2022年8月26日発売 書籍『あっと驚く技術力 ガジェット改造』に記事を掲載して頂きました!

【電子工作/Arduino】オリジナルArduinoを作りたい!どんな機能を追加する?ボード構成を考えてみる。

Arduinoはマイコン初心者の方でも比較的簡単に扱えるように作られた非常に良く出来たマイコンボードで、登場から10年経った今でも多くの方が使われていて世界中にArduino Loveな方々がいます。

私もそのうちの一人なんですが、Arduinoを使った電子工作をやっているといつかはオリジナルのArduinoボードを作ってみたいなんてことを考えることがあります。

Arduinoはオープンソースハードウェアのマイコンボードなので、Arduino公式サイトに詳細な回路図や仕様などが公開されています。

最近KiCad(基板設計のCADソフト)を使ったオリジナル基板の製作を行うようになりました。
まだ始めたばかりなので、まず小規模な回路基板の設計から出来るように勉強しているところです。

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先述のようにArduino公式サイトには基板設計データとなるEAGLEファイルなども公開されていることから、本家Arduinoボードと同じ回路構成のものなら製作は比較的簡単に出来るかな?なんてことは感じます!

しかしオリジナルのArduinoボードを作るなら、いろいろと付加機能も付けたりもしたいところです。
無線モジュールやディスプレイ・センサー接続端子など本来シールドなどを使い拡張する機能も標準でボードに搭載されていると便利そうですよね!

また、今となっては古くなったUSB端子の形状をType-Cに変更したり、オリジナルArduinoの3.3Vラインは無線モジュール接続など消費電力が高いモジュールなどの駆動にはあまり適さないことから電源ラインの再設計などもしておきたいポイントの一つです。

そんな事で先日Instagramにこのような投稿をしました。
オリジナルのArduinoボードを作るなら、どんな機能を追加したいか?といった内容の投稿です。
オリジナルArduinoを作るなら、みんさんどんな機能を付けてみたいですかね?

オリジナルArduinoの構成をいろいろと考えながらKiCadで回路を組んでいると、SNSでオリジナルArduino製作に関して面白い投稿がされていました。

オリジナルArduinoの製作を考えている私としては、非常に参考になったのでご紹介したいと思います。

オリジナルArduinoを作りたい!その構成について考える

冒頭でお話したようにArduinoを使った電子工作をやっていると、「世界に一つだけのオリジナルArduinoボードを作ってみたい!」なんて事を考えることがよくあります。

先述のようにArduinoはオープンソースハードウェアとなり詳細なボード情報が公式サイトで公開されています。
以下サイトは公式サイトArduino Unoのボードページとなります。

参考 Arduino Uno Rev3Arduino Store

データシートや詳細な回路図、基板データなどボードに関する全ての情報が公開されています。
基板設計データとなるEAGLEファイルもダウンロードする事が出来るので、本家ボードと同じ回路構成で作るなら基板の製作は比較的簡単に行えそうです。

こちらがダウンロードしたEAGLEファイルから基板に起こしたものです。
ライセンスの問題で「Arduino」という文字を使うことは出来ないようですが、不要なシルクを削除しオリジナルの名称や画像などを追加していけば本家と同性能のボードなら作ることが出来そうです。

基板製作はまだ始めたばかりで全く慣れていないため、このデータを使いオリジナルArduino Unoボードを作っても面白そうで良い経験になるとは思いますが・・・

Arduinoは登場してから10年が経っているため今ではもう古い規格となるUSB端子を変更したり、これまでArduinoを使ってきて気になる部分などに手を加えて完全にオリジナルのArduinoボードとして作りたい気もします。

そして最近SNSで紹介されていたオリジナルArduino製作に関する面白い記事がありました。
Type-C端子に変更しいくつかの付加機能を追加したオリジナルArduino Unoの製作記事です。

オリジナルArduinoボード製作に興味があり作ってみたい方は見てみると非常に面白く参考になると思います。

参考 Project Details For DIY Arduino UNO PRO VersionHackday

上記記事ではこのようなオリジナルArduino Unoを製作されています。

本家Arduino Unoからの主な変更点やカスタム内容はこのようになっているようです。

オリジナルArduino Uno カスタム内容
  1. 古いタイプのUSB端子をType-Cに変更
  2. 無線モジュールなどを接続できるIO端子を追加
  3. 3.3V電源ラインを強化
  4. ICSP端子を排除
  5. 過剰な回路構成を簡略化

①古いタイプのUSB端子をType-Cに変更

Arduinoが登場して10年以上経ちますが、Arduino Unoでは古い規格となるType-B端子が使われています。
最近のArduino互換機ではType-Cに対応したボードも多数登場しているので、USB端子はやはり変更しておきたいポイントですね。

②無線モジュールなどを接続できるIO端子を追加

後発となるESPシリーズのマイコンボードではBluetoothやWi-Fiといった無線機能が標準で使えますが、Arduinoには無線機能が搭載されていません。
そのためArduinoでは、それらに対応した無線モジュールを外部接続する必要があります。

このオリジナルArduinoには無線モジュール接続用端子として、HC-05などのBluetoothモジュールとnRF24L01を接続できる端子を追加しているようです。

③3.3V電源ラインを強化

Arduinoには外部に電源供給を行うための端子として[5V端子]と[3.3V]端子があります。
この端子を使った電力供給、特に3.3V端子の方は消費電力が高くなる無線モジュールなどの接続で使用すると不安定になることがよくあります。

本家Arduino Unoには、LP2985という3.3V電圧レギュレータが使われています。
データシートを確認すると出力電流は最大150mAほどとなっているようです。

Wi-FiモジュールとしてESP8266など消費電力が比較的高いモジュールを繋げると不安定な動作や駆動出来ないことがよくありました。

上記オリジナルArduino Unoでは、レギュレータに5V/3.3VともにAMS1117レギュレーターが使われているようです。

ICSP端子を排除

Arduino Unoには2つのICSP端子が付いています。
1つはUSB-シリアル変換を行うATmega16U2チップに繋がり、もう1つはArduinoの心臓部となるATmega328Pに繋がったものです。

このICSP端子はSPIピンに直結されSPI機器との接続やブートローダー・ファームウェアの書き換えなどで使用されます。

しかしながら、実際にはあまり使われることがない端子となるためカットされているようです。(SPI接続のnRF24L01無線モジュール接続用端子として使われているようですね)

⑤過剰な回路構成を簡略化

本家Arduino Unoの回路図を見ると分かりますが、いろんな使用を想定して保護回路等結構作り込まれています。
この過剰とも言える?回路構成を簡略化させているようですね。

これらの項目が上記記事で紹介されているオリジナルArduino Unoの主な構成となっています!
回路構成は非常にシンプルに簡略化されています。

実は今発注している基板があるのですが、上記内容とほぼ同じことをシールド側に乗せる形で設計しました。
まだKiCadの操作にもあまり慣れていないことからArduino側の回路には手を触れず、シールド側に機能を付ける形で製作したのですが・・・

基板発注前に上記記事を見ていたら、簡略化したArduino側の回路を参考にしてオリジナルArduino Unoとして作っていたかもしれません!

最後に!

オリジナルArduinoボード製作に向け、どんな機能を追加する?またはカットする?
など、まだ全体構成を考えている段階ですが・・・いつかは作ってみたいですよね、自分だけのオリジナルArduino。

書きながら思い付いたのですが、ESP系のマイコンボードにはリポバッテリー(1セル)で駆動できるようになっているボードがいくつかあります。
ディープスリープモードで消費電力を減らし長期間駆動できるような使用では便利なわけですが、バッテリー接続端子やバッテリー内蔵ボードなんていうのもいいかもしれませんね。

進展があればまたご紹介したいと思います。
みんさんならどんな機能を付けてみますか?
ご意見などありましたらコメント欄に頂ければありがたいです。

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