Минимальный клон Arduino за $3 на ATmega8A с модифицированным bootloader'ом

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.

Дополнение от 25.11.2011: По последним сообщениям свежие версии bootloader'а Optiboot работают и на ATmega8, этот бутлоадер занимает всего 512байт и обеспечивает ещё большую скорость загрузки прошивки.

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.

Внимание! Автор не несёт никакой ответственности за возможные последствия следования инструкциям в этой статье.

Что будет нужно:

• 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 (функционально они идентичны, 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)

Опциональные компоненты:

• 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).

Пригодится также распечатанная схема соответствия пинов контроллера и их Arduino-названий:

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 :).

Подготовка IDE

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 ATmega8A (8MHz int. RC osc, short bootloader delay, 38400 baud rate).

В архиве находится следующее:

• 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).

Превращение Arduino-совместимой платы в программатор

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).

Подключение «программатора» к контроллеру

Схема подключения описана на странице об ArduinoISP из официальной wiki, будет использоваться такой вариант подключения (без внешнего осциллятора):

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:

avrdude -v -patmega8 -cstk500v1 -PCOM10 -b19200

Назначение параметров:

• -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

Если всё подключено правильно, контроллер должен радостно ответить примерно следующее:

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.

Прошивка bootloader'a

Самая простая часть. Нужно запустить Arduino IDE, выбрать в пункте меню Tools -> Board следующую плату: ATmega8A (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.

Что же получилось в итоге

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.

Зачем нужен bootloader, если есть ArduinoISP?

• 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.

Скачать

Архив с bootloader'ом и настройками (9 Кб)