Ein Differenzverstärker ist schon richtig. Bei einigen AVRs ist sogar schon ein differenzverstärker drin und man kann direkt die Differenzspannung messen. Allerdings ist man da in der Verstärkug festgelegt, und ob das an der oberen Grenze der Versorgungsspannung geht weiss ich auch nicht.

Ein Widerstand von nur 0,002 Ohm kommt mir etwas viel vor. Die 0,5 Ohm vom Anfang waren da schon fast besser. Ich würde etwa von etwa 0,1 Ohm wählen, dann hat man bei 500mA maximal 50 mV Spannungsabfall, was digitalschaltungen noch gut verkraften können. Für die Messung mit dem AVR internen AD braucht man auch keine wirkliche Präzison. Von der Leistung sollten das auch maximal etwa 25 mW werden, da reicht also sogar ein kleiner SMD Widerstand. Wegen des Wertes aber wohl eher 2-3 parallel.