Programator USB mikrokontrolerów.pdf

Programator USB mikrokontrolerów ATmega − ISP

P R O J E K T Y

Programator USB

mikrokontrolerów

ATmega − ISP, część 1

AVT−524

Programatory ISP dla

mikrokontrolerÛw AVR to

temat od dawna znany

i†obfituj¹cy w†rozmaite

rozwi¹zania - zarÛwno

komercyjne jak i†amatorskie

(jedno z†moøliwych rozwi¹zaÒ

przedstawiamy

w†Miniprojektach). Pojawia

siÍ wiÍc pytanie, czy warto

od podstaw opracowywaÊ coú

nowego? Na pewno nie ma

sensu powielanie typowego

projektu opartego np. na

porcie rÛwnoleg³ym LPT. Co

w†zamian? Oczywiúcie USB!

Rekomendacje : programator

dla wymagaj¹cych

konstruktorÛw, przede

wszystkim tych, ktÛrzy

korzystaj¹ z†mikrokontrolerÛw

ATmega.

Podczas konstruowania progra-

matora prezentowanego w†artyku-

le nie koncentrowa³em siÍ na

zapewnieniu jego maksymalnej

prostoty i†obniøeniu ceny, waø-

niejsze by³y jego cechy uøytkowe.

Dlatego teø:

- komunikacja z†komputerem ste-

ruj¹cym jest zrealizowana za

pomoc¹ ³¹cza USB, co czÍsto

jest jedynym dostÍpnym sposo-

bem dla posiadaczy laptopÛw,

- w³asne oprogramowanie steruj¹-

ce pozwala na dowolne mody-

fikacje, poprawki i†rozszerzenia

a†takøe na stosunkowo ³atw¹

integracjÍ z†rozmaitymi úrodo-

wiskami,

- p³ytka programatora posiada op-

rÛcz buforowanego interfejsu ISP

wyprowadzone takøe inne inter-

fejsy (I2C, SPI) oraz linie prze-

twornika A/C, PWM itd. co

pozwala na jej wykorzystanie na

rozmaite sposoby,

- mikrokontroler programatora

moøna wyposaøyÊ w†bootloader,

co pozwoli na szybkie i†spraw-

ne wymiany wersji oprogramo-

wania za poúrednictwem tego

samego ³¹cza USB.

Konstrukcja programatora

Schemat elektryczny urz¹dze-

nia przedstawiono na rys. 1 .

Moøna na nim wyrÛøniÊ trzy

podstawowe bloki funkcyjne:

interfejs USB, mikrokontroler

steruj¹cy oraz buforowany in-

terfejs ISP.

Po³¹czenie z†magistral¹ USB

jest zrealizowane z†pomoc¹ uk³a-

du U1 - FT8U232BM - w†typo-

wej aplikacji proponowanej

przez FTDI. PamiÍÊ U2 pozwala

na wprowadzenie w³asnych

identyfikatorÛw programatora.

Tranzystor Q3 zapewnia - zgod-

nie z†wymaganym standardem

USB - wy³¹czanie zasilania pro-

Programator prezentowany w artykule współpracuje ze

środowiskiem projektowym dla AVR−GCC − AVRSide (dostępne

bezpłatnie na stronie http://www.avrside.fr.pl oraz na

CD−EP8/2003B). Możliwości jego wczesnej wersji opisaliśmy

w EP1/2003).

Elektronika Praktyczna 8/2003

Programator USB mikrokontrolerów ATmega − ISP

Rys. 1. Schemat elektryczny programatora

Elektronika Praktyczna 8/2003

Programator USB mikrokontrolerów ATmega − ISP

gramatora podczas enumeracji

oraz w†stanie uúpienia kompu-

tera - hosta.

Mikrokontroler U3 steruje in-

terfejsem ISP zgodnie z†komenda-

mi i†danymi otrzymywanymi

z†dzia³aj¹cego na komputerze -

hoúcie oprogramowania. Zwraca

teø informacje o†prawid³owym za-

koÒczeniu kolejnych operacji lub

o†zaistnia³ych b³Ídach. DziÍki za-

stosowaniu mikrokontrolera AT-

mega 8†nie ma koniecznoúci do-

dawania praktycznie øadnych do-

datkowych peryferiÛw. Mikrokon-

troler pracuje z†wewnÍtrznym os-

cylatorem 8†MHz i†ma wbudowa-

ny uk³ad zeruj¹cy oraz watchdog.

Jednoczeúnie dysponuje ca³¹ gam¹

dodatkowych sprzÍtowych inter-

fejsÛw: I2C, SPI, wielokana³owym

przetwornikiem analogowo-

cyfrowym, wyjúciami PWM. Od-

powiednie styki wyprowadzono

na p³ytce, co pozwoli na ewen-

tualne wykorzystanie programato-

ra do rÛønych innych celÛw (kon-

wertery USB<->I2C, USB<->SPI,

programatory pamiÍci szerego-

wych, przetwornik A/C do kom-

putera itd.). ObwÛd filtruj¹cy L2,

C7 zasila obwody A/C, natomiast

kondensator C10 dodatkowo filt-

ruje wewnÍtrzne napiÍcie odnie-

sienia 2,56 V, ktÛre zosta³o prze-

widziane do wykorzystania

w†uk³adzie.

Wyprowadzenia interfejsu SPI

tworz¹ zarazem wejúcie magistrali

ISP pozwalaj¹cej na szeregowe

wpisanie do mikrokontrolera pro-

gramu wykonawczego oraz usta-

wieÒ konfiguracyjnych.

Interfejs ISP ³¹czy linie I/O

mikrokontrolera steruj¹cego z†wej-

úciami ISP docelowego uk³adu.

Musi on spe³niÊ nastÍpuj¹ce wy-

magania:

- ca³kowicie uniezaleøniÊ zespÛ³

urz¹dzeÒ od kolejnoúci w³¹cza-

nia zasilania,

- umoøliwiÊ do³¹czanie uk³adu

docelowego zasilanego innym

napiÍciem,

- uaktywniaÊ linie steruj¹ce ISP

tylko i†wy³¹cznie w†trakcie pro-

gramowania - normalnie powin-

ny pozostawaÊ w†stanie wyso-

kiej impedancji nie wp³ywaj¹c

w†øaden sposÛb na dzia³anie

docelowego uk³adu bez koniecz-

noúci od³¹czania.

Zadania te zosta³y zrealizowa-

ne przy pomocy inwertera z†wyj-

úciem OC (U4) oraz trÛjstanowego

bufora HC244 (U5). Bufor U5 oraz

pull-up y jego linii wejúciowych

s¹ zasilane napiÍciem docelowego

systemu - zawsze wiÍc uzyskamy

potrzebn¹ zgodnoúÊ poziomÛw lo-

gicznych. Inwerter U4 jest zasi-

lany dwustronnie poprzez diody

Schottky ego D1 i†D2. Kostka

pozostaje wiÍc ìpod napiÍciemî

niezaleønie od chwilowego pod-

³¹czenia zasilania - eliminuje to

moøliwoúÊ wysterowania wejúÊ

przy braku zasilania U4 (co uk³a-

dy cyfrowe niezbyt lubi¹). Wyj-

úcia typu otwarty kolektor pozwa-

laj¹ na odpowiednie dopasowanie

poziomÛw logicznych (dla pozio-

mu niskiego 0†V, a†dla poziomu

wysokiego Vcc - niezaleønie od

jego wartoúci - oczywiúcie w†ra-

mach moøliwoúci uk³adu, czyli do

6†V). Nie ma to wiÍkszego zna-

czenia przy zasilaniu obu uk³a-

dÛw jednakowym napiÍciem (czy-

li +5 V†- tyle programator otrzy-

muje z†magistrali USB). Natomiast

przy np. 3,3 V†systemu docelowe-

go mamy nastÍpuj¹c¹ sytuacjÍ:

- zasilanie U5 = 3,3 V,

- wysokie poziomy logiczne na

wejúciach i†wyjúciach U5 = ok.

3,3 V,

- zasilanie U4 = ok. 4,7...4,8 V

(ok. +5 V†z†USB pomniejszone

o†spadek na diodzie Schottky

ego),

- wysokie poziomy logiczne na

wejúciach U4 od strony progra-

matora - ok. 5†V†(co jest dopusz-

czalne - nie przekraczamy na-

piÍcia zadzia³ania wejúciowych

wewnÍtrznych diod ochronnych

kostki),

- wysoki poziom logiczny na wej-

úciu U4 od strony bufora (wy-

prowadzenia 12, 13) = ok. 3,3

V. Jest to jedyna linia wyma-

gaj¹ca dok³adniejszego spraw-

dzenia: z†danych serii HC wy-

nika, øe przy takiej wartoúci

napiÍcia zasilaj¹cego minimalne

napiÍcie rozpoznawane jako po-

ziom wysoki wynosi nieco mniej

niø 3,3 V, mieúcimy siÍ wiÍc

w†wymaganym zakresie.

Wynika z†tego, øe uk³ady z†za-

silaniem poniøej 3,3 V†mog¹ spra-

wiaÊ problemy. Jak nisko moøna

zejúÊ - pozostaje do praktycznego

sprawdzenia (zazwyczaj rzeczy-

wiste w³aúciwoúci uk³adÛw s¹

lepsze niø gwarantowane wartoúci

podawane w†katalogach).

ZwrÛcmy teø uwagÍ na sposÛb

w³¹czania linii RST interfejsu.

Sekwencja przebiega nastÍpuj¹co:

- ustawiamy programowo niski

poziom SCK - bufor jest jeszcze

w†stanie wysokiej impedancji

i†na wyjúciu nic siÍ nie dzieje,

- ustawiamy programowo niski

poziom RST - bufor 244 zostaje

w³¹czony podaj¹c na wyjúcie

SCK poziom niski, ale linia RST

zostaje przestawiona z†poziomu

wysokiego na niski dopiero po

krÛtkiej chwili wynikaj¹cej ze

sta³ej czasowej obwodu R17,

C12. W†ten sposÛb gwarantuje-

my stabilny stan niski SCK

w†chwili zakoÒczenia zerowa-

nia, zgodnie z†zaleceniami At-

mela dotycz¹cymi wchodzenia

w†tryb programowania szerego-

wego.

Montaø uk³adu

Ca³oúÊ uk³adu zosta³a zmonto-

wana na dwuwarstwowej p³ytce

drukowanej, ktÛrej schemat mon-

taøowy pokazano na rys. 2 . Uøyto

g³Ûwnie elementÛw SMD, co po-

zwoli³o na zachowanie niewiel-

kich wymiarÛw. Wyprowadzenia

interfejsÛw moøemy wyposaøyÊ

w†listwy goldpin albo pozostawiÊ

do pod³¹czeÒ przewodami - w†za-

leønoúci od potrzeb. Do poluto-

wania najlepiej uøyÊ grota mini

wave , ale poniewaø rastry kostek

nie naleø¹ do najmniejszych -

tradycyjne techniki teø bÍd¹ zu-

pe³nie wystarczaj¹ce.

Po zlutowaniu sprawdümy do-

k³adnie, czy nie ma zwarÊ ani

przerw. Wskazane jest teø prze-

mycie p³ytki jednym z†dostÍpnych

preparatÛw chemicznych (np.

PCC). Pod³¹czenie do ISP proto-

typowego docelowego uk³adu wy-

konamy wed³ug w³asnych potrzeb

niezbyt d³ugim (najwyøej kilkana-

úcie centymetrÛw) przewodem taú-

mowym.

Uruchamianie

programatora

Sam sprzÍtowy uk³ad bez skon-

figurowania i†zaprogramowania

nie przyda siÍ nam do niczego.

ìOøywianieî p³ytki przebiega

w†kilku etapach. Wszystkie przed-

stawione opisy i†programy doty-

cz¹ systemu Windows. AdaptacjÍ

uk³adu do innych systemÛw ope-

racyjnych pozostawiam inwencji

CzytelnikÛw.

Elektronika Praktyczna 8/2003

Programator USB mikrokontrolerów ATmega − ISP

Niezbędne programy (łącznie ze środowiskiem AVRSide) oraz

pliki pomocnicze publikujemy na płycie CD−EP8/2003B.

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R4, R7, R10...R12: 3,3k

Ω

1206

Etap 1†- konfiguracja

uk³adu interfejsu USB

Najpierw musimy wyposaøyÊ

siÍ w†narzÍdzia ze strony produ-

centa ( www.ftdichip.com ) - bÍ-

dzie nam potrzebny sterownik

tzw. bezpoúredni ( direct driver )

D2xx (najnowsza wersja z†obs³u-

g¹ uk³adÛw w†wersji BM) oraz

program Ftd2xxst.exe do obs³ugi

szeregowej pamiÍci EEPROM

93C46. Rozpakowane pliki

umieszczamy na dysku i†zapa-

miÍtujemy lokalizacjÍ.

wtedy dla firmowych VID oraz

PID zainstalowany inny zestaw

sterownikÛw (VCP), co wyklucza

jednoczesne uøycie D2xx. Jedy-

nym wyjúciem bÍdzie wtedy skon-

figurowanie kostki FT8U232 na

innym komputerze i†zmiana np.

PID. Taki sam zmieniony PID

musimy rÍcznie wpisaÊ do pliku

*.inf sterownika D2xx, aby system

umia³ przypisaÊ p³ytce z†nowym

PID w³aúnie ten sterownik. Ope-

racje ze zmian¹ PID (VID) musz¹

byÊ przeprowadzone z†naleøyt¹

starannoúci¹ - jeúli siÍ pomylimy

system w†ogÛle nie bÍdzie w†sta-

nie obs³uøyÊ p³ytki (zg³aszaj¹c

tylko obecnoúÊ nieznanego urz¹-

dzenia).

R2, R3: 27

Ω

0805

R5: 1,5k

Ω

0805

R6: 470

Ω

1206

R8: 2,2k

Ω

1206

0805

R13...16: 100k

Ω

1206

F/16V 6032 tantal

C2: 33nF 0805

C3...C5, C13: 100nF 1206

C6, C12: 10nF 0805

C7...C9: 100nF 1206

C10: 1

F/16V 3216 tantal

Półprzewodniki

U1: FT8U232BM TQFP32

U2: 93C46 SO8

U3: Atmega 8 TQFP32

U4: 74HC03 SO14

U5: 74HC244 SO20

Q3: tranzystor P−MOS MMBF 2202

PT1 SOT23

D1, D2: dioda uniwersalna

Schottky Minimelf

Różne

Y1: rezonator ceramiczny 6,00

MHz CSTCC6.00MG − TC (Murata)

SMD (można też powierzchniowo

przylutować rezonator

przewlekany)

L1, L2: koralik ferrytowy

przewlekany

J1: gniazdo USB typ B

listwy goldpin, przewód taśmowy

Instalacja sterownikÛw

Teraz moøemy po raz pierwszy

pod³¹czyÊ nasz uk³ad do magis-

trali USB (bezpoúrednio do gniaz-

da A†komputera albo poprzez hu-

ba z†w³asnym zasilaniem, nie

ograniczaj¹cego poboru pr¹du do

100 mA).

Po w³¹czeniu Windows wy-

úwietli informacjÍ o†obecnoúci no-

wego urz¹dzenia USB i†poprosi

o†podanie lokalizacji sterownika -

odnajdujemy i†zatwierdzamy loka-

lizacjÍ folderu z†plikami (jak wy-

øej) - po chwili instalacja jest

zakoÒczona. Menedøer urz¹dzeÒ

w†kluczu Kontrolery uniwersalnej

magistrali szeregowej pokaøe teraz

obecnoúÊ urz¹dzenia ìFTDI

FT8U2XX DEVICEî.

Uwaga! Sprawa moøe siÍ po-

waønie skomplikowaÊ jeúli uøy-

wamy juø jakiegoú uk³adu z†kos-

tk¹ FTDI obs³ugiwan¹ jako wirtu-

alny port szeregowy. System ma

Wpisy do deskryptorÛw FT8U232

S³uøy do tego wspomniany

powyøej program narzÍdziowy

Ftd2xxst.exe . SposÛb jego uøycia

jest dok³adnie opisany w†podrÍcz-

niku, ktÛry w†postaci elektronicz-

nej publikujemy na CD-EP8/

2003B.

Po wybraniu nowego pliku

edytujemy wszystkie potrzebne

pola:

Manufacturer = FTDI

Manufacturer ID = FT

Vendor ID = 0403

Product ID = 6001 (chyba, øe

wymagana jest zmiana zgodnie

z†uwag¹ powyøej)

Description = avr isp loader (tej

pozycji uøywa program nadrzÍdny

PC do lokalizacji urz¹dzenia, nie

moøe byÊ wiÍc ona zmieniana,

chyba øe rÛwnolegle z†kodem pro-

gramu).

Po zakoÒczeniu edycji zapa-

miÍtujemy plik i†programujemy

EEPROM. Nowe ustawienia de-

skryptorÛw bÍd¹ uøyte po nastÍp-

nej enumeracji (czyli od³¹czeniu

i†ponownym pod³¹czeniu p³ytki).

Rys. 2. Rozmieszczenie elementów

na płytce drukowanej

W†opcjach zaawansowanych

ustawiamy:

Plug and Play - nie

Fixed Serial Number - dowolnie,

w†prototypach ustawi³em na ìtakî,

wprowadzaj¹c rÍcznie numery

20000001, 20000002 itd.)

Self Powered - nie

Remote Wakeup - nie

Max Power (mA) - 250 mA

(wprawdzie sam programator mieú-

ci siÍ w†podstawowych 100 mA,

ale byÊ moøe bÍdziemy stosowaÊ

p³ytkÍ w†innym celu i†przyda siÍ

moøliwoúÊ zasilenia dodatkowych

zewnÍtrznych podzespo³Ûw).

Etap 2†- konfiguracja

mikrokontrolera

ATmega 8

Uøywamy do tego dowolnego

posiadanego programatora ISP.

Prototypy by³y konfigurowane

z†poziomu AVRSide za poúrednic-

twem optoizolowanego programa-

torka RS. ZwrÛÊmy tylko uwagÍ

na prawid³owe pod³¹czenie linii

- za pomoc¹ schematu i†rysunku

p³ytki zlokalizujemy bez trudu

wyprowadzenia interfejsu ISP.

Mikrokontroler zastosowany

w†projekcie pracuje z†wewnÍt-

rznym oscylatorem 8†MHz. Prze-

Elektronika Praktyczna 8/2003

R9: 10k

Kondensatory

C1, C11: 10

Programator USB mikrokontrolerów ATmega − ISP

stawiamy wiÍc fabryczne 0001 (1

MHz) na 0100. Pozosta³ych bitÛw

moøemy w†naszym zastosowaniu

nie zmieniaÊ. Jednoczeúnie naleøy

odczytaÊ i†zanotowaÊ wartoúÊ baj-

tu kalibracyjnego dla 8†MHz. AT-

mega po zerowaniu zawsze auto-

matycznie ³aduje do korekcyjnego

rejestru OSCCAL wartoúÊ dla

1†MHz. Musimy wiÍc w†czÍúci

inicjalizacyjnej programu prze³a-

dowaÊ samodzielnie OSCCAL od-

czytan¹ powyøej wartoúci¹. Wy-

maga to wprawdzie przekompilo-

wania programu oddzielnie dla

kaødego egzemplarza urz¹dzenia,

co jednak na etapie testÛw i†uru-

chamiania (czy teø przy sk³adaniu

pojedynczych p³ytek na w³asne

potrzeby) nie jest øadnym utrud-

nieniem.

Uwaga! Konfiguracja fuseíÛw

wymaga uwagi i†starannoúci.

Sprawdümy dwa razy zanim coú

ostatecznie wpiszemy do mikro-

kontrolera. NiektÛre bity mog¹

nam bowiem ca³kiem zablokowaÊ

interfejs ISP, ale nawet zmiana

ürÛd³a taktowania (inne niø po-

trzebne ustawienie CSEL) sprawi

w†zmontowanym juø urz¹dzeniu

mnÛstwo k³opotÛw.

nym oprogramowaniem, ca³kowi-

cie dostÍpnym - moøna wiÍc przy

okazji go poprawiaÊ czy rozsze-

rzaÊ o†nowe funkcje (na razie

uruchomione s¹ tylko podstawo-

we operacje dla serii ATmega).

Otrzymany po kompilacji plik

wynikowy avrisp.hex ³adujemy do

mikrokontrolera dowolnym pro-

gramatorem ISP. Teraz moøemy

przyst¹piÊ do praktycznych prÛb

ale o†tym za miesi¹c.

Jerzy Szczesiul, AVT

jerzy.szczesiul@ep.com.pl

Etap 3†-

zaprogramowanie

mikrokontrolera

Jak zaznaczono wyøej, naleøy

wpisaÊ do programu w³aúciw¹ dla

danego egzemplarza ATmega war-

toúÊ OSCCAL (na pocz¹tku fun-

kcji main() w†module u_main.c ).

Kod dla programatora jest wol-

Wzory p³ytek drukowanych w for-

macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie

pod adresem: http://www.ep.com.pl/

?pdf/sierpien03.htm oraz na p³ycie

CD-EP8/2003B w katalogu PCB .

Elektronika Praktyczna 8/2003

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: