Программатор avr-микроконтроллеров с контроллером защиты
Полезная модель относится к области микроконтроллерной схемотехники, а именно к устройствам оперативного невнутрисхемного программирования современных 8-ми разрядных AVR-микроконтроллеров семейств ATmega и ATtiny. Полезной моделью решается задача обеспечения сохранения работоспособности программируемых AVR-микроконтроллеров при ошибочной установке AVR-микроконтроллеров в DIP-панели программатора с разворотом на 180° от нормального расположения. Программатор AVR-микроконтроллеров с контроллером защиты, содержащий LPT-порт, микросхему 47НС244 с подтягивающим резистором, сигнальное устройство на двух светодиодах и двух ограничительных резисторах, кварцевый генератор на двух кварцевых резонаторах с переключателем резонаторов и двух конденсаторах, стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе, кремниевом стабилитроне, балластном резисторе и двух конденсаторах фильтра, панели DIP-8, DIP-14 и две панели DIP-20 для программирования AVR-микроконтроллеров семейства ATtiny, панель DIP-28 и две панели DIP-40 для программирования AVR-микроконтроллеров семейства ATmega, при этом в устройство введен контроллер защиты, содержащий маломощный тиристор, резистор цепи управления тиристором, подстроечный измерительный резистор и нормально разомкнутую кнопку сброса. Иллюстраций - 1.
Полезная модель относится к области микроконтроллерной схемотехники, а именно к устройствам оперативного невнутрисхемного программирования современных 8-ми разрядных AVR-микроконтроллеров семейств ATmega и ATtiny, которые обладают наилучшим соотношением функциональные возможности/стоимость/быстродействие/энергопотребление.
Известен аналог - Патент на полезную модель 85779 РФ. Бюл. 22 за 2009 год. «Программатор AVR-микроконтроллеров семейства ATtiny» // Акиншин О.Н., Акиншин Н.С., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И. и др. Схема аналога представлена в приложении 1 к данному описанию. В табл.1 представлена цоколевка (распиновка) AVR-микроконтроллеров семейства ATtiny.
Таблица 1 | ||||||||||
, пп | ATtiny | DIP | VCC (+) | GND (-) | MOSI | MISO | SCK | RESE Т | XTAL1 | XTAL2 |
1. | 85V | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
2. | 85 | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
3. | 45V | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
4. | 45 | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
5. | 25V | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
6. | 25 | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
7. | 15L | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
8. | 12L | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
9. | 12V | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
10. | 12 | 8 | 8 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 |
11. | 84V | 14 | 1 | 14 | 7 | 8 | 9 | 4 | 2 | 3 |
12. | 84 | 14 | 1 | 14 | 7 | 8 | 9 | 4 | 2 | 3 |
13. | 44V | 14 | 1 | 14 | 7 | 8 | 9 | 4 | 2 | 3 |
14. | 44 | 14 | 1 | 14 | 7 | 8 | 9 | 4 | 2 | 3 |
15. | 24V | 14 | 1 | 14 | 7 | 8 | 9 | 4 | 2 | 3 |
16. | 24 | 14 | 1 | 14 | 7 | 8 | 9 | 4 | 2 | 3 |
17. | 26L | 20 | 5 | 6,16 | 1 | 2 | 3 | 10 | 7 | 8 |
18. | 26 | 20 | 5 | 6,16 | 1 | 2 | 3 | 10 | 7 | 8 |
19. | 2313 | 20 | 20 | 10 | 17 | 18 | 19 | 1 | 5 | 4 |
20. | 2313V | 20 | 20 | 10 | 17 | 18 | 19 | 1 | 5 | 4 |
Аналог включает в себя (см. приложение 1): LPT-порт; микросхему 47НС244, включающую два четырехканальных управляемых буфера и подтягивающий резистор; сигнальное устройство на двух светодиодах и двух ограничительных резисторах; кварцевый генератор на кварцевом резонаторе (4 МГц) и двух конденсаторах; компенсационный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе, кремниевом стабилитроне, балластном резисторе и двух конденсаторах фильтра; панель DIP-8 для программирования микроконтроллеров ATtiny85V, ATtiny85, ATtiny45V, ATtiny45, ATtiny25V, ATtiny25, ATtinyl5L, ATtinyl2L, ATtinyl2V и ATtiny12; панель DIP-14 для программирования микроконтроллеров ATtiny84V, ATtiny84, ATtiny44V, ATtiny44, ATtiny24V и ATtiny24; первую панель DIP-20(1) для программирования микроконтроллеров ATtiny26L и ATtiny26; вторую панель DIP-20(2) для программирования микроконтроллеров ATtiny2313V и ATtiny2313, которые представлены в табл.1.
Аналогу, как показал опыт его эксплуатации, присущи два существенных недостатка:
1. AVR-микроконтроллеры семейства ATtiny значительно уступают по критерию функциональной полноты AVR-микроконтроллерам семейства ATmega. Аналог не позволяет программировать AVR-микроконтроллеры семейства ATmega.
2. Кроме того, в аналоге, даже при программировании AVR-микроконтроллеров семейства ATtiny, возникают сбои при программировании микроконтроллеров на современных многоядерных или с тактовой частотой процессора 1,5 ГГц и более персональных компьютерах.
Известен прототип - Патент на полезную модель 89915 РФ. Бюл. 35 за 2009 год. «Программатор AVR-микроконтроллеров семейств ATmega и ATtiny» // Акиншин О.Н., Акиншин Н.С., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И. и др. Схема прототипа представлена в приложении 2 к данному описанию. В табл.2 представлена цоколевка (распиновка) AVR-микроконтроллеров семейства ATmega.
Таблица 2 | ||||||||||
п/п | ATmega | DIP | VCC (+) | GND (-) | MOSI | MISO | SCK | RESET | XTAL1 | XTAL2 |
1 | 8 | 28 | 7 | 8,22 | 17 | 18 | 19 | 1 | 9 | 10 |
2 | 8L | 28 | 7 | 8,22 | 17 | 18 | 19 | 1 | 9 | 10 |
3 | 48 | 28 | 7 | 8,22 | 17 | 18 | 19 | 1 | 9 | 10 |
4 | 48V | 28 | 7 | 8,22 | 17 | 18 | 19 | 1 | 9 | 10 |
5 | 88 | 28 | 7 | 8,22 | 17 | 18 | 19 | 1 | 9 | 10 |
6 | 88V | 28 | 7 | 8,22 | 17 | 18 | 19 | 1 | 9 | 10 |
7 | 168 | 28 | 7 | 8,22 | 17 | 18 | 19 | 1 | 9 | 10 |
8 | 168V | 28 | 7 | 8,22 | 17 | 18 | 19 | 1 | 9 | 10 |
9 | 16 | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
10 | 16L | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
11 | 32 | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
12 | 32L | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
13 | 164 | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
14 | 164V | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
15 | 324 | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
16 | 324V | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
17 | 644 | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
18 | 644V | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
19 | 8535 | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
20 | 8535L | 40 | 10 | 11,31 | 6 | 7 | 8 | 9 | 13 | 12 |
21 | 162 | 40 | 40 | 20 | 6 | 7 | 8 | 9 | 19 | 18 |
22 | 162V | 40 | 40 | 20 | 6 | 7 | 8 | 9 | 19 | 18 |
23 | 8515 | 40 | 40 | 20 | 6 | 7 | 8 | 9 | 19 | 18 |
24 | 8515L | 40 | 40 | 20 | 6 | 7 | 8 | 9 | 19 | 18 |
Прототип включает в себя (см. приложение 2): LPT-порт; микросхему 47НС244, включающую два четырехканальных управляемых буфера и подтягивающий резистор; сигнальное устройство на двух светодиодах и двух ограничительных резисторах; кварцевый генератор на двух кварцевых резонаторах (4,0 и 8,0 МГц), переключателе резонаторов и двух конденсаторах; компенсационный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе, кремниевом стабилитроне, балластном резисторе и двух конденсаторах фильтра; панель DIP-8 для программирования микроконтроллеров ATtiny85V, ATtiny85, ATtiny45V, ATtiny45, ATtiny25V, ATtiny25, ATtiny15L, ATtiny12L, ATtiny12V и ATtiny12; панель DIP-14 для программирования микроконтроллеров ATtiny84V, ATtiny84, ATtiny44V, ATtiny44, ATtiny24V и ATtiny24; первую панель DIP-20(1) для программирования микроконтроллеров ATtiny26L и ATtiny26; вторую панель DIP-20(2) для программирования микроконтроллеров ATtiny2313V и ATtiny2313; панель DIP-28 для программирования микроконтроллеров ATmega8, ATmega8L, ATmega48, ATmega48V, ATmega88, ATmega88V, ATmega168, ATmega168V, первая панель DIP-40(1) для программирования микроконтроллеров ATmega16, ATmega16L, ATmega32, ATmega32L, ATmega164, ATmega164V, ATmega324, ATmega324V, ATmega644, ATmega644V, ATmega8535 и ATmega8535L, вторая панель DIP-40(2) для программирования микроконтроллеров ATmega162, ATmega162V, ATmega8515 и ATmega8515L.
В прототипе устранены оба недостатка аналога, но опыт эксплуатации прототипа и анализ таблиц 1 и 2 выявили два существенных недостатка;
1. DIP-панели для установки программируемых AVR-микроконтроллеров не обеспечивают безошибочной установки микроконтроллера в соответствии с его цоколевкой (распиновкой) и при смене положения микроконтроллера на 180° в части случаев происходит смена полярности выводов VCC и GND, что в свою очередь приводит в 70-80% случаев к выходу из строя программируемых AVR-микроконтроллеров, т.к. максимальный ток выводов VCC и GND не превышает 200 мА. Такая ошибка при массовом производстве продукции (программировании микроконтроллеров) имеет достаточную вероятность, и ее нельзя не принимать во внимание.
2. Кроме того возможна ситуация когда вывод VCC AVR-микроконтроллера не имеет гальванического контакта с выводом VCC DIP-панели программатора или наоборот - когда вывод GND AVR-микроконтроллера не имеет гальванического контакта с выводом GND DIP-панели программатора. В такой ситуации программируемый AVR-микроконтроллер в достаточном количестве случаев выходит из строя в процессе программирования.
Полезной моделью решается задача обеспечения сохранения работоспособности программируемых AVR-микроконтроллеров при ошибочной установке AVR-микроконтроллеров в DIP-панели программатора с разворотом на 180° от нормального расположения - такие ситуации мы назвали нестандартными.
Поставленная задача достигается тем, что в программатор AVR-микроконтроллеров с контроллером защиты, содержащий LPT-порт, микросхему 47НС244 с подтягивающим резистором, сигнальное устройство на двух светодиодах и двух ограничительных резисторах, кварцевый генератор на двух кварцевых резонаторах с переключателем резонаторов и двух конденсаторах, стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе, кремниевом стабилитроне, балластном резисторе и двух конденсаторах фильтра, панели DIP-8, DIP-14 и две панели DIP-20 для программирования AVR-микроконтроллеров семейства ATtiny, панель DIP-28 и две панели DIP-40 для программирования AVR-микроконтроллеров семейства ATmega введен контроллер защиты, содержащий маломощный тиристор, резистор цепи управления тиристором, подстроечный измерительный резистор и нормально разомкнутую кнопку сброса.
За счет введения в предлагаемую полезную модель контроллера защиты, состоящего из маломощного тиристора марки КУ101Г, резистора цепи управления тиристором номиналом 2,2 кОм, подстроечного измерительного резистора номиналом 1,0 Ом и нормально разомкнутой кнопки сброса, обеспечивается сохранение работоспособности программируемых AVR-микроконтроллеров в нестандартных ситуациях при ошибочной установке AVR-микроконтроллеров в DIP-панели программатора с разворотом на 180° от нормального положения.
На фиг. изображена принципиальная электрическая схема устройства (полезной модели) - «Программатор AVR-микроконтроллеров с контроллером защиты».
Программатор avr-микроконтроллеров с контроллером защиты (см. фиг.) включает в себя: LPT-порт (DB 25M) 1, который подключается к компьютеру и имеет контакты 4 - (DATA2), 5 - (DATA3), 6 - (DATA4), 7 - (DATA5), 8 - (DATA6), 9 - (DATA7), 10 - (АСК), 2 и 12, 3 и 11 перемкнуты для опознавания программатора управляющей программой компьютера; микросхему 2 марки 74НС244 - два четырехканальных управляемых буфера; первое сигнальное устройство на резисторе 3 и светодиоде 4 и второе сигнальное устройство на резисторе 5 и светодиоде 6, предназначенные для визуального контроля записи и считывания информации микроконтроллера, соответственно; элементы кварцевого генератора, состоящего из двух конденсаторов 7 и 8, переключателя 9 и двух кварцевых резонаторов 10 (4 МГц) и 11 (8 МГц); компенсационный стабилизатор напряжения на 5 В, состоящий из балластного резистора 12, кремниевого стабилитрона 13, регулирующего транзистора 14, низкочастотного и высокочастотного конденсаторов фильтра 15 и 16, соответственно; подтягивающий резистор 17, обеспечивающий режим записи информации в микроконтроллер; панель DIP-8 18 для установки и программирования 8-выводных AVR-микроконтроллеров ATtiny85V, ATtiny85, ATtiny45V, ATtiny45, ATtiny25V, ATtiny25, ATtiny15L, ATtiny12L, ATtiny12V и ATtiny12; панель DIP-14 19 для установки и программирования 14-выводных AVR-микроконтроллеров ATtiny84V, ATtiny84, ATtiny44V, ATtiny44, ATtiny24V, ATtiny24; первую панель DIP-20(1) 20 для установки и программирования 20-выводных AVR-микроконтроллеров ATtiny26L, ATtiny26; вторую панель DIP-20(2) 21 для установки и программирования 20-выводных AVR-микроконтроллеров ATtiny2313V, ATtiny2313; панель DIP-28 22 для установки и программирования 28-выводных AVR-микроконтроллеров ATmega8, ATmega8L, ATmega48, ATmega48V, ATmega88, ATmega88V, ATmega168, ATmegal68V; первую панель DIP-40(1) 23 для установки и программирования 40-выводных AVR-микроконтроллеров ATmega16, ATmega16L, ATmega32, ATmega32L, ATmega164, ATmega164V, ATmega324, ATmega324V, ATmega644, ATmega644V, ATmega8535, ATmega8535L; вторую панель DIP-40(2) 21 для установки и программирования 40-выводных AVR-микроконтроллеров ATmega162, ATmega162V, ATmega8515 и ATmega8515L; DIP-панели 18, 19, 20, 21, 22, 23 и 24 с одноименными сигналами (MOSI, SCK, XTAL1, XTAL2, RESET, MISO, VCC и GND) электрически соединены, так например, по сигналу MOSI электрически соединены: вывод 5 панели 18, вывод 7 панели 19, вывод 1 панели 20, вывод 17 панели 21, вывод 17 панели 22, вывод 6 панели 23 и вывод 6 панели 24 и т.п.; маломощный тиристор 25; резистор цепи управления 26 тиристора 25; подстроечный измерительный резистор 27 и нормально разомкнутая кнопка сброса 28 (элементы 25-28 являются контроллером защиты программатора).
Полезная модель - «Программатор AVR-микроконтроллеров с контроллером защиты» (см. фиг.) может работать в двух режимах: режиме программирования и аварийном (нестандартном) режиме.
В режиме программирования (см. фиг.) микроконтроллер, подлежащий программированию, вставляется в соответствующую панель программатора 18, 19, 20, 21, 22, 23 или 24. LPT-порт 1 программатора подключается к LPT-порту персонального компьютера. Для современных компьютеров (многоядерных или с тактовой частотой процессора 1,5 ГГц и более) переключатель 9 программатора устанавливается в правое по схеме положение (это соответствует частоте 8 МГц), а в противном случае - в левое по схеме положение (4 МГц). На компьютере устанавливается одна из известных управляющих программатором программ (например, управляющая программа «IC-Prog» с сайта http://www.ic-prog.com или управляющая программа «PonyProg» с сайта http://www.lancos.com). Далее в управляющую программу заносится полученный любым из известных способов НЕХ-файл алгоритма работы микроконтроллера. Затем управляющая программа подает сигналы на LPT-порт 1 программатора и последний, в процессе программирования, включает и выключает верхний и нижний буферы микросхемы 2, чем организует обмен информацией управляющей программы с программируемым микроконтроллером:
- под воздействием тактового сигнала SCK входные данные MOSI, а в них входят НЕХ-файлы памяти программ flash и памяти данных eeprom для программируемого микроконтроллера, записываются в микроконтроллер;
- под воздействием тактового сигнала SCK выходные данные микроконтроллера MISO, а в них входят НЕХ-файлы памяти программ flash и памяти данных eeprom запрограммированного микроконтроллера, выводятся для контроля и записываются в управляющую программу компьютера;
- команда RESET переводит микроконтроллер в режим программирования, далее в режим контроля результатов программирования, и при благоприятном исходе осуществляет сброс схемы - микроконтроллер запрограммирован.
В аварийном (нестандартном) режиме (см. фиг.) ток через выводы VCC и GND, вставленного неверно в программатор микроконтроллера, достигает аварийного значения 200 мА. Падение напряжения между катодом маломощного тиристора 25 и движком подстроечного измерительного резистора 27 достигает значения менее или равного 200 мВ, которое через резистор цепи управления 26 открывает маломощный тиристор 25.
Открытый маломощный тиристор 25 и подстроечный измерительный резистор 27 шунтируют кремниевый стабилитрон 13, и напряжение на выводах VCC и GND не превысит 200 мВ, что сохраняет программируемый AVR-микроконтроллер исправным. Далее необходимо неверно установленный микроконтроллер вынуть из DIP-панели программатора и нажать кнопку сброса 28. Напряжение на выводах VCC и GND восстанавливается до 5 В. Тетерь микроконтроллер необходимо правильно вставить в DIP-панель программатора и запрограммировать его.
Таким образом, введение в полезную модель контроллера защиты (см. фиг.), состоящего из: маломощного тиристора 25 марки КУ101Г с допустимым прямым током до 75 мА, временем включения 2 мкс, напряжением отпирания не более 200 мВ, обратным напряжением до 50 В; резистора номиналом 2,2 кОм 26 цепи управления тиристором 25; подстроечного измерительного резистора 27 номиналом 1,0 Ом и нормально разомкнутой кнопки сброса 28, обеспечивает сохранение работоспособности программируемых AVR-микроконтроллеров в нестандартных ситуациях, то есть при ошибочной установке AVR-микроконтроллеров в DIP-панели программатора с разворотом на 180° от нормального положения. Необходимо заметить, что параметры маломощного тиристора 25 марки КУ101Г имеют разброс, например, экспериментально установлено, что в серии из 50-ти тиристоров КУ101Г напряжение отпирания колебалось от 50 мВ до 200 мВ, поэтому после изготовления полезной модели необходимо осуществить настройку контроллера защиты, которая сводится к выполнению следующих операций:
1. Установить движок подстроечного измерительного резистора 27 в крайнее положение - к катоду тиристора 25.
2. В выводы программатора VCC и GND (например, выводы 8 и 4 DIP-панели 18) вставить постоянный резистор номинала 24 Ом и параллельно ему к выводам программатора VCC и GND (например, DIP-панели 24) подключить мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения.
3. Подать на программатор (см. фиг.) на клеммы «+8 В» и «-8 В» постоянное напряжение 8±1 В.
4. Мультиметр, подключенный параллельно постоянному резистору номинала 24 Ом, покажет постоянное напряжение 5±0.1 В, а ток через резистор при этом составляет примерно 200 мА.
5. Медленно передвигая движок подстроечного измерительного резистора 27 добиться скачкообразного снижения напряжения, измеряемого мультиметром, с показаний 5±0.1 В до 0,1-0,2 В, зафиксировать краской положение движка подстроечного измерительного резистора 27.
6. Вынуть резистор номинала 24 Ом из DIP-панели 18, а показания мультиметра останутся прежними 0,1-0,2 В.
7. Нажать и отпустить нормально разомкнутую кнопку сброса 28 и напряжение на мультиметре восстановится до 5±0.1 В - контроллер защиты программатора настроен и полезная модель готова к работе.
Программатор AVR-микроконтроллеров с контроллером защиты, содержащий LPT-порт, микросхему 47НС244 с подтягивающим резистором, сигнальное устройство на двух светодиодах и двух ограничительных резисторах, кварцевый генератор на двух кварцевых резонаторах с переключателем резонаторов и двух конденсаторах, стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе, кремниевом стабилитроне, балластном резисторе и двух конденсаторах фильтра, панели DIP-8, DIP-14 и две панели DIP-20 для программирования AVR-микроконтроллеров семейства ATtiny, панель DIP-28 и две панели DIP-40 для программирования AVR-микроконтроллеров семейства ATmega, отличающийся тем, что в устройство введен контроллер защиты, содержащий маломощный тиристор, резистор цепи управления тиристором, подстроечный измерительный резистор и нормально разомкнутую кнопку сброса.