Прошивка загрузчика на микроконтроллере ATMEGA328P

Цена и размер — это только пара причин, по которым использование платы Arduino для конкретных проектов может оказаться за гранью разумного. Зачастую они слишком большие или слишком дороги для целого ряда применений, особенно если требуется сделать несколько экземпляров. Хорошим способом получить простоту применения, присущую платформе Arduino, и при этом избавиться от всех этих недостатков является использование отдельного микроконтроллера ATmega328P и программирование его посредством среды разработки Arduino IDE и её упрощённой версии языка Си. Однако без начального загрузчика (bootloader) платформы Arduino сам по себе микроконтроллер ATmega328P не получится программировать с помощью среды Arduino IDE.

Цель этого руководства — понять, как работает начальный загрузчик платформы Arduino и как его записать в память микроконтроллера ATmega328P.

Программирование микроконтроллеров может оказаться непростой задачей, поскольку для этого необходимы специальные программаторы и файлы программ в шестнадцатеричном формате с расширением.hex, не говоря уже о глубоких знаниях языка программирования Си, на котором пишутся программы. Это довольно сложно для новичков, поэтому в рамках проекта Arduino был создан специальный файл формата.hex, после установки которого в микросхему семейства AVR можно программировать платы через последовательный порт. При этом всё что вам понадобится — это подсоединить последовательный интерфейс микроконтроллера к компьютеру, что можно осуществить с помощью преобразователя из USB в UART. Этот специальный файл носит название – Загрузчик (Bootloader) Arduino.

Начальный загрузчик весьма похож на систему BIOS, работающую на ПК, и выполняет две задачи:

1. Отслеживает, не пытается ли компьютер загрузить программу в микросхему через последовательный порт. Если компьютер начинает загрузку, то он принимает код и сохраняет его в специально отведённой области памяти микроконтроллера таким образом, чтобы при этом не затереть самого себя.
2. Если компьютер не инициирует загрузку кода, то загрузчик командует микросхеме начать выполнение кода, который уже находится в памяти. Как только загрузчик записал в память программу и запустил её, плата Arduino будет непрерывно выполнять программу, пока подаётся питание.

Запись начального загрузчика в микроконтроллер может пригодиться не только, чтобы отдельно использовать микросхему ATmega328P, саму по себе. Это может пригодиться на случай, например, если вам понадобится заменить микроконтроллер на плате Arduino Uno или для спасения неисправной платы, которая перестала принимать код.

Существует немало способов записи загрузчика платформы Arduino в микроконтроллер, но мы остановимся на самом простом, который предполагает использование платы Arduino в качестве внутрисхемного программатора ISP (In-System Programmer).

В процессе производства электронных устройств программу в микроконтроллеры обычно загружают уже после монтажа на печатную плату. Такая операция называется внутрисхемным программированием ISP (In-System Programming), и для неё необходимы специальный разъём на плате, через который получают доступ к микроконтроллеру при записи программы. Большинство плат Arduino оснащены таким разъёмом с выводами 2×3, который используется для одной из разновидностей ISP — внутрисхемного последовательного программирования ICSP (in-circuit serial programming).

Разъём содержит 3 вывода интерфейса SPI – MOSI (D11), MISO (D12), SCK (D13) и выводы питания и земли (VCC, GND), а также вывод сброса (Reset). Через эти выводы и производится загрузка программ в микроконтроллер на плате Arduino. Подключив эти выводы к микроконтроллеру ATmega328P, мы сможем записать в его память начальный загрузчик (BootLoader) Arduino.

Для выполнения этого руководства понадобятся следующие компоненты.

1. Плата Arduino Uno
2. Проволочные перемычки
3. Макетная плата
4. Микроконтроллер ATmega328P
5. Кварцевый резонатор на 16 МГц
6. Керамические конденсаторы на 22 пф

1. Подготовьте плату Arduino в качестве внутрисхемного программатора ISP

В среде разработке Arduino IDE есть готовый пример Arduino as ISP, который, если его загрузить в плату Arduino, превращает её во внутрисхемный программатор. Откройте этот пример и загрузите (Upload) его в плату Arduino Uno или Duemilanove.

2. Подключение компонентов

Далее соедините предназначенный для программирования микроконтроллер ATmega328P к плате Arduino с помощью макетной платы, как показано на схеме ниже.

Для наглядности ниже приведена таблица соединения.

В некоторых случаях можно добавить дополнительные элементы, такие как светодиоды, которые будут служить индикатором процесса записи, но они не являются обязательными, так как если ваше соединение выполнено как следует, то запись загрузчика займёт всего пару минут.

3. Запись Загрузчика

Всё подсоединив, мы можем приступать к записи загрузчика.

Настройте среду Arduino IDE, выбрав в меню Инструменты > Плата (Tools > Board) пункт Arduino Uno. Затем выберите в меню Инструменты > Программатор (Tools > Programmer) пункт Arduino as ISP. Наконец, запишите загрузчик, выбрав пункт меню Инструменты > Записать Загрузчик (Tools > Burn Bootloader). Среда найдёт в папке, соответствующей выбранной вами плате, текстовый файл board.txt для загрузчика.

Важно, чтобы в вашей среде Arduino IDE были корректно установлены все файлы для используемых плат, чтобы можно было их выбрать в соответствующем меню. Обычно они уже установлены в среду.

Выполнив все пункты, вы сможете загружать код напрямую из среды Arduino IDE в микроконтроллер ATmega328P и использовать его сам по себе.

Если загрузчик записан, то вы можете загружать в микроконтроллер свои программы посредством среды Arduino IDE, следуя этой инструкции.

На это всё, спасибо, что прочитали это руководство. Не стесняйтесь оставлять любые возникающие вопросы в секции комментариев.