22 сентября 2011 в 20:11

Миниатюрный USB программатор для AVR микроконтроллеров

• Программирование микроконтроллеров

Как театр начинается с вешалки, так программирование микроконтроллеров начинается с выбора хорошего программатора. Так как начинаю осваивать микроконтроллеры фирмы ATMEL, то досконально пришлось ознакомится с тем что предлагают производители. Предлагают они много всего интересного и вкусного, только совсем по заоблачным ценам. К примеру, платка с одним двадцатиногим микроконтроллером с парой резисторов и диодов в качестве обвязки, стоит как «самолет». Поэтому остро встал вопрос о самостоятельной сборке программатора. После долгого изучения наработок радиолюбителей со стажем, было решено собрать хорошо зарекомендовавший себя программатор USBASP, мозгом которого служит микроконтроллер Atmega8 (так же есть варианты прошивки под atmega88 и atmega48). Минимальная обвязка микроконтроллера позволяет собрать достаточно миниатюрный программатор, который всегда можно взять с собой, как флэшку.

Автором данного программатора является немец Thomas Fichl, страничка его разработки со схемами, файлами печатных плат и драйверами.
Раз решено было собрать миниатюрный программатор, то перерисовал схему под микроконтроллер Atmega8 в корпусе TQFP32 (распиновка микроконтроллера отличается от распиновки в корпусе DIP):

Перемычка J1 применяется, в случае если необходимо прошить микроконтроллер с тактовой частотой ниже 1,5МГц. Кстати, эту перемычку вообще можно исключить, посадив 25 ногу МК на землю. Тогда программатор будет всегда работать на пониженной частоте. Лично для себя отметил, что программирование на пониженной скорости на доли секунды дольше, и поэтому теперь перемычку не дёргаю, а постоянно шью с ней.
Стабилитроны D1 и D2 служат для согласования уровней между программатором и USB шиной, без них работать будет, но далеко не на всех компьютерах.
Светодиод blue показывает наличие готовности к программированию схемы, red загорается во время программирования. Контакты для программирования выведены на разъем IDC-06, распиновка соответствует стандарту ATMEL для 6-ти пинового ISP разъема:

На этот разъем выведены контакты для питания программируемых устройств, здесь оно берется напрямую с USB порта компьютера, поэтому нужно быть внимательным и не допускать кз. Этот же разъем применяется и для программирования управляющего микроконтроллера, для этого достаточно соединить выводы Reset на разъеме и на мк (см. красный пунктир на схеме). В авторской схеме это делается джампером, но я не стал загромождать плату и убрал его. Для единичной прошивки хватит и простой проволочной перемычки. Плата получилась двухсторонняя, размерами 45х18 мм.

Разъем для программирования и перемычка для снижения скорости работы программатора вынесены на торец устройства, это очень удобно

Прошивка управляющего микроконтроллера

Итак, после сборки устройства осталось самое важное - прошить управляющий микроконтроллер. Для этих целей хорошо подходят друзья у которых остались компьютеры с LPT портом:) Простейший программатор на пяти проводках для AVR
Микроконтроллер можно прошивать с разъема программирования, соединив выводы Reset микроконтроллера (29 нога) и разъема. Прошивка существует для моделей Atmega48, Atmega8 и Atmega88. Желательно использовать один из двух последних камней, так как поддержка версии под Atmega48 прекращена и последняя версия прошивки датируется 2009 годом. А версии под 8-й и 88-й камни постоянно обновляются, и автор вроде как планирует добавить в функционал внутрисхемный отладчик. Прошивку берем на странице немца. Для заливки управляющей программы в микроконтроллер я использовал программу PonyProg. При программировании необходимо завести кристалл на работу от внешнего источника тактирования на 12 МГц. Скрин программы с настройками fuse перемычек в PonyProg:

После прошивки должен загореться светодиод подключенный к 23 ноге микроконтроллера. Это будет верный признак того, что программатор прошит удачно и готов к работе.

Установка драйвера

Установка велась на машину с системой Windows 7 и никаких проблем не возникло. При первом подключении к компьютеру выйдет сообщение об обнаружении нового устройства, с предложением установки драйвера. Выбираем установку из указанного места:

Мигом появится окно с предупреждением о том, что устанавливаемый драйвер не имеет цифровой подписи у мелкомягких:

Забиваем на предупреждение и продолжаем установку, после небольшой паузы появится окно, сообщающее об успешном окончании операции установки драйвера

Все, теперь программатор готов к работе.

Khazama AVR Programmer

Для работы c программатором я выбрал прошивальщик Khazama AVR Programmer . Замечательная программка, с минималистичным интерфейсом.

Она работает со всеми ходовыми микроконтроллерами AVR, позволяет прошивать flash и eeprom, смотреть содержимое памяти, стирать чип, а также менять конфигурацию фьюз-битов. В общем, вполне стандартный набор. Настройка фьюзов осуществляется выбором источника тактирования из выпадающего списка, таким образом, вероятность залочить кристалл по ошибке резко снижается. Фьюзы можно менять и расстановкой галок в нижнем поле, при этом нельзя расставить галки на несуществующую конфигурацию, и это тоже большой плюс в плане безопасности.

Запись фьюзов в память мк, как можно догадаться, осуществляется при нажатии кнопки Write All. Кнопка Save сохраняет текущую конфигурацию, а Load возвращает сохраненную. Правда я так и не смог придумать практического применения этих кнопок. Кнопка Default предназначена для записи стандартной конфигурации фьюзов, такой, с какой микроконтроллеры идут с завода (обычно это 1МГц от внутреннего RC).
В общем, за все время пользования этим программатором, он показал себя с наилучшей стороны в плане стабильности и скорости работы. Он без проблем заработал как на древнем стационарном пк так и на новом ноутбуке.

Скачать файл печатной платы в SprintLayout можно по

Микроконтроллеры Atmega8 являются самыми популярными представителями своего семейства. Во многом они этим обязаны, с одной стороны, простоте работы и понятной структуре, с другой - довольно широким функциональным возможностям. В статье будет рассмотрено программирование Atmega8 для начинающих.

Общая информация

Микроконтроллеры встречаются везде. Их можно найти в холодильниках, стиральных машинках, телефонах, заводских станках и большом количестве других технических устройств. Микроконтроллеры бывают как простыми, так и чрезвычайно сложными. Последние предлагают значительно больше возможностей и функционала. Но разбираться сразу в сложной технике не выйдет. Первоначально необходимо освоить что-то простое. И в качестве образца будет взят Atmega8. Программирование на нём не является сложным благодаря грамотной архитектуре и дружелюбному интерфейсу. К тому же он является обладателем достаточной производительности, чтобы использовать в большинстве Более того, они применяются даже в промышленности. В случае с Atmega8 программирование предусматривает знание таких языков как AVR (C/Assembler). С чего же начать? Освоение этой технологии возможно тремя путями. И каждый выбирает сам, с чего начать работу с Atmega8:

1. Программирование через Arduino.
2. Покупка готового устройства.
3. Самостоятельная сборка микроконтроллера.

Нами будет рассмотрен первый и третий пункт.

Arduino

Это удобная платформа, выполненная в виде что подходит для быстрого создания различных устройств. В плате уже есть всё необходимое в виде самого микроконтроллера, его обвязки и программатора. Пойдя по этому пути, человек получит следующие преимущества:

1. Низкий порог требований. Не нужно обладать специальными навыками и умениями для разработки технических устройств.
2. Широкий спектр элементов будет доступен для подключения без дополнительной подготовки.
3. Быстрое начало разработки. С Arduino можно сразу переходить к созданию устройств.
4. Наличие большого количества учебных материалов и примеров реализаций различных конструкций.

Но есть и определённые минусы. Так, Arduino программирование Atmega8 не позволяет глубже окунуться в мир микроконтроллера и разобраться во многих полезных аспектах. Кроме этого, придётся изучить язык программирования, что отличается от применяемых AVR (C/Assembler). И ещё: Arduino имеет довольно узкую линейку моделей. Поэтому рано или поздно возникнет необходимость использовать микроконтроллер, что не используется в платах. А в целом это неплохой вариант работы с Atmega8. Программирование через Arduino позволит получить уверенный старт в мире электроники. И у человека вряд ли опустятся руки из-за неудач и проблем.

Самостоятельная сборка

Благодаря дружелюбности конструкции их можно сделать самими. Ведь для этого нужны дешевые, доступные и простые комплектующие. Это позволит хорошо изучить устройство микроконтроллера Atmega8, программирование которого после сборки будет казаться более лёгким. Также при необходимости можно самостоятельно подобрать иные комплектующие под конкретную задачу. Правда, здесь есть и определённый минус - сложность. Самостоятельно собрать микроконтроллер, когда нет нужных знаний и навыков, нелегко. Этот вариант мы и рассмотрим.

Что же нужно для сборки?

Первоначально необходимо заполучить сам Atmega8. Программирование микроконтроллера без него самого, знаете ли, невозможно. Он обойдётся в несколько сотен рублей - обеспечивая при этом достойный функционал. Также стоит вопрос о том, как будет осуществляться программирование Atmega8. USBAsp - это довольно хорошее устройство, что себя зарекомендовало с лучшей стороны. Но можно использовать и какой-то другой программатор. Или же собрать его самостоятельно. Но в таком случае существует риск, что при некачественном создании он превратит микроконтроллер в неработающий кусочек пластика и железа. Также не помешает наличие макетной платы и перемычек. Они не обязательны, но позволят сэкономить нервы и время. И напоследок - нужен источник питания на 5В.

Программирование Atmega8 для начинающих на примере

Давайте рассмотрим, как в общих чертах осуществляется создание какого-то устройства. Итак, допустим, что у нас есть микроконтроллер, светодиод, резистор, программатор, соединительные провода, и источник питания. Первый шаг - это написание прошивки. Под нею понимают набор команд для микроконтроллера, что представлен в качестве конечного файла, имеющего специальный формат. В нём необходимо прописать подключение всех элементов, а также взаимодействие с ними. После этого можно приступать к сборке схемы. На ножку VCC следует подать питание. К любой другой, предназначенной для работы с устройствами и элементами,подключается сначала резистор, а потом светодиод. При этом мощность первого зависит от потребностей в питании второго. Можно ориентироваться по такой формуле: R=(Up-Ups)/Is. Здесь p - это питание, а s - светодиод. Давайте представим, что у нас есть светодиод, потребляющий 2В и требующий ток питания на уровне 10 мА, переводим в более удобный для математических операций вид и получаем 0.01А. Тогда формула будет выглядеть следующим образом: R=(5В-2В)/0.01А=3В/0.01А=300 Ом. Но на практике часто оказывается невозможным подобрать идеальный элемент. Поэтому берётся наиболее подходящий. Но нужно использовать резистор с сопротивлением выше значения, полученного математическим путём. Благодаря такому подходу мы продлим срок его службы.

А что же дальше?

Итак, у нас есть небольшая схема. Теперь осталось подключить к микроконтроллеру программатор и записать в его память прошивку, что была создана. Здесь есть один момент! Выстраивая схему, необходимо её создавать таким образом, чтобы микроконтроллер можно было прошивать без распайки. Это позволит сберечь время, нервы и продлит срок службы элементов. В том числе и Atmega8. Внутрисхемное программирование, нужно отметить, требует знаний и умений. Но оно же позволяет создавать более совершенные конструкции. Ведь часто бывает, что во время распайки элементы повреждаются. После этого схема готова. Можно подавать напряжение.

Важные моменты

Хочется дать новичкам полезные советы про программирование Atmega8. Встроенные переменные и функции не менять! Прошивать устройство созданной программой желательно после её проверки на отсутствие «вечных циклов», что заблокируют любое иное вмешательство, и с использованием хорошего передатчика. В случае использования самоделки для этих целей следует быть морально готовым к выходу микроконтроллера из строя. Когда будете прошивать устройство с помощью программатора, то следует соединять соответствующие выходы VCC, GND, SCK, MOSI, RESET, MISO. И не нарушайте технику безопасности! Если техническими характеристиками предусмотрено, что должно быть питание в 5В, то нужно придерживаться именно такого напряжения. Даже использование элементов на 6В может негативно сказать на работоспособности микроконтроллера и сократить срок его службы. Конечно, батареи на 5В имеют определённые расхождения, но, как правило, там всё в разумных рамках. К примеру, максимальное напряжение будет держаться на уровне 5,3В.

Обучение и совершенствование навыков

На счастье, Atmega8 является очень популярным микроконтроллером. Поэтому найти единомышленников или же просто знающих и умеющих людей не составит труда. Если нет желания изобретать заново велосипед, а просто хочется решить определённую задачу, то можно поискать требуемую схему на просторах мировой сети. Кстати, небольшая подсказка: хотя в русскоязычном сегменте робототехника довольно популярна, но, если нет ответа, то следует его поискать в англоязычном - он содержит на порядок большее количество информации. Если есть определённые сомнения в качестве имеющихся рекомендаций, то можно поискать книги, где рассматривается Atmega8. Благо, компания-производитель берёт во внимание популярность своих разработок и снабжает их специализированной литературой, где опытные люди рассказывают, что и как, а также приводят примеры работы устройства.

Сложно ли начать создавать что-то своё?

Достаточно иметь 500-2000 рублей и несколько свободных вечеров. Этого времени с лихвой хватит, чтобы ознакомиться с архитектурой Atmega8. После небольшой практики можно будет спокойно создавать свои собственные проекты, выполняющие определённые задачи. К примеру, роботизированную руку. Одного Atmega8 должно с лихвой хватить, чтобы передать основные моторные функции пальцев и кисти. Конечно, это довольно сложная задача, но вполне посильная. В последующем вообще можно будет создавать сложные вещи, для которых понадобятся десятки микроконтроллеров. Но это всё впереди, перед этим необходимо получить хорошую школу практики на чем-то простом.

Как театр начинается с вешалки, так программирование микроконтроллеров начинается с выбора хорошего программатора. Так как начинаю осваивать микроконтроллеры фирмы ATMEL , то досконально пришлось ознакомится с тем что предлагают производители. Предлагают они много всего интересного и вкусного, только совсем по заоблачным ценам. К примеру, платка с одним двадцатиногим микроконтроллером с парой резисторов и диодов в качестве обвязки, стоит как «самолет». Поэтому остро встал вопрос о самостоятельной сборке программатора. После долгого изучения наработок радиолюбителей со стажем, было решено собрать хорошо зарекомендовавший себя программатор USBASP , мозгом которого служит микроконтроллер Atmega8 (так же есть варианты прошивки под atmega88 и atmega48). Минимальная обвязка микроконтроллера позволяет собрать достаточно миниатюрный программатор, который всегда можно взять с собой, как флэшку.

Раз решено было собрать миниатюрный программатор, то перерисовал схему под микроконтроллер Atmega8 в корпусе TQFP32 (распиновка микроконтроллера отличается от распиновки в корпусе DIP):

Перемычка J1 применяется, в случае если необходимо прошить микроконтроллер с тактовой частотой ниже 1,5МГц. Кстати, эту перемычку вообще можно исключить, посадив 25 ногу МК на землю. Тогда программатор будет всегда работать на пониженной частоте. Лично для себя отметил, что программирование на пониженной скорости на доли секунды дольше, и поэтому теперь перемычку не дёргаю, а постоянно шью с ней.
Стабилитроны D1 и D2 служат для согласования уровней между программатором и USB шиной, без них работать будет, но далеко не на всех компьютерах.
Светодиод blue показывает наличие готовности к программированию схемы, red загорается во время программирования. Контакты для программирования выведены на разъем IDC-06, распиновка соответствует стандарту ATMEL для 6-ти пинового ISP разъема:

На этот разъем выведены контакты для питания программируемых устройств, здесь оно берется напрямую с USB порта компьютера, поэтому нужно быть внимательным и не допускать кз. Этот же разъем применяется и для программирования управляющего микроконтроллера, для этого достаточно соединить выводы Reset на разъеме и на мк (см. красный пунктир на схеме). В авторской схеме это делается джампером, но я не стал загромождать плату и убрал его. Для единичной прошивки хватит и простой проволочной перемычки. Плата получилась двухсторонняя, размерами 45х18 мм.

Разъем для программирования и перемычка для снижения скорости работы программатора вынесены на торец устройства, это очень удобно

Прошивка управляющего микроконтроллера

Итак, после сборки устройства осталось самое важное - прошить управляющий микроконтроллер. Для этих целей хорошо подходят друзья у которых остались компьютеры с LPT портом:) Простейший программатор на пяти проводках для AVR
Микроконтроллер можно прошивать с разъема программирования, соединив выводы Reset микроконтроллера (29 нога) и разъема. Прошивка существует для моделей Atmega48, Atmega8 и Atmega88. Желательно использовать один из двух последних камней, так как поддержка версии под Atmega48 прекращена и последняя версия прошивки датируется 2009 годом. А версии под 8-й и 88-й камни постоянно обновляются, и автор вроде как планирует добавить в функционал внутрисхемный отладчик. Прошивку берем на странице немца. Для заливки управляющей программы в микроконтроллер я использовал программу PonyProg. При программировании необходимо завести кристалл на работу от внешнего источника тактирования на 12 МГц. Скрин программы с настройками fuse перемычек в PonyProg:

После прошивки должен загореться светодиод подключенный к 23 ноге микроконтроллера. Это будет верный признак того, что программатор прошит удачно и готов к работе.

Установка драйвера

Установка велась на машину с системой Windows 7 и никаких проблем не возникло. При первом подключении к компьютеру выйдет сообщение об обнаружении нового устройства, с предложением установки драйвера. Выбираем установку из указанного места:

Выбираем папку где лежат дрова и жмем Далее

Мигом появится окно с предупреждением о том, что устанавливаемый драйвер не имеет цифровой подписи у мелкомягких:

Забиваем на предупреждение и продолжаем установку, после небольшой паузы появится окно, сообщающее об успешном окончании операции установки драйвера

Все, теперь программатор готов к работе.

Khazama AVR Programmer

Для работы c программатором я выбрал прошивальщик Khazama AVR Programmer. Замечательная программка, с минималистичным интерфейсом.

Она работает со всеми ходовыми микроконтроллерами AVR, позволяет прошивать flash и eeprom, смотреть содержимое памяти, стирать чип, а также менять конфигурацию фьюз-битов. В общем, вполне стандартный набор. Настройка фьюзов осуществляется выбором источника тактирования из выпадающего списка, таким образом, вероятность залочить кристалл по ошибке резко снижается. Фьюзы можно менять и расстановкой галок в нижнем поле, при этом нельзя расставить галки на несуществующую конфигурацию, и это тоже большой плюс в плане безопасности.

Запись фьюзов в память мк, как можно догадаться, осуществляется при нажатии кнопки Write All. Кнопка Save сохраняет текущую конфигурацию, а Load возвращает сохраненную. Правда я так и не смог придумать практического применения этих кнопок. Кнопка Default предназначена для записи стандартной конфигурации фьюзов, такой, с какой микроконтроллеры идут с завода (обычно это 1МГц от внутреннего RC).
В общем, за все время пользования этим программатором, он показал себя с наилучшей стороны в плане стабильности и скорости работы. Он без проблем заработал как на древнем стационарном пк так и на новом ноутбуке.

Скачать файл печатной платы в SprintLayout можно по этой ссылке