Development board ATMEGA8 анти-ардуино-одурино

Одной из наиболее деструктивно повлиявших на популяризацию любительской радиоэлектроники вещей стало массовое распространение Ардуино (одурино). Это - готовая плата с запаянным микроконтроллером и минимальной обвязкой. Казалось бы, удобная и полезная штука? Не спешите делать такое заключение.

Человек, не знакомый с радиоэлектроникой, получая такую вещь, начинает ей пользоваться. В этом - один из первых и самых главных минусов: человек не постигает азов и даже не учится паять.

Все соединения для ардуины выполняются проводами с наконечниками. Это удобно, но есть есть и существенный недостаток: схемы, с позволения сказать, с использованием ардуино выглядят уродливо - в виде кучи цветных линий. В этом - второй важный минус: человек не учится схемной грамоте.

Под ардуину есть своя среда разработки с примитивным языком, на котором любители написали кучу непрофессиональных, как они их назвали, скетчей - готовых решений для большинства применений. Пользуясь ими, возникает и третий минус: человек не учится программированию, качественно не улучшает знания и не оттачивает мастерство программирования, будучи запертым в тесных рамках примитивной среды разработки.

На самом деле, минусов у ардуины - куда больше, и перечислять их все нет смысла. Речь здесь о том, что же сделать, чтобы получить плюсы.

Всё очень просто. Если ты хочешь заниматься радиоэлектроникой, научись паять: собери свою девелопмент боард с минимальным, но достаточным обвесом. Возьми достоинства ардуины и не бери недостатки. Используй провода с наконечниками для подключения периферии и не используй ардуинную ide.

В итоге ты получишь все базовые преимущества ардуины практически без минусов. Бонусом к этому ты добавишь множество своих плюсов. Если это лирическое вступление тебя убедило, то продолжим.

Итак, наша девелопмент боард содержит:

• микроконтроллер ATMEGA8
• разъёмы для графического и символьного дисплеев на популярных контроллерах SED1520 и HD44780 соответственно
• каждый вывод микроконтроллера продублирован тремя штырьками
• имеется разъём внутрисхемного программирования для популярного ICSP (ISP) USBASP
• линии +5 вольт и масса выведены на несколько штырьков в разных местах платы
• три разноцветных светодиода и одна кнопка, а также кнопка RESET
• разъём питания 7,5-20 вольт и LDO стабилизатор
• для графического дисплея имеется формирователь отрицательного напряжения с регулировкой на ICL7660
• питание цепей АЦП заведено через фильтр
• есть кварцевый резонатор, но его использование не обязательно

Писать программы можно на любом языке.

Схема v1.0b:

Нажми для увеличения
Кнопка S1 - RESET, предназначена для сброса микроконтроллера. S2, если она нужна, подключается к любому пину. На плате версии 1.0b подключается с нижней стороны платы двумя проводками к линиям VCC и GND. Джампер JP6 CONTR должен быть замкнут, если для символьного дисплея требуется регулировать контрастность переменным резистором R6. Если же контрастность уже установлена на самом дисплее припаянными резисторами, то джампер размыкается. Джампер JP5 PROG должен быть замкнут во время работы. При программировании он размыкается, при этом питание подаётся только на МК и только от разъёма ICSP. Контрастность графического дисплея регулируется переменным резистором R7.

Печатная плата v1.0b.

EGYDuino – это клон Arduino, который можно изготовить самостоятельно, на односторонней печатной плате. Это простое и дешевое решение, которое можно изготовить в домашних условиях, причем на 100% совместимое с Arduino.

Описание

Микроконтроллер ATmega8 отвечает за последовательное подключение по USB. Он может быть запрограммирован с помощью . AVR-CDC создает виртуальный СОМ-порт на ПК после подключения устройства и устанавливает соответствующий драйвер. Микроконтроллер ATmega 8,168 следует запрограммировать с помощью загрузчика ArduinoNG boatloader . Данную операцию можно выполнить с использованием еще одной платы Arduino (выберите ISP программатор) и среды разработки Arduino IDE, или отдельного программатора (USB, последовательного или параллельного), например, USBasp с надлежащим программным обеспечением. Также вы можете использовать загрузчик Arduino Duemilanove для ATmega 168 или 328.

Плата имеет следующие характеристики:

Использует микроконтроллер ATmega8 как интерфейсную ИС
- USB-соединение с ПК
- Стандартная кнопка RESET
- 100% совместимость по выводам с Arduino
- Регулятор 5В
- Выход 3.3В
- Совместимый размер и конструкция
- Все компоненты вставляются в сквозные монтажные отверстия на плате
- USB или DC выключатель питания
- Светодиод для вывода PIN13 с перемычкой
- Светодиод питания
- ICSP-разъем
- Легко изготовляемая
- Микроконтроллеры ATmega8,168,328 с использованием загрузчика arduinoNG
- Стандартное гнездо DC питания

Плата EGYDuino может запитываться через USB-коннектор, или стабилизатор напряжения внешнего адаптера.

Схема

Полная схема устройства показана ниже

Печатная плата

Список радиоэлементов

Сразу признаюсь, что заголовок призван привлекать внимание — конечно, за $3 полноценную Arduino-плату не собрать, но минимальное решение вполне можно.

Платы проекта Arduino идеальны для макетирования и сборки прототипов, а для законченных устройств хотелось найти что-то более дешевое и доступное. В этой заметке будет описана минимальная Arduino-совместимая конструкция.

В качестве отправной точки использовались статьи Minimal Arduino with ATmega8 (внимание : в этой статье есть ошибка, значения fuse-битов неверны) и страница об ArduinoISP из официальной wiki . К сожалению, ни одна из этих статей в своё время не ответила на все мои вопросы, кроме того появилось желание немного «подкрутить» стандартный bootloader, но об этом ниже.

Поддержка новых плат и IDE
(дополнение от 01.05.2012 , файлы исправлены 27.05.2012 )

Действия, описанные в статье, проверялись на Arduino IDE 0023 и клоне Arduino Duemilanove . С момента написания статьи были выпущены новые платы и обновлена среда. Судя по комментариям пользователей к этой записи, всё работало если в качестве платы-программатора использовались Arduino Uno и Arduino Mega 2560 . Для новой версии среды Arduino IDE 1.0.1 я подготовил обновлённый архив (доступен в конце статьи), обновление необходимо из-за незначительных изменений в формате файла boards.txt

Минимальная Arduino-конструкция за $3.5
(дополнение от 02.05.2012)

Этот способ является альтернативным описанному в статье ниже!
В комплекте Arduino IDE 1.0 поставляется новый бутлоадер Optiboot , который занимает всего 512 байт (бутлоадер, описанный в этой статье в два раза больше — 1 Кб) и работает на высоком бодрейте — 115200 (в статье ниже — 38400). Для работы этого бутлоадера дополнительно к описанным в статье компонентам нужен внешний кварц на 16МГц и два конденсатора на 22пФ его обвязки (этим объясняется увеличение стоимости на $0,5:)). В комплекте с Arduino IDE 1.0 есть уже скомпилированная версия для ATmega8, достаточно только добавить в boards.txt следующее и прошить бутлоадер:
############################################################## atmega8optiboot.name=ATmega8 (optiboot, 16Mhz XTAL) atmega8optiboot.upload.protocol=arduino atmega8optiboot.upload.maximum_size=7680 atmega8optiboot.upload.speed=115200 atmega8optiboot.bootloader.low_fuses=0xBF atmega8optiboot.bootloader.high_fuses=0xCC atmega8optiboot.bootloader.path=optiboot atmega8optiboot.bootloader.file=optiboot_atmega8.hex atmega8optiboot.bootloader.unlock_bits=0x3F atmega8optiboot.bootloader.lock_bits=0x0F atmega8optiboot.build.mcu=atmega8 atmega8optiboot.build.f_cpu=16000000L atmega8optiboot.build.core=arduino:arduino atmega8optiboot.build.variant=arduino:standard В версии файлов к статье от 14.07.2012 настройки для этого способа добавлены в состав архива , поэтому править главный boards.txt больше нет необходимости.

• Arduino-совместимая плата (я использовал китайский клон Arduino Duemilanove , на момент написания заметки новая Arduino Uno не поддерживается скетчем ArduinoISP. Обновление : по сообщениям пользователей ArduinoISP из Arduino 023 поддерживает Arduino Uno). Плата будет использоваться в качестве программатора для прошивки bootloader"а и в дальнейшем как USB-TTL конвертер;
• Arduino IDE версии 0022 (последняя на момент написаний статьи);
• Микроконтроллер в корпусе DIP-28 ATmega8 или ATmega8A ( , версия с буквой «A» имеет более низкое энергопотребление). Для тактирования будет использоваться внутренний RC-осциллятор с максимальнй для него частотой 8Mhz.
• Провода для соединения всего этого на время прошивки bootloader"a (я использовал беспаечную макетную плату и набор зачищенных проводов к ней)

• 1 светодиод и токоограничительный резистор на 220-500 Ом (подключается к пину №19 (PB5), это тот же выход Digital pin 13, к которому на большинстве Arduino-совместимых плат подключен светодиод L );
• 1 резистор на 10 кОм (подключается от RESET"а микроконтроллера к +5V для предотвращения произвольного сброса);
• 1 конденсатор 100 нФ (подключается между плюсом и минусом питания для фильтрации помех).

Выбор именно ATmega8(A) объясняется очень просто: в местных магазинах радиотоваров не было никаких других контроллеров, поддерживаемых средой Arduino. С одной стороны, это сильно ограничило меня в объёме кода, с другой — именно благодаря тому, что код моего проекта на Arduino не поместился в память контроллера, я был вынужден разобраться с WinAVR и переписать проект под AVR-GCC. Времени на вспоминание C и чтение datasheet"ов ушло довольно много, но код получился раз в пять компактнее и, пожалуй, к программированию в среде Arduino я врядли вернусь:).

Скачайте архив с настройками и bootloader"ом и разархивировать его в папку Sketchbook (путь можно посмотреть в пункте меню File -> Preferences Arduino IDE). После перезапуска Arduino IDE в меню Tools -> Board должен появиться новый пункт .

• Модифицированный bootloader для ATmega8 от проекта Arduino. Оригинальный исходный код можно найти в папке hardware\arduino\bootloaders\atmega8 . Этот bootloader занимает всего 1 Кб (512 слов) в памяти контроллера, в отличие от более нового hardware\arduino\bootloaders\atmega , который используется для плат на основе ATmega168 и ATmega328. Отличия от оригинальной версии заключаются в следующем: уменьшено время ожидания скетча при сбросе микроконтроллера, скорость загрузки поднята до 38400;
• Файл boards.txt , в котором описана конфигурация нового типа платы (с более высокой скоростью загрузки и fuse-битами для работы от внутреннего RC-осциллятора на частоте 8Mhz).

В Arduino нужно загрузить скетч ArduinoISP (File -> Examples -> ArduinoISP ), после этого Arduino может играть роль ISP-программатора практически для любых AVR чипов (я проверял на ATmega8 и ATtiny45).

Схема продублирована в тексте скетча ArduinoISP:

// this sketch turns the Arduino into a AVRISP // using the following pins: // 10: slave reset // 11: MOSI // 12: MISO // 13: SCK
Обновление от 30.10.2011: Для Arduino Mega назначение выводов другое:

// 50 (MISO) // 51 (MOSI) // 52 (SCK) // 53 (slave reset)
Дополнительно можно подключить светодиоды, которые будут перемигиваться при прошивке (их наличие или отсутствие на функциональность не влияет):

// Put an LED (with resistor) on the following pins: // 9: Heartbeat - shows the programmer is running // 8: Error - Lights up if something goes wrong (use red if that makes sense) // 7: Programming - In communication with the slave
Проверка подключения

Arduino использует для компиляции скетчей avr-gcc , штатной утилитой для прошивки в котором является программа avrdude (расположен в этой папке: \hardware\tools\avr\bin\ ). Прежде чем предпринимать что-либо дальше необходимо проверить, правильно ли мы подключили контроллер с помощью следующей команды:

• -v — выводить больше информации
• -patmega8 — тип контроллера (для ATmega8A нужно всё равно указывать atmega8)
• -cstk500v1 — тип программатора (ArduinoISP эмулирует STK500)
• -PCOM10 — номер COM-порта (можно посмотреть в меню Tools -> Serial Port в Arduino IDE)
• -b19200 — скорость обмена, скетч ArduinoISP работат на этой скорости

AVR device initialized and ready to accept instructions Reading | ################################################## | 100% 0.05s avrdude: Device signature = 0x1e9307 avrdude: safemode: lfuse reads as E1 avrdude: safemode: hfuse reads as D9 avrdude: safemode: lfuse reads as E1 avrdude: safemode: hfuse reads as D9 avrdude: safemode: Fuses OK avrdude done. Thank you.

Важно! Если всё подключено правильно, а всё равно не работает, возможно, проблема в версии avrdude . На одной из моих тестовых плат возникла следующая ситуация: avrdude из ArduinoIDE плату-«программатор» с ArduinoISP не видит, а avrdude из WinAVR работает отлично. Решение этого непонятного бага довольно простое — на время прошивки bootloader"a заменить файл \hardware\tools\avr\bin\avrdude.exe на более новую версию из WinAVR. Bootloader может прошиться не с первого раза, а со второго — жалоб о таком поведении на форумах тоже хватает. После прошивки bootloader"а можно восстановить оригинальную версию avrdude .

Самая простая часть. Нужно запустить Arduino IDE, выбрать в пункте меню Tools -> Board следующую плату: ATmega8(A) (8MHz int. RC osc, short bootloader delay, 38400 baud rate) . Здесь указывается целевая плата, поэтому нужно выбрать именно этот пункт, а не модель Arduino-совместимой-платы, которая работает ISP-программатором.

После этого нужно запустить процесс прошивки bootloader"а командой Tools -> Burn Bootloader -> w/ Arduino as ISP . Процесс прошивки занимает 1–2 минуты.

После прошивки bootloader"а и установки fuse-битов новая ATmega8A будет работать от встроенного RC-осциллятора на частоте 8Mhz. Программы в флеш-памяти контроллера ещё нет, поэтому bootloader будет запускаться снова и снова, о чём будет свидетельствовать постоянное помигивание светодиода L.

Bootloader ждет команд по UART около половины секунды после сброса микроконтроллера. Для заливки прошивки в контроллер можно использовать:

• USB-TTL конвертер (его можно собрать или купить);
• Arduino-совместимая плата со снятым контроллером.

• использование bootloader"a обеспечивает совместимость и с Arduino IDE, и с AVR Studio;
• меньше проводов для подключения (вместо линий ISP только UART). При этом UART часто используется для отладки, поэтому его все равно приходится подключать.

(P.S. Писал эту же статью на www.nnm.ru, решил, синхронизировать версии).
Как-то (пару месяцев назад) просматривая новости в инете, наткнулся на очень лестные отзывы о мега-популярном проекте Arduino . Писалось, что чуть ли не домохозяйки любят и могут с ним возиться и делать с его помощью всякие интересные вещи. Ну... что же. Почему бы и мне не попробовать, руки и мозги вроде как имею... Однако прикупить готовую плату - ни финансы, ни природная скрягость не позволило. Сами с усами, сделаем. Вот инструкция с оф. сайта: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardSerialSingleSided3
Там вы найдете и список деталей и рисунки печатки.... Короче все, что нужно для изготовления. Я сделал две таких платы и остался очень доволен.

Но есть одно но. В официальной версии в качестве преобразователя RS232 выступал блок на транзисторах.... и это приводило к нестабильному обмену информацией.
Но не я первый столкнулся с такой проблемой. Вот вариант на реальном преобразователе MAX232
http://spiffie.org/electronics/archives/microcontrollers/Build%20a%20MaxSerial%20Freeduino.html
Его и стоит делать.
Вот мой процесс реализации этого варианта.
Собираем все до кучи Детали и разъемы - обходятся менее 10 у.е..
Нам понадобиться:
-- кусок одностороннего стеклотекстолита (95х65мм)
— микроконтроллер ATmega8 (или ATmega168)
— микросхема MAX232 (можно интегралловскую ILX232N)
— 7805 (регулятор напряжения 5В)
— 4-ре светодиода (лучше разные цвета)
— кварц 16 Mhz
— кнопка (с четырьмя контактами)
— разъем СОМ-порт (мама) под запайку
— разъем под питание (2.1мм)
— конденсатор 22пФ (маркировка либо 22, либо 220)- 2 шт.
— конденсатор 0.1 мкФ (маркировка 104) — 3 шт.
— резистор 1к (0.125 Ватт) — 5 шт
— резистор 10к (0.125 Ватт) — 1 шт
— диод 1N4004 (или 1N4007) — 1шт.
— элетролит. конденсатор 10мкФ х16В — 5 штук (минимальные по высоте, иначе шилды не становятся)
— элетролит. конденсатор 100мкФ х16В — 2 штук (тоже невысокие)
— колодки под микросхемы (16 ножек-1шт, 28 ножек узкая — 1 шт)
ну и пару полосок штырьков и соответ. им мам.

Самое ответственное — изготовление печатки. ( готовый Word-овский файл для печати и ЛУТ ).

Еще раз повторюсь, от качества изготовления печатки зависит ВСЕ!!!

Готовую (вытравленную) плату необходимо залудить. Хотите красоты — воспользуйтесь сплавом Розе. Думаю, без труда в инете найдете описание этого метода. Ну а можно по старинке флюсом и припоем.

Для красоты и удобства на лицевую сторону можно нанести (тем же лутом) расположение элементов и надписи.

Осталось аккуратно запаять элементы. Начинайте с перемычек, потом пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, кварц), далее светодиоды, разъемы, колодки. Все паяем без "соплей" и "коротышей" :)

Вид со стороны пайки.

А от и результат. Мой вариант — далеко не эталон, но вполне работоспособен:)

Итак, 2/3 дела сделано. Осталось "вдохнуть жизнь" — прошить плату загрузчиком. :)

Для этого нужно изготовить небольшой программатор.
Вот схема:

А вот реализация в "железе":

С официального сайта скачиваем софт . Устанавливаем. Запускаем.

Идем по пути: -> ->

Подключаем программатор к Arduino, разъем в LPT, на Arduino подаем питание

А теперь переходим к практическим действиям. Превращать в Arduino будем отладочную плату, но все действия спроведливы для простого МК, кварца и пары кондеров. И так, поехали.
На плате расширения по умолчанию установлен кварц на 7,3728МГц. Для Arduino это не пойдет. Значит берем и меняем его на 16МГц.

Далее нам понадобится залить загрузчик в нашу плату. Для этого берем любую плату Arduino. У меня под рукой Arduino UNO. Если у вас еще нет Arduino, то пора ее преобретси. Купить ее можно в магазине Чип Резистор . И так, Arduino UNO у нас есть. кладем перед собой справа на столе Arduino UNO, а слева плату расширения ATmega8A. С правой стороны у этих плат есть разъем ISP с классической Атмеловской распиновкой.

Смело берем проводки и соеденяем эти разъемы один к одному за исключением 5 пина.

Теперь берем проводок и одним концом вставляем в 5-й пин на плате расширения ATmega8A, а второй конец на вывод Arduino UNO Digital 10. Должно получится вот так.

В итоге после всех манипуляций, у нас должен быть вот такой вид.

Если все отлично, то подключаемся к USB компьютера. При правильном подключении должны загорется светодиоды на Arduino UNO и красный светодиод на плате расширения ATmega8A. (К сожелению на фото провода загородили светодиод, но поверьте он горит)

Переходим к программным процедурам. А вот тут всех любителей МК ATmega8 ждет большая подстава от производителей Arduino. На текущий момент версия IDE 1.6.3 не поддерживает эти МК. Точнее конфигурационные файлы и загрузчик есть, но залить его нельзя. Дело в том что Arduino перешли на минимальный МК ATmega328P, а эта зараза имеет Extended Byte Fuse. А порстая восьмерка нет. Из-за этой дряни загрузчик не заливается, а ругается на отсутствия этих битов. Поэтому нужно загрузчик заливать старой версией IDE. У кого ее нет, можете скачать у меня . Это версия 1.0.3 и ее не надо устанавливать. Просто разархивируйте куда-нибудь и все. Далее просто запустите программу из этой папки. А теперь давайте настроим программу для заливки нашего МК. Для начала выбераем из примеров программатор ArduinoISP и заливаем его в Arduino UNO или какую вы сейчас используете.

После заливки, нужно заменить плату Arduino UNO или какая у вас на Arduino NG or older w/ATmega8 .

Все. Можно заливать. Нажимаем Сервис -> Записать загрузчик и ждем окончания записи.

Готово. Arduino родилась. Отключаем все провода, а плату расширения вешаем на отладочную плату GSMBOARD 1.1. Далее берем плату расширения USB-TTL и соединяем проводами GND - GND, RXD - TXD, TXD - RXD и подаем питание. Должен загореться зеленый светодиод.

Если все заработало, выключаем старую прогу и запускаем самцю последнюю версию. На сегодня это 1.6.3 и пишем вот такой код. void setup() { pinMode(2, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(2, HIGH); delay(2000); digitalWrite(2, LOW); while(1); } Собственно что тут происходит. Сначала инициализируем пин 2 на выход. Затем выводим на него единицу, ждем две секунды и прижимаем к нулю. Затем вваливаемся в бесконечный цикл. Дабы было понятно, вот картинка во что превратилась отладочная плата.

Как видно второй пин как раз отвечает за включение и выключение модуля. Теперь самое время залить наш скетч в свежеиспеченную Arduino. Для этого перенастроим IDE выбрав пункты как на картинке ниже. И не забудьте поменять порт на USB-TTL.

Все настроили. Жмем залить скетч. Все бы хорошо да ошибка вылезла. Эх. Вот тут что за грабля заволялась. На Arduino используется виртуальный COM порт для загрузки программ. Работает это так. Сначала IDE компилит проект, затем дергает ножку ресета МК, а так как сначала запускается загрузчик, то IDE увидев его начинает лить программу во флеш. А если после компиляции не дернуть ресет МК, то IDE загрузчика не дождется и вывалит ошибку. Для дерганья ресета на всех Arduino заведена ножка COM порта DTR. На плате расширения USB-TTL этой ноги нет, поэтому когда IDE скомпилит проект и напишет Вгружаем .

Судорожно нажимаем и отпускаем кнопку сброса на плате расширения ATmega8A. IDE подцепит загрузчик и зальет программу во флеш. Все, прога потупит немного и включит GSM модуль. Если все сделали правильно, то должно быть как на картинке.

Для счастливых обладателей переходников USB-RS232 можно вывести ножку DTR из порта (естественно через микросхему MAX3232) на ресет МК. Это пин 5 на разъеме ISP через конденсатор 100нф. То есть DTR - конденсатор - RES. И тогда IDE будет сама дергать ресет. В любом случае должна получится вот такая картина. Программа отработала и включила модуль.

Теперь можно ковыряться с GSM модулем. Если возникнут вопросы, пишите. Попробуем разобраться. 

АНОНИМ 02.02.16 22:32

Спасибо за статью. Теперь в своей ардуино уно я могу использовать и мегу 8.

niko19 25.12.16 23:03

Нахрена проделывать все это с платой расширения и получить Ардуину, если на столе уже готовая Ардуина лежит? Вопрос стоит, как сделать самодельную Ардуину, скажем так на макетной плате, из завалявшейся Мега8 и кварца.Что нужно залить в Мегу, буквально по пунктам, а еще лучше готовый файл прошивки, У меня например имеется параллельный программатор, впрочем и последовательный тоже есть, а готовой Ардуины нет...

Алексей 25.12.16 23:40

Ардуино это микроконтроллер фирмы атмел с залитым загрузчиком для работы с IDE от ардуины. Все что нужно так это выстовить фьюзы для загрузчика, из папки прошивок выбрать для своего мк и залить его. Если в краце.