Программатор USB ISP для AVR
Всем привет.
Пришел долгожданный прогер, моя новая игрушка. Ждал его аж 2 месяца, поэтому ссылку давать не буду. Драйвера скачал, встали, прогер видится, все отлично. Рассказывать про него не буду, только, что он созданный немцем Томасом Фишлем. Прогер хороший, функционал большой. Пост буду редактировать в дальнейшем.
Благодарю за внимание.
Назначение джамперов:
— разъем JP1 — предназначен для перепрошивки микроконтроллера программатора (для перепрошивки — необходимо замкнуть контакты)
— разъем JP2 — напряжение питания программатора — 5 Вольт или 3,3 Вольта (по умолчанию — 5 Вольт, как на фотографии). Программируемый микроконтроллер, или конструкцию, в которой он установлен, при токе потребления 300-400 мА можно запитать с программатора, для этого на разъеме есть выход +5В (VCC).
— разъем JP3 — определяет частоту тактирования данных SCK: разомкнутый — высокая частота (375 кГц), замкнутый — низкая частота (8 кГц)
Подробнее о разъеме JP3
Джампер JP3 предназначен для уменьшения скорости записи данных в микроконтроллер. Если у микроконтроллера установлена частота тактирования более 1,5 мГц — джампер может быть разомкнут, при этом скорость программирования высокая. Если тактовая частота менее 1,5 мГц — необходимо закоротить выводы джампера — снизить скорость программирования, иначе запрограммировать микроконтроллер не получится. К примеру, если мы будем программировать микроконтроллер ATmega8 (в принципе, практически все МК AVR настроены на тактовую частоту 1 мГц по умолчанию), у которого частота тактирования по умолчанию 1 мГц, необходимо будет замкнуть выводы джампера (как на фотографии). Лучше, наверное, держать этот джампер постоянно замкнутым, чтобы, забыв о его существовании, не мучиться вопросом — почему микроконтроллер не прошивается.
Программатор поддерживается следующим программным обеспечением:
— AVRdude
— AVRdude_Prog
— Bascom-AVR
— Khazama AVR Prog
— eXtreme Burner AVR
Распиновка 10-контактного кабеля программатора USBASP:
1 — MOSI — выход данных для последовательного программирования
2 — VCC — выход +5 (+3,3) Вольт для питания программируемого микроконтроллера или программируемой платы от порта USB компьютера (максимальный ток 200 мА — чтобы не сжечь порт USB)
3 — NC — не используется
4 — GND — общий провод (минус питания)
5 — RST — подключается к выводу RESET микроконтроллера
6 — GND
7 — SCK — выход тактирования данных
8 — GND
9 — MISO — вход данных для последовательного программирования
10 — GND
Электроника для всех
Блог о электронике
AVR. Учебный курс. Трактат о программаторах
Программа для микроконтроллера пишется на любом удобном языке программирования, компилируется в бинарный файл (или файл формата intel HEX) и заливается в микроконтроллер посредством программатора.
Итак, первым шагом в освоении микроконтроллера обычно становится программатор. Ведь без программатора невозможно загнать программу в микроконтроллер и он так и останется безжизненным куском кремния.
Что же представляет из себя это устройство?
В простейшем случае программатор это девайс который связывает микроконтроллер и компьютер, позволяя с компа залить файл прошивки в память контроллера. Также нужна прошивающая программа, которая по специальному протоколу загонит данные в микроконтроллер.
Программаторы бывают разные под разные семейства контроллеров существуют свои программаторы. Впрочем, бывают и универсальные. Более того, даже ту же простейшую AVR’ку можно прошить несколькими способами:
Внутрисхемное программирование (ISP)
Самый популярный способ прошивать современные контроллеры. Внутрисхемным данный метод называется потому, что микроконтроллер в этот момент находится в схеме целевого устройства — он может быть даже наглухо туда впаян. Для нужд программатора в этом случае выделяется несколько выводов контроллера (обычно 3..5 в зависимости от контроллера).
 |
К этим выводам подключается прошивающий шнур программатора и происходит заливка прошивки. После чего шнур отключается и контроллер начинает работу.
У AVR прошивка заливается по интерфейсу SPI и для работы программатора нужно четыре линии и питание (достаточно только земли, чтобы уравнять потенциалы земель программатора и устройства):
Сам же разъем внутрисхемного программирования представляет собой всего лишь несколько штырьков. Лишь бы на него было удобно надеть разъем. Конфигурация его может быть любой, как тебе удобней.
Однако все же есть один популярный стандарт:
 |
Для внутрисхемной прошивки контроллеров AVR существует не один десяток разнообразных программаторов. Отличаются они в первую очередь по скорости работы и типу подключения к компьютеру (COM/LPT/USB). А также бывают безмозглыми или со своим управляющим контроллером.
Безмозглые программаторы, как правило, дешевые, очень простые в изготовлении и наладке. Но при этом обычно работают исключительно через архаичные COM или LPT порты. Которые найти в современном компьютере целая проблема. А еще требуют прямого доступа к портам, что уже в Windows XP может быть проблемой. Плюс бывает зависимость от тактовой частоты процессора компьютера.
Так что твой 3ГГЦ-овый десятиядерный монстр может пролететь, как фанера над Парижем.
Идеальный компьютер для работы с такими программаторами это какой-нибудь PIII-800Mhz с Windows98…XP.
Вот очень краткая подборка проверенных лично безмозглых программаторов:
 |
Программаторы с управляющим контроллером лишены многих проблем безмозглых. Они без особых проблем работают через USB. А если собраны на COM порт, то без извращенских методик работы с данными — как честный COM порт. Так что адаптеры COM-USB работают на ура. И детали подобрать можно покрупней, чтобы легче было паять. Но у этих программаторов есть другая проблема — для того чтобы сделать такой программатор нужен другой программатор, чтобы прошить ему управляющий контроллер. Проблема курицы и яйца. Широко получили распространение такие программаторы как:
Внутрисхемное программирование, несмотря на все его удобства, имеет ряд ограничений.
Микроконтроллер должен быть запущен, иначе он не сможет ответить на сигнал программатора. Поэтому если неправильно выставить биты конфигурации (FUSE), например, переключить на внешний кварцевый резонатор, а сам кварц не поставить. То контроллер не сможет запуститься и прошить его внутрисхемно будет уже нельзя. По крайней мере до тех пор пока МК не будет запущен.
Также в битах конфигурации можно отключить режим внутрисхемной прошивки или преваратить вывод RESET в обычный порт ввода-вывода (это справедливо для малых МК, у которых RESET совмещен с портом). Такое действо тоже обрубает программирование по ISP.
Параллельное высоковольтное программирование
Обычно применяется на поточном производстве при массовой (сотни штук) прошивке чипов в программаторе перед запайкой их в устройство.
Параллельное программирование во много раз быстрей последовательного (ISP), но требует подачи на RESET напряжения в 12 вольт. А также для параллельной зашивки требуется уже не 3 линии данных, а восемь + линии управления. Для программирования в этом режиме микроконтроллер вставляется в панельку программатора, а после прошивки переставляется в целевое устройство.
Для радиолюбительской практики он особо не нужен, т.к. ISP программатор решает 99% насущных задач, но тем не менее параллельный программатор может пригодиться. Например, если в результате ошибочных действий были неправильно выставлены FUSE биты и был отрублен режим ISP. Параллельному программатору на настройку FUSE плевать с высокой колокольни. Плюс некоторые старые модели микроконтроллеров могут прошиваться только высоковольтным программатором.
Из параллельных программаторов для AVR на ум приходит только:
А также есть универсальные вроде TurboProg 6, BeeProg, ChipProg++, Fiton которые могут прошивать огромное количество разных микроконтроллеров, но и стоят неслабо. Тысяч по 10-15. Нужны в основном только ремонтникам, т.к. когда не знаешь что тебе завтра притащат на ремонт надо быть готовым ко всему.
Прошивка через JTAG
Вообще JTAG это отладочный интерфейс. Он позволяет пошагово выполнять твою программу прям в кристалле. Но с его помощью можно и программу прошить, или FUSE биты вставить. К сожалению JTAG доступен далеко не во всех микроконтроллерах, только в старших моделях в 40ногих микроконтроллерах. Начиная с Atmega16.
Компания AVR продает фирменный комплект JTAG ICEII для работы с микроконтроллерами по JTAG, но стоит он (как и любой профессиональный инструмент) недешево. Около 10-15тыр. Также есть первая модель JTAG ICE. Ее можно легко изготовить самому, а еще она встроена в мою демоплату Pinboard.
 |
Прошивка через Bootloader
Многие микроконтроллеры AVR имеют режим самопрошивки. Т.е. в микроконтроллер изначально, любым указанным выше способом, зашивается спец программка — bootloader. Дальше для перешивки программатор не нужен. Достаточно выполнить сброс микроконтроллера и подать ему специальный сигнал. После чего он входит в режим программирования и через обычный последовательный интерфейс в него заливается прошивка. Подробней описано в статье посвященной бутлоадеру.
Достоинство этого метода еще и в том, что работая через бутлоадер очень сложно закосячить микроконтроллер настолько, что он не будет отвечать вообще. Т.к. настройки FUSE для бутлоадера недоступны.
Бутлоадер также прошит по умолчанию в главный контроллер демоплаты Pinboard чтобы облегчить и обезопасить первые шаги на пути освоения микроконтроллеров.
Pinboard II
Прошивка AVR с помощью демоплаты Pinboard II (для Pinboard 1.1 все похоже)
Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.
89 thoughts on “AVR. Учебный курс. Трактат о программаторах”
А что это делает в учебном курсе? чего не на главной странице?
Здарова, Артем, вот я и зашел, чего то не мог зайти долго…
Я постепенно правлю и переписываю старые статьи, чтобы привести их в более стройный и завершенный вид.
Программатор AVR ISP
Рис.1 AVR ISP
Программаторы, работающие под управлением PonyProg2000 и других любительских программ, очень просты. Однако большинство из них не может обеспечить такой функциональности, какой обладают фирменные средства разработки. Одним из самых популярных программаторов Atmel является AVR ISP (внешний вид на рис.1). С помощью AVR ISP можно запрограммировать любой микроконтроллер с ядром AVR через последовательный интерфейс SPI. Программатор подключается через COM-порт и работает под управлением AVR Studio.
Конструкция и программное обеспечение AVR ISP открыто для разработчиков. Каждый может самостоятельно собрать его аналог и тем самым сэкономить деньги на покупке программатора у фирмы-производителя. Более того, существует множество любительских разработок на основе AVR ISP, которые обладают дополнительными возможностями и удобнее в обращении.
Рис.2 Аналог фирменного программатора AVR ISP
На рис.2 приведена принципиальная схема авторского варианта AVR ISP. В отличие от своего прообраза он содержит только один микроконтроллер, обладая теми же функциями. В место ATmega8535 (AT90S8535) в базовом варианте применён микроконтроллер ATmega16. Он имеет вдвое большим объёмом памяти программ и данных, и сопоставим с ATmega8535 по назначению выводов и внутреннему устройству. Запись и обновление содержимого DD2 осуществляются через встроенную программу-загрузчик (boot-loader), которая использует для этих целей способность самопрограммирования микроконтроллеров AVR. Дополнительными программными средствами осуществляется так же согласование работы программы предназначенной для ATmega8535 с адресным пространством ATmega16 и использование прерывания TOV0 для отслеживания положения кнопки SB1 и управления линиями PD7, PC0…PC6.
Программатор подключается к любому свободному COM порту в системе через разъём X1. Напряжение 9…15 В подаётся на разъём X2 от отдельного источника питания способного отдавать в нагрузку ток не меньший чем 100 мА. Разъем X3 служит для внутрисхемного программирования или при программировании на отдельной панели.
На выводе 7 X3 присутствуют прямоугольные импульсы частотой 1.8432 МГц. Их можно использовать, если программируемый микроконтроллер настроен на работу с кварцевым резонатором либо с внешним тактовый генератором. В этом случае импульсы подаются на вход XTAL1. Устройства, не имеющие собственного источника энергии, можно запитать непосредственно от программатора через вывод 2 X3 (внутрисхемное программирование устройств с напряжением питания меньшим, чем 5 может привести к поломке!). Активизация и запрещение тактовых импульсов на выводе 2 X3, а также присутствие напряжения 5 В на выводе 7 X3, регулируются кнопкой SB1.
В ходе работы светодиод HL3 свидетельствует о нормальном функционировании программатора. HL1 будет светиться во время программирования микроконтроллера, а HL2 будет сигнализировать о наличии напряжения и тактовых импульсов (выводы 2 и 7 X3 соответственно).
Перед началом работы в DD2 нужно занести программу, находящуюся в Файле BootISP.hex (исходный текст в файле BootISP.asm) с помощью любого удобного программатора. FUSE-биты при этом должны выглядеть следующим образом:
CKSEL0 = 0 SUT0 = 1 BOOTRST = 0 EESAVE = 1
CKSEL1 = 0 SUT1 = 0 BOOTSZ0 = 0 CKOPT = 1
CKSEL2 = 1 BODEN = 0 BOOTSZ1 = 0 JTAGEN = 1
CKSEL3 = 1 BODLEVEL = 0 SPIEN = 0 OCDEN = 1
Рис.3 Процесс программирования
Рис.4 Вид окна программы поддержки AVR ISP
Интерфейс программы очень простой и не требует подробных пояснений. Здесь только необходимо обратить внимание на несколько важных деталей. В списке устройств на вкладке Program в окне Device, кроме микроконтроллеров с ядром AVR (ATmega, ATtiny, AT90x и др.), доступны также некоторые модели семейства MCS-51 (названия начинаются с AT89S). Программирование AT89S через SPI принципиально ни чем не отличается от подобной операции у AVR-микроконтроллеров, за исключением одного существенного различая. Сигнала RESET у MCS-51 (в отличие от AVR) имеет активный высокий уровень. Поэтому при программировании моделей AT89S резистор R2, предотвращающий запуск микроконтроллеров AVR, необходимо подключить к шине питания программатора.
Иногда случается так, что с первого раза не удается установить связь программатора с устройством. Если не считать ошибок монтажа и неправильной установки FUSE-битов, запрещающих работу SPI (SPIEN, DWEN и RSTDISBL), вероятнее всего проблема заключается в слишком высокой частоте тактовых импульсов на линии SCK. В этом случае необходимо уменьшить скорость последовательного интерфейса. Это можно сделать вручную через вкладку Board (окно ISP Freq). Модуль SPI ведомого микроконтроллера не может работать на частотах превышающих Fclk/4.
Программатор был проверен в работе с AVR Studio версий 4.12…4.16 со многими типами микроконтроллеров. Никаких ошибок при этом не было выявлено.
Мой AVR-ISP программатор
Программатор, как меч Джедая: каждый должен собрать себе сам.
Первый программатор у меня был классический — «пять проводков», подключенные через порт принтера. Так как на моём компьютере ни LPT, ни COM портов нет, пришлось достать старый ноутбук и прошивать с него. Это оказалось жутко неудобно.
Поэтому, я решил спаять из пары микросхем уже более-менее стоящий программатор, который бы работал через китайский кабель USB-RS232.
В сети много различных вариантов программаторов, например AVR910, но все они заточены под какое-то дополнительное ПО. Atmel Studio, в которой я работаю, поддерживает в качестве программатора плату STK500. На сайте Atmel я нашёл описание протокола этой платы. Затем дело оставалось за малым — воткнуть MAX232 в качестве адаптера, ATmega8A в качестве программатора и уже можно было программировать прямо из Atmel Studio. Минусом этой схемы было, что питание на программатор 5В требовалось заводить извне.
Китайский же кабель долго не смог выдерживать издевательств и сдох.
Вторая версия STK500-совместимого программатора уже была сделана на основе FT232RL, что позволило подключаться прямо к USB-порту и от этого же порта запитывать схему. Мало того! Даже получилось, при помощи полевого транзистора, запитывать не очень прожорливые программируемые устройства.
Схемка примерно такая:
Транзистор — IRLML6402
Феррит — MI0805K400R-10
Диод Шоттки — MBR0520LT
FT232R должна быть настроена на выдачу тактового сигнала 12МГц на CBUS4, а ATmega, соответственно, на тактирование от внешнего источника.
Транзистор открывается и питает программируемую схему, если в настройках программатора выбрать VTarget более 4.5 Вольт. Также есть тактовый генератор для оживления микросхемок, когда промахнулся с фьюзами.
Микроконтроллер отключает свой выход UART, пока не распознает на входе пакет нужного формата, запускающий программирование. Поэтому эту штуку можно даже использовать как адаптер USB-UART
Хекс файлик прилагаю: вот он
Всё хозяйство запихал в коробочку BOX-KA18 50х35х16мм. Конечно сделано несколько топорно и грубо, но, это одна из моих ранних поделок с SMD-компонентами 
Программаторы для AVR микроконтроллеров (USB, COM, LPT)
Узнаем что такое ISP-интерфейс, разберемся с недорогим и удобным программатором USB ISP. Рассмотрим принципиальные схемы простейших программаторов для AVR микроконтроллеров с использованием COM и LPT портов компьютера. Данной информации вполне хватит чтобы прошить большинство моделей AVR микроконтроллеров не только в Linux, но и в других ОС.
Интерфейс внутрисистемного программирования ISP
Для того чтобы записать программу в AVR микроконтроллер вам понадобится программатор.
Существует достаточно много разнообразных конструкций программаторов для AVR микроконтроллеров, которые подключаются к разным портам компьютера.
Как правило ISP интерфейс размещают на платах в виде десяти или шести штырьков, к которым посредством подходящего коннектора через шлейф подключается программатор.
Рис. 4. ISP интерфейс на плате.
Назначение пинов в ISP интерфейсе:
Для внутрисхемного программирования микроконтроллера достаточно всего 4 пина, поскольку питание микроконтроллера может осуществляться от самой схемы где он установлен.
Программатор USB ISP ASP
Для работы с AVR чипами я приобрел недорогой USB ISP программатор по цене примерно 10$. Такое устройство есть сейчас в продаже во многих отечественных и зарубежных интернет-магазинах, так что с покупкой проблем не должно возникнуть.
Данный программатор безопасен в использовании, имеет небольшие размеры и поддерживается большинством программ для прошивки микроконтроллеров AVR. USB ISP работает под операционными системами Linux, Mac OS X и Windows. Для Linux никаких драйверов устанавливать не нужно, после подключения программатора к USB порту устройство сразу же определится и будет готово к использованию.
Рис. 6. Расположение пинов на разъеме USB ISP (распиновка).
Рис. 7. Расположение контактов в гнездах коннектора подключенного к программатору USB ISP.
Рис. 8. Принципиальная схема самодельного программатора USB ASP ISP.
Подробную информацию по изготовлению USB ASP, а также печатные платы, драйвера и прошивку для микроконтроллера можно найти на официальном сайте: http://www.fischl.de/usbasp/
К тому же в интернете достаточно много ресурсов по данному свободному программатору, есть много готовых разводок печатных плат, в том числе и в программе SprintLayout, поэтому подробно в данной статье останавливаться на этом не будем.
Программатор с использованием COM-порта
Рис. 9. Принципиальная схема программатора AVR микроконтроллеров через COM порт компьютера.
Для полноты информации ниже приведу распиновку портов RS-232 для вариантов DB-9 и DB-25.
Программатор с использованием LPT-порта
Как мы знаем, LPT порт компьютера предназначен для подключения локального принтера (Local Printer Port), но тем не менее его часто используют для подключения различных устройств и самоделок. В данном случаем мы можем его использовать для программирования AVR микроконтроллеров, собрав для данной цели очень простую схему что приведена ниже.
Рис. 12. Принципиальная схема программатора для AVR микроконтроллеров с использованием LPT порта компьютера.
Как видим, схема еще проще чем в варианте с программатором Громова, здесь нам нужны всего лишь 4 маломощных резистора и разъем (папа, со штырьками) для подключения к LPT порту компьютера.
Рис. 13. Расположение пинов для разъемов LPT-порта.
Все детали и соединения можно разместить в корпусе LPT-разъема, а для подключения к микроконтроллеру вывести шлейф с коннектором под ISP-интерфейс или же просто необходимые проводники для подключения к микро-чипу.
Программное обеспечение и заметки
Подключив COM или LPT программатор к микроконтроллеру нужно не забыть подать питание на сам микрочип. В качестве источника питания микроконтроллера можно использовать батарейки или блок питания со стабилизатором, это будет наиболее безопасно как для порта компьютера, так и для чипа. О том как использовать источники питания для AVR микроконтроллера мы уже рассматривали.
Для прошивки AVR чипов под Windows с использованием данных COM и LPT программаторов нужна программа UniРrof от Николаева, которая представляет собою универсальный программатор для AVR (avr.nikolaew.org).
ВНИМАНИЕ! Будьте предельно внимательны и осторожны при сборке и использовании программаторов с использованием COM или LPT порта компьютера, простой ошибкой можно запросто подпалить эти порты. Для нормальной работы таких программаторов нужно стараться использовать по возможности максимально короткие проводники от разъема к схеме программатора и микроконтроллеру. Микропроцессор компьютера желательно чтобы имел частоту не более 1-2 ГГц, а в качестве ОС для программирования чипов желательно использовать Win2000 или WinXP.
Также важно знать что переходники USB-RS232 (USB-COM Port) скорее всего не будут работать с программатором Громова, заработают возможно только те у которых стоят более новые микросхемы, так что лучше искать машину с родным COM-портом.
Заключение
Теперь в любом случае вы сможете собрать доступный вам программатор и прошить хотя бы одну микросхему, на основе которой можно собрать другой более удобный программатор или же какое-то устройство.
В следующей статье мы разберемся как подключить разные модели AVR микроконтроллеров к программатору, узнаем где брать информацию о распиновке микроконтроллеров.