Arduino UNO gibt Gas
Der Arduino UNO ist als einsteigerfreundlicher Mikrocontroller bekannt. Die neuen Modelle wollen daran anknüpfen. Ob das gut gelingt, zeigt ein erstes Hands-on.
Mit 13 Jahren zählt der Arduino UNO zu den Urgesteinen unter den Mikrocontrollern. Ein Modell mit modernerer Technik, also mehr Speicher, WLAN und einem besseren Prozessor, ist längst überfällig. Jetzt hat Arduino endlich zwei neue UNOs vorgestellt, den R4 Minima und R4 WiFi und haut bei der Werbung dafür ordentlich auf den Putz. Wir haben uns beide Varianten angeschaut.
Alt und doch neu
Nur auf den ersten Blick sehen die beiden neuen Boards ihrem gemeinsamen Vorgänger UNO Rev3 sehr ähnlich, doch diese Ähnlichkeit beschränkt sich auf Maße, Form und Anordnung der wichtigsten Buchsen und Kontakte am Rand der Platinen. Schaut man aber auf die Innenfläche der Boards, werden große Unterschiede sichtbar.
Anstatt eines ATMega328-Prozessors, der mit 8 Bit und 16 MHz arbeitet, residiert nun der RA4M1 auf den neuen Platinen, ein 32-Bit-ARM-Cortex-M4-Prozessor mit 48 MHz Taktfrequenz. Im Gegensatz zu anderen Mikrocontrollern mit solch einem ARM-Prozessor arbeitet dieser jedoch mit 5 V Spannung an den I/O-Kontakten. Das macht die neuen UNO-R4-Modelle hardwareseitig kompatibel zu im Markt befindlichen 5-Volt-Shields, mit denen sich diese modular erweitern lassen, sowie anderen bereits fertigen Projekten und Geräten.
Der neue Chip verfügt über 256 kB Flash-Speicher (statt 32 kB), 32 kB RAM (statt 2 kB) sowie 8 kB EEPROM (statt 1 kB) – deutlich mehr als vorher, was erheblich mehr Luft für komplexere Programme und deren Variablen schafft.
Zu den neuen Chip-Features des RA4M1 gehören unter anderem eine integrierte Echtzeituhr, für die man aber noch eine externe Batterie anschließen muss, damit sie bei einem Stromausfall weiterläuft. Neu ist auch der 12-Bit-Digital-Analog-Wandler und dank des 14-Bit-Analog-Digital-Wandlers kann man Spannungen bis 5 Volt präziser als beim alten UNO messen, der dafür nur 10 Bit aufbietet. Ein eingebauter Operationsverstärkers verstärkt kleine Signale, sodass sich diese ebenfalls in hoher Auflösung messen lassen.
Was der Arduino Leonardo und Micro schon können, beherrscht jetzt auch der Uno R4: Er kann dank der HID-Schnittstelle (Human Interface Device) nun auch als USB-Eingabegerät für andere Computer verwendet werden, etwa als Maus, Tastatur oder ähnliches. Wer mit der Elektronik eines Fahrzeugs kommunizieren oder dort Einstellungen ändern möchte, kann das (auf eigene Gefahr) mit dem integrierten CAN-Bus (Controller Area Network).
Im Datenblatt des R4 Minima und R4 WiFi findet sich außerdem ein Hinweis auf einen Touch-Sensor, jedoch noch ohne weitere technische Details.
R4 WiFi kann mehr
In der WiFi-Variante kommt im Arduino UNO ein zusätzlicher ESP32-S3-Mini-1 zum Einsatz, der es ihm ermöglicht, sich über WLAN oder Bluetooth mit anderen Geräten (z.B. im Smarthome) oder dem Internet zu verbinden. Dadurch lässt sich der R4 WiFi auch in die Arduino Cloud anbinden. Außerdem übernimmt der ESP32 die serielle Verbindung zum Computer und kann den RA4M1-Chip neustarten, sobald man einen Sketch übertragen hat.
Arduino arbeitet derzeit daran, den leistungsstarken ESP32 noch weiter zu integrieren. So sollen zukünftig auch die kryptografischen Fähigkeiten des ESP32 genutzt werden – etwa um sensible Daten wie Kennwörter zu schützen. Immerhin lässt sich der ESP32 schon jetzt über einen 6-Pin-Header programmieren und theoretisch sogar separat betreiben. Arduino hat dafür auch ein paar zusätzliche Pins seitlich aus dem ESP32 hinausgeführt. Wir dürfen gespannt sein, was sich damit künftig noch machen lässt.
Neue Features für Anfänger
Die zahlreichen Pins auf dem Board auseinanderzuhalten, kann für Anfänger eine Herausforderung darstellen. Arduino vereinfacht mit dem WiFi-Modell den Aufbau erster Prototypen erheblich: Ein Stecker nach dem Qwiic- bzw. STEMMA-Standard ermöglicht, sorgenfrei auch 3,3-Volt-I²C-Module von SparkFun und Adafruit (und dazu kompatible) anzuschließen. Dazu gehören zahlreiche Sensoren, Aktuatoren, Displays, Boards und andere Komponenten. So kann man schnell etwas ausprobieren, ohne sich aus Versehen Sensoren zu zerschießen, weil man die Pinbelegung verwechselt hat.
Eine weitere Besonderheit ist die LED-Matrix mit 12 × 8 roten LEDs, wie man sie auch schon im 5 × 5-Format vom micro:bit oder Calliope Mini kennt. Auf dieser Matrix kann man Bilder, Animationen oder Messwerte anzeigen und sicher auch ein Pong-Spiel umsetzen. Wenn man den UNO R4 WiFi das erste Mal in Betrieb nimmt, wird man gleich mit einer Tetris-Animation begrüßt, die sofort neugierig macht.
Nach dem Hinzufügen der neuen Arduino UNOs in der Boardverwaltung der Arduino IDE steht unter den Beispiel-Sketches eine eigene Rubrik für die LED-Matrix zur Verfügung, sodass man gleich loslegen kann. Dort findet man sogar eine Mini-Version des Game of Life von John Conway.
Damit man eigene Bilder und Animationen für die Matrix erstellen kann, bietet Arduino den webbasierten LED Matrix Editor an. Seine einfache Benutzeroberfläche erklärt sich auch ohne Anleitung und bietet dazu alle notwendigen Werkzeuge. Hat man ein Bild oder eine Animation erstellt, kann man sie als Code exportieren und in die Datei animation.h des Beispiel-Sketches PlayAnimation einfügen. So findet man in wenigen Minuten einen schnellen Einstieg.
Als Versorgungsspannung verträgt der UNO R4 jetzt bis zu 24V an der Hohlsteckerbuchse, sodass er beispielsweise in Geräten wie 3D-Druckern oder Fräsen ohne zusätzlichen Spannungswandler betrieben werden kann.
Bibliotheken im Umbau
Für viele Projekte benötigt man nicht nur Shields, sondern auch passende Bibliotheken, mit denen sich Funktionen oder Hardware in ein Programm einbinden lassen. Während Arduino daran arbeitete, dass Sketches in Arduino-C auch auf den neuen Modellen laufen, wandte sich das Unternehmen an die Entwickler der zahlreichen Bibliotheken, mit der Bitte, diese für den neuen ARM-Chip anzupassen. Auf GitHub kann man derzeit den aktuellen Stand der Umbauphase einsehen und trifft auf einige alte Bekannte, die bereits mit einem grünen Häkchen signalisieren, dass sie einwandfrei funktionieren.
Aber es gibt auch Ausreißer: FastLED oder Adafruit NeoPixel zum Steuern von LED-Ketten oder Bibliotheken wie SSD1306 und ILI9341 zum Einbinden von Displays lassen sich höchstens kompilieren, die Programme funktionieren aber nicht.
Von den meisten Bibliotheken, auch von bekannteren wie der Adafruit GFX Library, liegen aber überhaupt keine Infos vor. Auch in der Arduino IDE gibt es keine Hinweise darauf, ob eine Bibliothek mit den neuen UNO-Boards kompatibel ist. Eine Anzeigefunktion wäre an dieser Stelle sicher hilfreich. Daher sollte man sich am besten im Vorfeld auf der GitHub-Seite der Bibliotheks-Entwickler schlaumachen, bevor man in die neue Arduino-Hardware investiert.
ARM von Renesas
Arduino möchte sich auch im industriellen Umfeld etablieren. Dazu rief das Unternehmen im vergangenen Jahr 2022 eine Finanzierungsrunde aus, die insgesamt 32 Millionen US-Dollar und starke Partner einbrachte. Neben Bosch, Anzu und Arm Holdings beteiligte sich auch der Hersteller Renesas, der den ARM-Chip für den UNO R4 liefert, mit 10 Millionen US-Dollar. In einer dazu veröffentlichten Pressemeldung erklärte die japanische Firma, dass sie Arduino mit dieser Unterstützung auch Zugang zu ihrem eigenen Portfolio gewähren würden, um gleichzeitig mithilfe der Arduino-Community auf dem Konsumenten-Markt zu wachsen.
Bisher ist Renesas nämlich vor allem im industriellen Automobil-Sektor vertreten. Gleichzeitig gab das Unternehmen bekannt, dass ihr damaliger Vice President, Chris Alexandre, dem Arduino-Vorstand beitreten werde. Diese Position hält er bis heute und das könnte, neben anderen Kriterien, ein möglicher Grund dafür sein, wieso Arduino den ARM-Chip für den UNO R4 von Renesas bezieht.
Nicht für jeden
Vermutlich tut sich Arduino keinen Gefallen damit, die neuen UNOs mit markigen Werbeslogans wie „Vergessen Sie jegliche Speicherbegrenzung“ oder „Beispiellose Rechenleistung“ (kein Witz!) zu bewerben. Denn das schürt Erwartungen, denen die UNOs nicht gerecht werden können. Vergleicht man die reinen Leistungsdaten der R4-Modelle mit ähnlichen Boards wie dem Raspberry Pi Pico, dem Teensy oder dem ESP32, kann der RA4M1-Chip kaum mithalten.
Was jedoch die Abwärtskompatibilität zu den 5-Volt-Shields betrifft, sind die neuen Arduino UNOs unschlagbar. Auf dem Markt tummeln sich nämlich einige Boards im UNO-Format, doch wenn diese mit ARM-Prozessoren bestückt sind, wie etwa der Metro M7 von Adafruit, kann man die I/O-Pins nur mit 3,3 Volt betreiben. Insofern bieten die neuen Arduino UNOs einen guten Ersatz für ihren Vorgänger, wenn man bereits vorhandene Shields weiterverwenden will – etwa im Schulumfeld.
Ausblick
Die Arduino-Entwickler und -Community haben die letzten Jahre viel dafür getan, um das entstandene Ökosystem erfolgreich zu machen. Und so darf man, auch wenn die Umstellung vom ATMega328 auf den RA4M1 zurzeit noch ein wenig hakelig verläuft, doch guter Hoffnung sein, dass die Community bereits fleißig an Lösungen arbeitet. Dennoch ist im Moment noch ein wenig Vorsicht geboten, denn manche Projekte lassen sich nicht 1:1 mit der neuen Hardware umsetzen.
Maker, die mit einem UNO liebäugeln, können die Zwischenzeit aber damit überbrücken, die neuen Funktionen kennenzulernen und sollten dafür in jedem Fall zur WiFi-Variante greifen. Diese kostet bei Arduino mit 25 Euro zwar etwas mehr als der R4 Minima (18 Euro), bietet aber coole und sinnvolle Features. —akf