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.

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.

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 ATmega8(A) (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: 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.

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 для Arduino IDE всех версий
Проект на GitHub