Raspberry Pi Pico и RP2040

RP2040 – микроконтроллер Raspberry Pi для устройств, где не требуется Linux, но нужна быстрая работа с GPIO, датчиками, приводами и цифровыми интерфейсами. На нём построены официальные Raspberry Pi Pico и большое количество совместимых плат с Ethernet, LoRa, дисплеями, RGB-матрицами и другой готовой периферией.

В отличие от обычных одноплатных компьютеров Raspberry Pi, платы на RP2040 запускают программу непосредственно на микроконтроллере. Они не требуют карты памяти с операционной системой и подходят для автоматики, измерительных устройств, робототехники и встраиваемой электроники.

Другие платы семейства представлены в категории Raspberry Pi.

Микроконтроллер RP2040

RP2040 содержит два ядра Arm Cortex-M0+ с частотой до 133 МГц и 264 КБ SRAM. Flash-память находится на самой плате, поэтому её объём зависит от конкретной модели и может отличаться.

Основные возможности RP2040:

• два процессорных ядра;
• GPIO;
• SPI;
• I2C;
• UART;
• ADC;
• PWM;
• USB;
• DMA;
• программируемые блоки PIO.

На стандартной Raspberry Pi Pico пользователю доступны 26 многофункциональных GPIO.

PIO

Одна из наиболее характерных особенностей RP2040 – Programmable I/O, или PIO.

В микроконтроллере предусмотрены программируемые машины состояний, которые могут независимо от основных процессорных ядер формировать и принимать цифровые сигналы.

Это позволяет реализовать интерфейсы, для которых у микроконтроллера нет отдельного аппаратного контроллера.

PIO применяется для:

• управления адресными светодиодами;
• генерации точных импульсов;
• приёма цифровых сигналов;
• нестандартных последовательных протоколов;
• дополнительного UART;
• формирования видеосигналов;
• интерфейсов собственной разработки.

Главное преимущество PIO – возможность перенести работу с временными диаграммами из основного кода в отдельный аппаратно-программируемый блок.

Процессор при этом может заниматься вычислениями, обработкой данных или пользовательской логикой.

Raspberry Pi Pico

Официальная Raspberry Pi Pico – универсальная плата разработки на RP2040 без встроенного дисплея или специализированной периферии.

Такой вариант удобен для макетирования, поскольку большинство выводов микроконтроллера доступны непосредственно на контактах платы.

Pico подходит для:

• подключения датчиков;
• управления реле;
• сервоприводов и двигателей через драйверы;
• дисплеев;
• кнопок и энкодеров;
• измерительных схем;
• генераторов сигналов;
• учебных проектов.

Плату можно устанавливать на макетную плату или впаивать в собственное устройство.

Raspberry Pi Pico W

Pico W добавляет к возможностям стандартной Pico беспроводную связь.

Такая плата подходит для сетевых датчиков, устройств домашней автоматизации, удалённого мониторинга и других проектов, где контроллер должен обмениваться данными без отдельного сетевого модуля.

Если беспроводная связь является основной частью проекта, стоит также учитывать ESP32 – эта платформа изначально ориентирована на широкий набор Wi-Fi и Bluetooth устройств.

Один из вариантов можно посмотреть в сравнении ESP32 Nano и ESP32 Pico.

Платы с дисплеями

На RP2040 выпускаются платы, где LCD или AMOLED уже размещён рядом с микроконтроллером.

Такой формат удобен для компактных приборов и устройств, в которых экран является частью основной конструкции.

Типичные применения:

• измерительные приборы;
• небольшие панели управления;
• часы и таймеры;
• автономные индикаторы;
• интерфейсы датчиков;
• портативные устройства.

В зависимости от модели вместе с дисплеем могут устанавливаться сенсорный контроллер, microSD, кнопки, энкодер или контроллер аккумулятора.

Ethernet

RP2040 может использоваться в проводных сетевых контроллерах при наличии внешнего Ethernet-контроллера.

Платы формата RP2040-ETH удобны для:

• Ethernet-UART шлюзов;
• сетевых датчиков;
• удалённых контроллеров;
• систем автоматизации;
• передачи телеметрии;
• оборудования, где Wi-Fi использовать нежелательно.

Проводная сеть особенно полезна в стационарных системах, где требуется стабильное соединение и устройство постоянно находится рядом с сетевой инфраструктурой.

Сам RP2040 не содержит встроенного Ethernet – сетевой интерфейс реализуется дополнительным контроллером на конкретной плате.

LoRa

Платы RP2040 с LoRa совмещают микроконтроллер с радиомодулем дальней связи.

Такие устройства используются там, где передавать небольшие объёмы данных нужно на значительно большее расстояние, чем позволяют обычные локальные беспроводные интерфейсы.

Примеры применения:

• удалённые датчики;
• мониторинг оборудования;
• погодные станции;
• телеметрия;
• автономные измерительные узлы;
• распределённые системы сбора данных.

LoRa предназначена прежде всего для передачи сравнительно небольших пакетов данных и не заменяет Wi-Fi или Ethernet в задачах, где требуется высокая скорость обмена.

RGB-матрицы и светодиоды

PIO делает RP2040 удобной платформой для управления светодиодами и цифровыми матрицами.

Вместо постоянной генерации временных последовательностей основным процессором эту работу можно передать программируемым блокам ввода-вывода.

Платы со встроенными RGB-матрицами подходят для:

• индикаторов;
• анимации;
• световых панелей;
• визуализации показаний;
• учебных проектов;
• компактных пользовательских интерфейсов.

При подключении большого количества внешних светодиодов нужно отдельно рассчитывать питание – выводы микроконтроллера не предназначены для питания мощной светодиодной нагрузки.

Компактные модули RP2040

Помимо формата Pico существуют значительно меньшие платы с RP2040.

Некоторые модели имеют кастеллированные контакты и могут устанавливаться непосредственно на собственную печатную плату как готовый микроконтроллерный модуль.

Такой формат полезен, если прототип уже проверен, но проектировать обвязку RP2040 с нуля не требуется.

При выборе компактного модуля стоит проверить:

• объём Flash;
• количество выведенных GPIO;
• наличие USB;
• тип разъёма;
• схему питания;
• наличие кнопки BOOT;
• размеры;
• возможность поверхностного монтажа.

MicroPython, C/C++ и Arduino

Для RP2040 доступны несколько подходов к программированию.

MicroPython удобен для экспериментов, обучения, датчиков и проектов, где важна быстрая разработка.

C/C++ позволяет использовать официальный SDK и лучше подходит для задач, где требуется более точный контроль над периферией, производительностью и памятью.

Поддержка среды Arduino позволяет использовать привычный подход Arduino и большое количество существующих библиотек.

Выбор языка не меняет аппаратные возможности RP2040 – одна и та же плата может использоваться с разными средами разработки.

RP2040 или RP2350

RP2040 остаётся подходящей платформой для большинства обычных микроконтроллерных задач: управления GPIO, датчиками, приводами, дисплеями и собственными цифровыми интерфейсами.

Для новых проектов, где требуется более производительное поколение Raspberry Pi Pico, можно рассмотреть Raspberry Pi Pico 2 и платы RP2350.

Переход на RP2350 не обязателен только потому, что он новее. Если производительности, памяти и периферии RP2040 достаточно, использование проверенной платы на RP2040 остаётся нормальным решением.

Выбор платы RP2040

Стандартная Pico удобна, если периферия будет подключаться отдельно и требуется максимальный доступ к GPIO.

Pico W подходит для проектов, которым дополнительно нужна беспроводная связь.

Готовые платы Waveshare стоит рассматривать, когда заранее известна основная функция устройства – дисплей, Ethernet, LoRa, RGB-матрица или другой встроенный интерфейс.

При выборе важно смотреть не только на RP2040, но и на всю аппаратную конфигурацию платы: объём Flash, питание, свободные GPIO, USB, встроенные интерфейсы и компоненты, которые уже используют ресурсы микроконтроллера.