Чем прошить atmega328p: Прошивка AVR (ATMEGA328) различными программаторами (в том числе и из-под Arduino)

Прошивка Arduino через USB (UART) / AVR ISP разъём (USBasp программатор) – urpylka՚s blog!

Эта заметка нацелена на изложение основных действий для перепрошивки Arduino как при помощи встроенного бутлодера, так и с помощью программатора. В первых двух разделах я коротко изложу техническую базу и особенности использования двух методов, а в третьем разделе среду разработки и утилиты необходимые для прошивки.

Прошивка с помощью встроенного bootloader (через последовательный порт)

Все платы Arduino (основная линейка) построены на базе чипа Atmega с архитектурой AVR. AVR – это семейство микроконтроллеров, их прошивка, а именно запись постоянной памяти и выставление Fuse битов реализовано через ICSP порт очень похожий на SPI. Однако наиболее распространенным способом прошивки является прошивка через USB. Точнее через UART, тк на самом деле на плате разведён USB-RS232 преобразователь.

RS232 это надстройка над UART. UART содержит только пины RX, TX. Тогда как RS232 содержит ещё и другие линии (подробнее на UART, COM-порт, RS-232, что это и как они связаны?):

Для перепрошивки через UART требуется выполнение двух условий:

1. Наличие загрузчика в МК (его вполне может и не быть там, тогда остается только вариант с прошивкой через программатор)
2. Для начала загрузки прошивки необходимо перезагрузить МК в очень узкое временное окно и затем начать передавать прошивку через UART. На некоторых платах отсуствует встроенный USB-RS232 преобразователь, например Arduino Pro Mini. В этом случае вы можете попробовать перезагрузить МК с кнопки на плате Arduino (у меня это получилось раза 20го). Как альтернатива, если вы используете внешний USB-RS232 преобразователь с линией DTR. Вы можете подключить этот вывод на пин RESET Arduino. Аналогичным способом подключен встроенный преобразователь на Arduino.

Для начала разберемся с тем, что нужно постоянно искать – пинами на программаторе.

Прошивка с помощью программатора

Есть множество различных программаторов, я использую USBasp (USBASP: USB AVR программатор для микроконтроллеров ATmega, ATtiny).

Также в качестве программатора можно использовать ещё одну плату Arduino со специальной прошивкой.

Все сложность в прошивки этим способом обеспечить корректное подключение программатора к Arduino. Также обратите внимание, что лучше запитать Arduino непосредственно от программатора.

Основная проблема в том, что на большинстве программаторов ICSP-разъём содержит 10 пинов, тогда как на всех платах Arduino, и не только, он 6ти пиновый.

Для прототипирования небольших проектов, я люблю использовать Arduino Nano, ниже описание выводов:

На некоторых программаторах, в том числе на USBasp выведены также I2C, UART-линии:

Для облегчения процесса перепрошивки, может быть сделан переходник. Подробнее в статье AVR ISP Разъемы (webarchive).

Иногда при прошивке с помощью программатора возникает ошибка avrdude: warning: cannot set sck period, please check for usbasp firmware update, при этом она может вызвана двумя причинами:

1. Плохой контакт тактирующего сигнала SCK.
2. Устаревшая прошивка на программаторе, подробнее как её обновить тут Прошивка USBasp.

Среда разработки и прошивка

Стандартная среда разработки Arduino IDE включает в себя:

1. Магазин библиотек
2. Текстовый редактор
3. Набор драйвером для сериал портов (последовательных портов)
4. Монитор последовательного порта
5. Обертку над avrdude
6. Компилятор

По сути весь процесс прошивки заключается в запуске avrdude с разными аргументами. Мне не нравится среда Arduino IDE ввиду крайне неудобного редактора при открытии нескольких файлов.

Я использую в качество основного редактора кода VSCode, для него есть замечательный плагин Platformio, который позволяет производить сборку, а также прошивку устройств через встроенный загрузчик. Однако для перепрошивки, а также для работы с последовательным интерфейсом я предпочитаю использовать напрямую утилиты avrdude и screen. Для этого я добавляю в репозиторий примерно следующий Makefile:

all: upload
upload:
	platformio run --target upload
clean:
	platformio run --target clean
build:
	platformio run
list:
	ls -l /dev/tty.*
monitor:
	screen /dev/tty.usbserial-AH05WAKX 115200
usbasp:
	avrdude -c usbasp -p m328p -P usb -U flash:w:.pio/build/ATmega328P/firmware.hex:i -FD
direct:
	avrdude -c arduino -p m328p -U flash:w:.pio/build/ATmega328P/firmware.hex:i -P /dev/tty.usbserial-AH05WAKX
info:
	avrdude -c usbasp -p m328p -P usb -v
setup:
	brew install avrdude screen

Адрес последовательного интерфейса может отличаться, также цель setup использует пакетный менеджер brew для установки зависимостей на macOS.

Библиотеки я предпочитаю лично контролировать включением их в репозиторий, для этого в проекте Platformio необходимо создать папку lib.

Небольшое обновление: я сделал репозиторий-шаблон на Github, который можно взять за основу при написании кода под МК Atmega.

Пожалуй, это основные лайфхаки которые я использую для прошивки Arduino. Я умышленно упростил и недосказал некоторые моменты, возможно я допишу это когда-нибудь.

Burn Bootloader ATmega328p AU на SMD чипе

При покупке новой микросхемы ATMEGA328P AU обычно ничего не прожигается в памяти. Для программирования этих микроконтроллеров вам необходимо предварительно записать загрузчик. Загрузчик похож на микрочип copan duro нтроллер. Без этого контроллера микросхема не будет понимать язык, который мы прислали из Arduino IDE. Чтобы понять код, который мы отправляем, мы должны сначала записать загрузчик.
Здесь я покажу вам, как записать загрузчик на SMD-чип ATmega328p AU, используя Arduino NANO в качестве программатора ISP.

В первую очередь нам предстоит сделать базовую настройку микросхемы ATMEGA328P AU. Интегрированный не будет работать без этой конкретной конфигурации. Для этого потребуется рекомендованная производителем схема с основным источником питания, развязывающими конденсаторами, кварцевым генератором и необходимыми подтягивающими резисторами. На приведенной ниже схеме я показываю вам основные компоненты и соединения, которые необходимо выполнить для правильного функционирования микроконтроллера.

Как видите, у нас есть кварцевый генератор 16 МГц между контактами 7 и 8 микросхемы SMD с двумя конденсаторами по 22 пФ на землю. Мы должны подключить землю к контактам 3, 6 и 21 и питание 5 В к контактам 4, 6 и 18. Наконец, мы добавляем подтягивающий резистор на 1 кОм между 5 В и контактом сброса, который является контактом 29.этого чипа SMD. Рекомендуется подключить конденсатор 47 мкФ между контактом Aref и 5V.

После того, как мы сделали базовую схему, нам нужно будет выполнить следующие соединения между Arduino NANO и выводами smd-чипа, чтобы записать на него загрузчик.

Цифровой контакт 13 от arduino NANO к контакту 17 от чипа SMD (SCK)
Цифровой контакт 12 от arduino NANO к контакту 16 от чипа SMD (MISO)
Цифровой контакт 11 от arduino NANO к контакту 15 от Микросхема SMD (MOSI)
Цифровой контакт 10 от arduino NANO к контакту 29 от микросхемы SMD (CS)

Теперь открываем Arduino IDE. Заходим в файл -> Примеры -> Arduino as ISP и открываем скетч примера ArduinoISP. В инструментах мы выбираем Arduino NANO в качестве платы, COM нашего USB-подключенного Arduino и загружаем скетч как обычный, как и любой другой, в Arduino NANO.

Как только мы загрузим код ArduinoISP в Arduino NANO и с предыдущими соединениями, мы можем записать загрузчик. Для этого мы идем в Tools -> Programmer -> Arduino as ISP, как показано ниже.

Все, что осталось сделать, это перейти в Инструменты и нажать кнопку записи загрузчика. Мы увидим, что индикаторы Arduino NANO часто мигают. Как только он говорит, что загрузчик сгорел, мы закончили. Мы успешно записали загрузчик на SMD-чип.
Все, что нам нужно сделать сейчас, это проверить правильность работы чипа. Для этого мы загрузим простой блинк-код, используя соединение FTDI, как показано ниже. Не забудьте вернуть программатор в нормальное состояние.

Помните, что нам нужен конденсатор 0,1 мкФ между выводом DTR модуля FTDI и нашим выводом сброса, чтобы запрограммировать этот чип.

Надеюсь, это руководство помогло вам. Посетите мой канал на YouTube, чтобы увидеть больше учебников и материалов по электронике.

См. руководство по контроллеру arduino+RF здесь:

Установка загрузчика ATmega328 с помощью Arduino Shield/макетной платы

В своих предыдущих проектах я создавал собственные схемы Arduino, дизайн печатной платы KiCAD Arduino и моделирует сигналы автоматизации железной дороги. Все они основаны на пользовательских схемах, подобных Arduino, на базе микроконтроллера ATmega328p. В тех я рекомендовал купить ATmega328p с предустановленным загрузчиком. Это полезно для новичков, так как означает, что вы можете сосредоточиться на пользовательской схеме, но в этом я подробно расскажу о том, как вы можете установить загрузчик, если вы покупаете базовую микросхему без загрузчика.

Видео ниже дает представление об этом.

Его можно создать на макетной плате, но я также разработал специальный экран для печатной платы, который можно использовать для специального программирования.

Загрузчик Arduino

Загрузчик Arduino — это фрагмент кода, отвечающий за выполнение пользовательского кода и/или установку нового пользовательского кода. Это выполняется всякий раз, когда микроконтроллер ATmega включается или сбрасывается. Важно, чтобы увидеть, пытается ли IDE отправить новый код в Arduino, и если да, то он сохраняет этот новый код в прикладной области флэш-памяти. Если нет, то он переходит к коду, уже находящемуся во флэш-памяти, и запускает работу микроконтроллера. Это упрощение, но оно дает вам представление о том, как это работает.

Без загрузчика микроконтроллер ничего не сможет сделать, если он не запрограммирован напрямую с помощью внутрисистемного программатора или подобного.

Выделенный AVR-ISP и Arduino

Вы можете приобрести выделенный AVR-ISP, который представляет собой внутрисистемный программатор, разработанный специально для микросхем микроконтроллеров, основанных на архитектуре AVR (включая микросхемы серии ATMel ATmega). В качестве альтернативы вы можете установить код на Arduino, чтобы он мог действовать как внутрисистемный программатор. Это известно как Arduino в качестве интернет-провайдера, что и рассматривается в этом руководстве.

Версия для макетной платы

На приведенной ниже диаграмме показана базовая установка того, как вы можете запрограммировать загрузчик с помощью простой схемы, похожей на Arduino, созданной на макетной плате.

Версия шилда

Первоначальный шилд Arduino (показан вверху этой страницы) основан на той же схеме, что и макетная версия, но сделан на заказной печатной плате. Хотя эта схема работает правильно, основываясь на опыте работы с программатором, было бы лучше с разъемом ZIF и светодиодами состояния. Поэтому я создал обновленную схему, хотя еще не имел возможности ее попробовать.

Установка загрузчика

Для установки загрузчика необходимо выполнить следующие шаги.

Настройте Arduino как ISP

• Откройте IDE Arduino (желательно последнюю версию)
• Откройте пример эскиза для Arduino ISP
• Если UNO не используется, раскомментируйте запись
  #define USE_OLD_STYLE_WIRING
• Выберите модель платы Arduino, которую вы будете использовать в качестве Arduino ISP
• Выберите подходящий порт
• Загрузить скетч

Установить загрузчик

• Выбрать Arduino UNO для платы
• В разделе «Программист» выберите Arduino в качестве ISP
.