Самостоятельная сборка программатора AVRProg
На макетной плате metaboard очень удобно собрать ISP программатор для AVR микроконтроллеров AVRProg. Схема очень простая, исходный код программатора открыт и доступен для двух вариантов программатора - есть версия USBasp и версия AVR-Doper. Схема программатора собирается прямо на макетном поле платы metaboard. Прошивку (версию программатора) можно легко поменять через USB бутлоадер, прошитый в плате metaboard.
Рис.1 - AVRProg- Metaboard
[Возможности программатора AVRProg]
1. На программаторе имеются два сокета-кроватки для установки программируемых микроконтроллеров AVR в DIP-корпусах на 8, 20 и 28 ножек, включая популярные ATTiny25/45/85, ATTiny2313, ATMega8, ATMega48/88/168/328 (8-ножечные AVR вставляются в 20-пиновый сокет).
2. Для программируемых микроконтроллеров генерируется тактовая частота 1 МГц (для тех микроконтроллеров, фьюзы которых установлены в расчете на работу с внешней тактовой частотой или с внешним кварцевым резонатором).
3. Схема программатора очень проста и удобна для самостоятельной сборки в домашних условиях.
4. Для схемы этого программатора (AVRProg на макетной плате metaboard) портировано две версии firmware - USBasp и AVR-Doper. Ожидается в будущем также портирование AVRminiProg. Ссылки на закачку firmware см. в [1, 2, 3].
5. Отдельный 10-пиновый коннектор ISP с цоколевкой, совместимой со стандартной 10 pin ISP (стандартные цоколевки разъемов ISP можно посмотреть в [4]), предназначен для внутрисхемного программирования микроконтроллеров AVR (а также как порт отладочного вывода в варианте AVR-Doper, см. далее). На этот коннектор выведено напряжение питания 5 вольт для программируемой платы, которое можно подключить установкой перемычки JP5 (см. принципиальную схему программатора), тактовая частота 1 МГц и сигналы приема-передачи отладочного UART.
[Принципиальная схема программатора AVRProg]
Рис. 2 - Принципиальная схема программатора AVRProg
Чтобы максимально упростить схему (и, соответственно, облегчить самостоятельную сборку программатора), из неё исключены преобразователи уровней, которые в общем случае обычно устанавливают для согласования логических уровней программатора и программируемой по ISP схемы, так как напряжение питания схемы программатора может отличаться от напряжения питания программируемого устройства (см. вариант подключения таких преобразователей уровня в [6]). Это означает, что программатор AVRProg и программируемое через ISP коннектор SV1 устройство должны по возможности питаться от приблизительно одного и того же уровня напряжения (около 5 вольт). В схему добавлены резисторы R1..R7, последовательно включенные в цепь цифровых сигналов, которые несколько смягчают (но не устраняют полностью) проблему с разностью логических уровней. Эти резисторы ограничивают максимальный ток и предотвращают повреждение программируемого устройства и программатора, которые питаются от разных напряжений. Благодаря этим резисторам и наличию в AVR защитных диодов производится некоторое преобразование уровня сигналов 1MHZ, RESET, MOSI, MISO, SCK, RXD, TXD, так что должно быть возможным программирование по ISP устройств, запитанных напряжением 3.3 вольта.
Кроме того, имеется возможность дополнительной подачи питания +5 вольт на программируемое устройство. Подача питания активируется установкой перемычки JP5. Имейте в виду, что в схеме программатора AVRProg отсутствует защитное ограничение тока, подаваемого на программируемое устройство. Конечно, за исключением того случая, когда программатор сам питается от USB, и контроллер USB компьютера имеет такую защиту. Никогда не устанавливайте перемычку JP5, если программируемое по ISP устройство питается от собственного источника напряжения и если напряжение питания программируемого устройства (подключенного через ISP SV1) отличается от +5V!
В схеме программатора использовался 10 pin ISP "старого стиля" (кроме такой ISP цоколевки имеются также и более удобные 6 pin ISP коннекторы), так как на его ножки выведены дополнительные сигналы (которые в оригинальной 10 pin ISP цоколевке подключены на GND). Это три дополнительные сигнала, которые Вы можете использовать для своих нужд в программируемом устройстве, если необходимо:
X1MHZ - тактовая частота 1 МГц. Может использоваться для оживления "брикнутых" чипов, которые рассчитаны на работу с внутренним RC-генератором, но у которых по ошибке неправильно установлены фьюзы на использование внешнего кварца или тактового генератора. Без подачи внешней тактовой частоты или подключения кварца запрограммировать такие AVR невозможно, тут как раз и может пригодиться внешний тактовый сигнал 1 МГц.
XRXD - вход последовательного порта, который может принимать вывод отладочных данных от программируемого устройства. Такая возможность поддерживается в версии firmware AVR-Doper. Все, что передает через UART отлаживаемое устройство (аппаратный UART есть почти в любом микроконтроллере AVR), может быть отображено в окне терминала, подключенного на виртуальный USB COM-порт AVR-Doper. Эта возможность упрощает написание и отладку программного обеспечения в программируемом по ISP устройстве на микроконтроллере AVR. Чтобы задействовать такую возможность, нужно аппаратный выход TXD порта UART программируемого AVR подключить к сигналу XRXD (выв. 10 ISP-коннектора SV1), а также использовать в отлаживаемом firmware макросы отладочного вывода (в библиотеках WinAVR это макрос DBG, можно также использовать printf, перенаправленный на UART).
XTXD - выход последовательного порта, который может передавать произвольные данные пользователя к программируемому устройству. Такая возможность поддерживается в версии firmware AVR-Doper. Все, что печатается в окне терминала (подключенного на виртуальный USB COM-порт AVR-Doper), будет передано на вход UART отлаживаемого устройства (аппаратный UART есть почти в любом микроконтроллере AVR). Это используется реже, чем отладочный вывод по XRXD (через макрос DBG или оператор printf), однако такая возможность также упрощает написание и отладку программного обеспечения в программируемом по ISP устройстве. Например, можно подавать в отлаживаемое устройство текстовые команды прямо из окна терминала. Чтобы задействовать такую возможность, нужно аппаратный вход RXD порта UART программируемого AVR подключить к сигналу XTXD (выв. 8 ISP-коннектора SV1).
Напряжение питания на программируемые чипы AVR, устанавливаемые в сокеты-кроватки IC1 и IC2, подается от двух ножек микроконтроллера платы metaboard PC3 и PC4 (выводы 4 и 5 коннектора JP3). Порты PC3 и PC4 запрограммированы, как выходы, и их выходного тока достаточно для прямого питания установленного в сокет программируемого микроконтроллера (специально используются два порта, подключенные параллельно - для увеличения нагрузочной способности выхода). Если на PC3 и PC4 выдана лог. 1, то питание на программируемый микроконтроллер подано. Это состояние также индицирует свечение красного светодиода, подключенного к выводу 1 коннектора JP3 (управляется программно ножкой порта PC0). Если на PC3 и PC4 выдан лог. 0, то программируемый микроконтроллер обесточен (при этом светодиод погашен), и его можно свободно вынимать из сокета, не опасаясь какого-нибудь электрического повреждения.
[Сборка программатора]
Чтобы можно было установить коннектор ISP SV1, нужно выпаять коннектор питания JP4 платы metaboard (если он был установлен). Никаких других особенностей сборка не имеет, просто соедините все провода, руководствуясь принципиальной схемой - примерно так, как показано на фотографии. Разноцветные провода применены просто для наглядности, чтобы было проще разобраться в разводке разных сигналов. Правильно собранная схема начинает работать сразу и не требует никакой отладки.
Рис.3 - AVRProg-Metaboard
Многие компоненты на схеме AVRProg не обязательны для установки. Например, если Вам не нужны сокеты-кроватки и нужен только ISP, то сокеты IC1 и IC2 можете не устанавливать и не распаивать. Или, например, если Вам не нужна возможность ISP-программирования, то можете не устанавливать ISP-коннектор SV1, при этом также не нужны резисторы R1..R7 и перемычка JP5.
Далее описаны отличия в работе двух вариантов firmware программатора - USBasp и AVR-Doper. Оба варианта легко загружаются в память чипа с помощью USB-бутлоадера и программы Khazama AVR Programmer (см. [5]), поэтому у Вас всегда есть возможность легко перепрошить любую нужную версию программатора. Для активизации бутлоадера должна быть установлена перемычка JP6 Upload, и при подключенной по USB к компьютеру плате metaboard нужно нажать кнопку S1 Reset (перемычка JP6 и кнопка S1 установлены изначально на плате metaboard). После этой нехитрой процедуры на компьютере появится USB-устройство USBasp (если нет драйвера, то система Windows запросит его. Драйвер возьмите из пакета по ссылке [5]). USB-устройство бутлоадера USBasp (USB бутлоадер эмулирует программатор USBasp) может принимать команды от оболочки программатора Khazama AVR Programmer. С помощью программы Khazama AVR Programmer в память чипа metaboard можно записать любой из двух вариантов firmware программатора - USBasp и AVR-Doper (описание работы с этим firmware см. далее). Варианты готовых прошивок firmware (и USBasp, и AVR-Doper) доступны по ссылке [3].
Рис.4 - Окно программы Khazama AVR Programmer[USBasp]
Скачайте по ссылке [3] пакет архива и возьмите из него бинарник (HEX-файл) с соответствующим именем файла. В имени файла указан тип прошивки (USBasp или AVR-Doper), тип используемого в metaboard микроконтроллера (одинаково подходят как ATmega168PA, так и ATmega328P) и тактовая частота кварца (обычно используется кварц на 16 МГц, но возможны также частоты 12, 15, 16.5, 20 МГц). Прошейте бинарник в память чипа с помощью USB-бутлоадера платы metaboard и программы Khazama AVR Programmer (выберите в ней чип платы metaboard и). Не обращайте внимания на предупреждения о невозможности поменять тактовую частоту ISP - USB бутлоадер максимально упрощен и не поддерживает обработку команды установки частоты ISP (для бутлоадера это не нужно).
После того, как firmware USBasp записано в память чипа платы metaboard, переподключите по USB плату metaboard с собранным программатором, и программатор USBasp готов к работе. Для работы с программатором AVRProg в варианте USBasp может использоваться та же самая программа Khazama AVR Programmer (версии не ниже 1.7.0) или утилита командной строки avrdude.
Вариант USBasp мне понравился меньше, чем вариант AVR-Doper, так как в этом firmware есть недоработки, связанные с отсутствием поддержки смены тактовой частоты ISP (оболочка Khazama AVR Programmer выдает сообщения об ошибке, но программатор все же работает). Кроме того, для некоторых чипов не поддерживаются фьюзы (fuses), как, например, для чипа ATmega328P. Несколько лучше обстоит дело с avrdude, но работа с этой утилитой не очень удобна, как как это все-таки утилита командной строки, а не GUI. Однако для пакетной работы (когда нужно автоматизировать потоковое программирование большого количества устройств) утилита avrdude может оказаться самым лучшим выбором. Для работы с avrdude выбирайте протокол usbasp.
[AVR-Doper]
Прошивается firmware варианта AVR-Doper точно так же, как описан процесс для USBasp, просто из архива [3] нужно взять другой файл прошивки (в имени которого упоминается AVR-Doper). Этот вариант, на мой взгляд, заслуживает большего уважения, так как представляет поддержку протокола STK500 компании Atmel (этот протокол стал стандартом de-facto, благодаря популярности платформы AVR и инструментальных средств для него). Протокол STK500 поддерживается AVR Studio, поэтому вариант AVR-Doper будет отлично работать совместно с оболочкой программатора AVRprog среды программирования AVR Studio. Это очень удобно для пользователей AVR Studio и открывает широкие возможности для программирования чипа (нет проблем с поддержкой фьюзов на некоторых AVR, как в случае с Khazama + USBasp). Для работы с avrdude выбирайте протокол STK500.
При работе в среде AVR Studio запустите утилиту программатора AVRprog и в начальном диалоге выберите вариант программатора STK500. Внимание: утилита AVRprog предложит перезалить firmware программатора, откажитесь от этого, нажав кнопку 'Нет'. В остальном работа с утилитой программатора не имеет особенностей и не заслуживает отдельного описания. См. также обзор работы с AVRprog AVRStudio по ссылке [6].
[Как устанавливать программируемые микросхемы в сокеты]
Программирование DIP8 Программирование DIP20 Программирование DIP28
ATtiny25/45/85 ATtiny2313A-PU ATmega8, ATmega48/88/168/328
[Компиляция исходного кода USBasp и AVR-Doper]
Поскольку доступен исходный код firmware программатора AVRProg metaboard (для версий USBasp и AVR-Doper), его можно доработать для своих нужд, перекомпилировать и перепрошить с помощью бутловадера в память чипа metaboard. В частности, в версии USBasp можно добавить поддержку команд смены тактовой частоты ISP.
В исходном коде USBasp [1] и AVR-Doper [2] есть одинаковая ошибка, которая связана с неправильным управлением портом индикационного светодиода LED1 (выбор порта не соответствует принципиальной схеме). В исходном коде, который Вы можете скачать по ссылке [3], эта ошибка исправлена.
Компиляция осуществляется просто, одинаково для версий USBasp и AVR-Doper. Для компиляции у Вас должен быть установлен пакет WinAVR. Распакуйте исходный код firmware в отдельную папку. Перейдите в корневой каталог проекта, где находится файл makefile, и выполните в командной строке друг за другом две команды: make clean и make metaboard. После этого в корневом каталоге проекта появится файл main.hex, который является двоичным файлом прошивки firmware программатора. Именно его нужно залить с помощью USB бутлоадера в память чипа платы metaboard.
Макетная плата metaboard [7] может использоваться с микроконтроллерами ATmega168PA и ATmega328P. И для ATmega168PA, и для ATmega328P подходит прошивка программатора, скомпилированная для ATmega168PA. Имейте в виду, что прошивка, скомпилилированная для ATmega328P, не работает (почему - пока не разобрался). Если у Вас используется в metaboard кварцевый резонатор не на 16 МГц, а на другую частоту (12, 15, 16.5 или 20 МГц), перед компиляцией отредактируйте в makefile макроопределение F_CPU.
[Ссылки]
1. Оригинальный исходный код firmware программатора USBasp, портированного на metaboard AVRProg (внимание: этот код содержит ошибки, используйте лучше исходный код по ссылке [3]). См. Download в конце статьи (закачивайте avrprog-metaboard-1.1.zip или более свежую версию).
2. Оригинальный исходный код firmware программатора AVR-Doper, портированного на metaboard AVRProg (внимание: этот код содержит ошибки, используйте лучше исходный код по ссылке [3]).
3. Исходный код программатора firmware программаторов USBasp и AVR-Doper с исправленными ошибками, а также готовые скомпилированные прошивки для микроконтроллера ATmega168PA (подходит и для ATmega328P) на все возможные частоты кварцев (12, 15, 16, 16.5, 20 МГц).
4. Цоколевки коннекторов ISP.
5. Программа Khazama AVR Programmer и драйвер USB для USBasp (операционная система Windows). Для работы с USBasp-версией программатора AVRProg устанавливайте Khazama версии 1.7.0 или более свежую!
6. AVR-USB-MEGA16: как сделать STK500-совместимый ISP и HVSP программатор (AVR-Doper).
7. Макетная плата metaboard (AVR микроконтроллер ATmega168PA или ATmega328P).Автор: Danya