Как я сделал свою Arduino

Привет, читатель!

Сегодня существуют десятки вариантов платы Arduino. Их популярность обусловлена, по моему мнению, фреймворком Wiring ^[1] для микроконтроллеров, распространением «шилдов» (нет необходимости паять компоненты) и, что самое удобное, загрузкой программ по USB. В рамках этой статьи расскажу, как я создал небольшую оценочную плату для микроконтроллера и добавил в нее загрузочную запись.

По своей сути, большинство «ардуинок» (оценочных плат) — это печатные платы с минимально необходимыми для микросхемы деталями. Такие прототипы позволяют сделать работу с чипами удобнее, проще и приятнее. Однако бывает, что под контроллер либо нет подобных решений, либо они универсальные и имеют некоторые неточности. С этим можно бороться, но возникают различные костыли, поэтому я решил разработать оценочную плату для отечественного чипа. Самому чипу посвящена отдельная статья на Хабре ^[2], его я использую в паре пет-проектов. Приступим к разработке!

Используйте навигацию, если не хотите читать текст полностью:

→ Референсы и исходные варианты ^[3]
→ Схема ^[4]
→ Плата ^[5]
→ Загрузочная запись ^[6]
→ Заключение ^[7]

Можно при помощи ЛУТ собрать свою одностороннюю плату Arduino с DB9-интерфейсом. Подробности описаны в официальной документации ^[8].

Существуют уже две отечественных версии Arduino: Elbear Ace-Uno ^[9] и Vostok UNO-VN035 ^[10]. Давайте реализуем свою?

Basic Stamp

Одной из первых плат для макетирования и прототипирования были Basic Stamp. О них я узнал из старой, но хорошей книги «Радиоэлектроника для чайников». Данная плата имеет цепь подготовки питания, конвертор интерфейсов usb-uart (раньше был просто разъем DB9), сокет для микросхемы или впаянный контроллер, а также небольшую макетную плату (breadboard) и PLC-разъемы. Есть подобная занимательная плата на базе ESP8266 от PINLAB ^[11].

Источник ^[12].

Классические Arduino

Большее распространение получили платы Arduino. Одна из причин — так называемые «шилды». Это платы расширения, монтируемые на разъемы сверху. Сами платы зачастую реализуют одну-две функции и занимают действительно много места. Но они при этом используются для образовательных целей, а также имеют удобные платы для проверки схем, гипотез и отображения информации. Одной из первых плат была Arduino Uno.

Забавный факт: первая Arduino была сделана как конкурент Basic Stamp и подключалась к ПК через порт DB25 COM. Сегодня COM-порт стал виртуальным, но загрузка ПО по-прежнему осуществляется через него.

Источник ^[12].

Nano, ESP

Позже вышла более удобная, на мой взгляд, плата — Aarduino Nano. Мне нравится ее форм-фактор — он отлично встает на макетную плату, тем самым позволяет сделать красивую и наглядную разводку. Аналогичным образом можно смонтировать появившиеся позже ESP8266 или ESP32.

Источник ^[13].

Next.module

Отмечу проект Руслана Надыршина на базе esp32, который он описал в своей статье ^[14] на Хабре. Довольно интересный конструктив в виде небольших квадратных плат, который позволяет собрать несколько необходимых блоков в стойку. Объединение модулей происходит через разъемы BLD с длинными штырями.

В этом видео автор проекта описывает идеи и прототипы плат next.module:

STEMTera

Еще один классный и удобный вариант для отладки и обучения — плата STEMTera. Это макетная плата, в которую встроили atmega32 и вывели порты наружу. Пины микроконтроллера соответствуют расположению и функционалу на отладочной плате Uno и дополнительно продублированы.

Обзор и пример работы с платой STEMTera:

Я решил остановиться на варианте Nano, немного его изменив под используемый контроллер. Для себя поставил следующие технические требования:

• использование контроллера К1946 или совместимых AVR,
• наличие конвертора интерфейсов USB-UART с сигналом сброса (DTR);
• форм-фактор — печатная плата шириной до 30 мм и длиной до 50 мм;
• два ряда штырьевых разъемов с шагом 2,54, micro-USB для обновления.

Вы можете спросить, почему планируется устаревший micro-USB? Исключительно из соображений практичности. Это плата для отладки и прототипирования. Если на ней будет случайно отломлен интерфейс или сломан «язычок» внутри, micro-USB проще перепаять. В этом бою пять широких ножек выглядят более привлекательно, чем 13 тонких контактов type-С. К тому же, провода с таким разъемом сейчас можно найти во многих магазинах.

В качестве основного микроконтроллера рассматриваю К1946. Почему? Отечественные контроллеры — отличное решение для экспериментов, если у вас есть возможность их оперативно достать. По сути, это близкие аналоги существующих на рынке образцов, для которых уже есть разработанные среды, библиотеки кода, общие методы и подходы к применению.

Больших секретов здесь нет. Исходные коды, схемы и платы лежат в свободном доступе как в документации от вендоров ^[15], так и в статьях от любителей ^[16]. Китайцы вообще поставили на поток создание клонов любых цветов и их продажу на маркетплейсах ^[17].

Основное отличие от других аналогичных схем в том, что у каждого входа микроконтроллера установлены конденсаторы. Когда работал с китайской отладочной платой, очень пожалел об их отсутствии во время отладки программы.

Другая отличительная черта — использование регулятора LP2985 вместо классического 78L05. Он имеет больший ток нагрузки и меньшее падение напряжения. Еще один его плюс — наличие вывода выключения, который отрубает источник. Использовал этот функционал для одновременного подключения платы к USB без извлечения внешнего источника.

Изначальным планом было сделать печатную плату, максимально совместимую с Arduino Nano. На схеме было три разъема для порта С-микроконтроллера, чтобы использовать все ножки чипа. Эти восемь ножек вывел на отдельную «отламываемую» часть платы. Перфорация позволяла в таком варианте попросту отломать дополнительный порт, если не нужно установить плату в «шилды» для Nano. Сама идея таких плат не нова и позаимствована у STM8-Discovery от STMicroelectronics.

Один из вариантов. Было много переходных отверстий. Половина схемы — с другой стороны платы, включая все фильтры.

Эксперементируя с форм-факторам отошел от повторения в габаритах Nano. Вместо длинной платы удачнее оказалось сделать ее шире: в таком варианте отладочное устройство удобно встает на большую макетную плату. Идею с портом на одном из торцов решил оставить, обогатив этот разъем двумя аналоговыми линиями и интерфейсом UART.

После всех изысканий и экспериментов заказал партию зеленых плат.

Полученные изделия по габаритам помещаются на большую макетку, оставляя достаточно места для подключения компонентов. Провод с micro-USB предпочитаю использовать угловой: в такой компоновке он достаточно удобен и не мешается.

Зачем на чипе загрузочная запись, если есть программатор? Да, они просты в использовании (все вызывается одной командой), дешевы и довольно надежны. Однако для отладки удобно выводить информацию в последовательный интерфейс. Через него же можно настроить связь с ПО верхнего уровня на ПК. А в готовый проект (уже в виде прибора, а не оценочной платы) можно загружать обновление ПО по USB без дополнительных инструментов и открытия корпуса устройства. Для этого вообще не требуется никаких специальных знаний.

Забавный факт: контроллер можно запрограммировать всего двумя кнопками. На эту тему на Хабре есть замечательная статья ^[18].

В качестве загрузочной записи выбрал optiboot. Он имеет достаточную функциональность, активно поддерживается сообществом в официальном репозитории на GitHub ^[19] и мало весит. На базе этого проекта изначально также были построены загрузчики для других оценочных плат. Кстати, на optiboot работает более эффективное ядро GyverCore ^[20].

Итак, сначала необходимо подготовить ОС для сборки файлов. Понадобится avr-gcc, желательно последней версии.

Установка на Ubuntu самая простая и описана в туториале ^[21].

Для macOS понадобится brew ^[22] и установить пакет (можно найти на GitHub ^[23]).

Установка на Winows чуть сложнее, чем на Linux, но вам поможет пошаговая инструкция ^[24].

Альтернативный вариант для Windows — avr-gcc в составе ide arduino.

Для сборки достаточно скачать репозиторий и по инструкции из вики проекта на GitHub ^[25] собрать исходные файлы и загрузить бинарный код. Для скачивания потребуется git на ПК. Либо можно скачать архивом:

git clone https://github.com/Optiboot/optiboot.git
cd optiboot/optiboot/bootloaders/optiboot

Далее выполняем сборку. Необходимо указать используемую ОС, чтобы скрипт донастроил некоторые переменные, а также исправил символы пути (на Windows).

make OS=macos 
UART=0 BAUD_RATE=115200 
LED=B7 LED_DATA_FLASH=1 
AVR_FREQ=16000000L atmega8535

Дополнительно можно указать опцию BOOT_ON_POR=1. В таком случае бутлоадер будет ожидать сигнал от ПК в течении секунды (настраивается опцией TIMEOUT) после включения, прежде чем начнет проводить загрузку. Это полезно в ситуациях, когда необходимо подключаться по USB, не выполняя перезагрузку контроллера. Также с этой опцией можно выполнять загрузку ПО через RS-485, по беспроводной связи через стандартные Bluetooth, Wi-Fi модули или даже по радио ^[26] (при очень большом желании).

Во время сборки make выдаст строки с предупреждением:

Погрешность в 2% не страшна, но вас предупредили. Чтобы этого избежать, можно изменить частоту резонатора или скорость интерфейса.

Последней командой загрузим сформированный бутлоадер в плату. Для этого использую avrdude:

avrdude -P usb -c usbasp -p ATmega8535 -s -B 16kHz -U flash:w:optiboot_atmega8535_UART0_115200_16000000L.hex

Для дальнейшего использования из консоли берем эту строку и заменяем поля на собственные:

avrdude -p m8535 -c arduino -P /dev/tty.usbserial-0001 -b 115200 -U flash:w:build/k1946vm014.hex

Я же добавил в makefile, описанный ранее на Хабре ^[2], пару строк:

pusb: $(TARGET).hex
avrdude -p $(DUDE_MCU) -c arduino -P $(PORT) -B $(PORTSPEED) -U flash:w:$(BUILD_DIR)/$(TARGET).hex

На этом этапе основная задача завершена. Плата определяется и обновляется по USB из VSCode:

Полученные платы успешно используются для отладки некоторых решений. Опытным путем я понял, что не хватает некоторых элементов, которые делают работу удобнее. Например, стоило добавить:

• стабилизатор 3,3 В — некоторые микросхемы или индикаторы работают от этого напряжения;
• источник опорного напряжения (тот же tl431);
• размыкание сигнала «перезагрузки» контроллера от ch340 (этот вопрос временно решил, изменив загрузчик и разрезанием дорожки).

Однако основная функциональность в виде «бутлоадер + микроконтроллер + конвертор интерфейсов» используется по максимуму. Когда плата установлена в макете и работает, разработчик может подключиться, снять логи, изменить режимы работы или обновить прошивку. Попробовал кейс с обновлением прошивки не специалистом: работа выполнена успешно за счет использования созданного bat-скрипта и hex-файла прошивки.