: диапазон измерения станет 0–3,0 В, а через резистор 200 Ом постоянно потечёт около (3,3 − 3,0)/200 ≈ 1,5 мА;
• снять R7 (резистор размера 0603, его легко выпаять) и питать АЦП от отдельного источника, например 2,5 В. Даташит оговаривает, что АЦП квалифицирован при 3,0 и 3,3 В, но должен работать примерно до 2 В.

Напряжение на входе АЦП не должно превышать напряжение питания выводов (3,3 В), даже если сам АЦП питается от другого напряжения. Более высокие напряжения делят делителем; как работает АЦП последовательного приближения и что значит эффективная разрядность — в статье об АЦП.

Прошивка и отладка

Программа хранится во внешней флеш-памяти 2 МБ, а RP2040 исполняет её прямо оттуда через кэш. Записать её можно двумя способами:

1. Через USB в режиме BOOTSEL. Отключите питание, зажмите кнопку BOOTSEL и подключите USB. Плата определится как USB-накопитель; файл формата UF2, скопированный на него, запишется во флеш-память, и RP2040 перезапустится. Загрузчик находится в ПЗУ RP2040, поэтому повредить его нельзя.
2. Через SWD. Три площадки внизу платы — SWCLK, GND и SWDIO — подключаются к отладчику с интерфейсом SWD. Через них можно сбросить RP2040, записать программу без нажатия кнопок и отлаживать её по шагам. Внутри RP2040 на SWDIO и SWCLK есть подтягивающие резисторы около 60 кОм. Разводка отладочных разъёмов на стороне отладчика — на странице JTAG и SWD.

USB у RP2040 встроенный: контроллер и физический уровень USB 1.1, на плате — только два последовательных резистора 27 Ом и разъём micro-USB. Этот же порт программа может использовать сама — как устройство (например, виртуальный COM-порт) или как хост. Программы пишут на C/C++ в pico-sdk или на MicroPython.