Arduino na nepájivém poli

Pro první experimenty jsou oficiální Arduino desky plně dostačující, jelikož většina projektů které začátečník realizuje jsou jednoduché hříčky, které jsou realizovány na nepájivém poli. Každý začátečník ale jednou z těchto jednoduchých projektů vyroste a začne přemýšlet, jak realizovat něco trvalejšího.

Bez ohledu na to, jaký projekt budete chtít vytvořit, použít plnohodnotnou Arduino desku ve finálním výrobku je neekonomické a navíc technicky zbytečné (zabírá velkou plochu, má velkou spotřebu, …). Dobrá zpráva je, že Arduino lze velmi jednoduše realizovat na nepájivém poli nebo na univerzálním plošném spoji a stačí k tomu cca 6 součástek.

Nejprve se podívejme na schéma oficiální desky Arduina Una a ukažme si, které části obvodu jsou zbytečné (zbytečné samozřejmě nejsou, jenom pro nás na nepájivém poli nejsou důležité).

Toto kompletní schéma Arduina obsahuje kromě samotného mikrokontroléru a ještě obvod pro stabilizaci napájecího napětí, obvod pro komunikaci s osobním počítačem přes USB (převodník USB-UART) a množství konektorů, které usnadňují práci během vývoje.

Schéma zapojení

Pokud z oficiální desky Arduina odstraníme konektory, obvod pro stabilizaci napájení i obvod pro komunikaci s osobním počítačem, vznikne nám malý obvod obsahující asi 6 součástek. Jeho schéma je na obrázku níže

Je důležité si uvědomit, že celé zapojení je minimalizované jen na nejnutnější součástky. Na nepájivém poli tak sice vznikne obvod kompatibilní s Arduinem Unem, který půjde programovat pomocí Arduino IDE (anebo pomocí Makefile), ale neobsahuje žádné ochranné prvky. Je tedy potřeba dávat veký pozor na velikost a polaritu napájecího napětí, na zkraty a podobně.

Kondenzátor C4 umístěte co nejblíže mikrokontroléru, funguje jako blokovací kondenzátor vůči vysokofrekvenčním signálům, které se mohou v obvodu objevit.

Na schématu jsou dvě součástky, které jsou navíc. Tzn. nejsou povinné a pokud je vynecháme, nic se neděje. Jsou to LED1 a rezistor R1. Tato LED je připojena k pinu PB5, což na Arduinu odpovídá digitálním pinu D13.

Seznam potřebných součástek

Ještě jednou si přehledně vypíšeme seznam potřebných součástek k sestavení obvodu kompatibilního s Arduinem:

• R2 – rezistor 10 kΩ
• C1 – keramický kondenzátor 100 nF
• C2 – keramický kondenzátor 22 pF
• C3 – keramický kondenzátor 22 pF
• C4 – keramický kondenzátor 100 nF
• Q1 – krystal 16 MHz
• U1 – mikrokontrolér ATMega328P

Pokud budete k minimálnímu Arduinu chtít připojit i LED k digitálnímu pinu D13, pak ještě potřebujete:

• R1 – rezistor 1 kΩ
• LED1 – zelená LED

Pozor, mikrokontrolér ATMega328P musí mít ve své paměti nahraný bootloader, viz text dále.

Programování pomocí Arduino IDE

Nyní máme na nepájivém poli sestaven obvod, který můžeme nazvat například miniaturní Arduino. Abychom jej mohli programovat pomocí Arduino IDE, je nutné k obvodu připojit převodník USB na UART. To je obvod, který se na straně osobního počítače chová jako sériová linka. Cokoliv na tuto linku pošleme se objeví na jeho výstupu jako série bajtů. Arduino IDE bude tento převodník využívat k naprogramování mikrokontroléru.

K tomuto účelu můžete zvolit vpodstatě libovolný UART převodník. Jediná podmínka je, aby měl vyveden pin s označením DTR, který použijeme k resetu Arduina. Převodník na obrázku výše má tento pin vyveden na horní straně desky, na pinu vlevo označeném písmeny J3.

Tento převodník se připojí k Arduinu následujícím způsobem:

• RX na převodníku k pinu PD0 na ATMega,
• TX na převodníku k pinu PD1 na ATMega,
• GND na převodníku k GND na ATMega,
• 5V na převodníku k VCC na ATMega,
• DTR na převodníku ke kondenzátoru C1.

Poslední řádek je nejdůležitější. Signál DTR z převodníku je potřeba připojit ke kondenzátoru C1, jehož druhý vývod je připojen k mikrokontroléru. To způsobí, že poté co v Arduino IDE klikneme na tlačítko upload, mikrokontrolér se automaticky restartuje a poté i naprogramuje.

V tomto okamžiku ještě jednou zkontrolujte správnost celého zapojení včetně UART převodníku a pokud je vše v pořádku, připojte převodník k osobnímu počítači. Pokud připojujete převodník poprvé a používáte operační systém Windows, je pravděpodobné že bude potřeba nainstalovat ovladače.

Teď již stačí spustit Arduino IDE, vybrat program který chceme do Arduina nahrát a kliknout na tlačítko upload. Pokud je vše zapojeno bez chyby, programování proběhne až do konce.

Značení pinů mikrokontroléru

Oficiální deska Arduino Uno používá k označení digitálních pinů písmeno D a čísla od 0 do 13. K označení analogových pinů je to písmeno A a čísla 0 až

1. V katalogovém listu mikrokontroléru ATMega328P toto označení ale nenajdete.

Následující obrázek nám ulehčí orientaci v tom, který pin odpovídá kterému číslu.

Bootloader neboli zavaděč

Srdcem Arduina Una a našeho zjednodušeného zapojení je mikrokontrolér ATMega328P. Tento MCU od firmy Atmel má celkem 32 kB paměti flash do které se programuje uživatelský kód. Od výroby je tato paměť prázdná a k jejímu naprogramování slouží tzv. programátor. Originální Arduino však tento programátor nepoužívá, místo něj si vystačí jenom v převodníkem USB-UART. Jak docílit toho, aby se stejně choval i náš mikrokontrolér?

Mikrokontroléry v deskách Arduina obsahují na konci paměti flash speciální kód, kterému se říká bootloader. Ten je spouštěn po resetu MCU a kontroluje, jestli se uživatel snaží komunikovat po rozhraní UART. Pokud ne, spustí se uživatelský kód na začátku paměti flash. Pokud ale uživatel po resetu odešle na UART speciální sekvenci znaků, mikrokontrolér začne z UARTu číst data a sám sebe programovat. Jak to celé funguje není pro nás příliš zajímavé, pokud byste se o tomto procesu chtěli dozvědět více, můžete si přečíst článek bootloader v mikrokontrolérech AVR.

Z předchozího odstavce si zapamatujme jedno: aby se ATMega328P chovala stejně jako Arduino, musí mít v paměti bootloader. Bez něj nebude naše minimální Arduino na nepájivém poli vůbec fungovat.

ATMega328P s Arduino bootloaderem se dá sehnat dvěma způsoby:

• buď si ji koupíme s již nahraným bootloaderem
• nebo si do ní bootloader sami naprogramujeme.

První variantu doporučuji začátečníkům. Druhá varianta je pro zkušenější uživatele kteří navíc vlastní AVR programátor.

Nejdříve sestavte minimální Arduino na nepájivém poli a poté k němu připojte ISP programátor. Pomocí něj nahrajte do mikrokontroléru HEX soubor s bootloaderem – najdete jej v oficiálním Git repozitáři Arduina ve složce bootloaders/optiboot. Je to soubor optiboot_atmega328.hex.

Zároveň naprogramujte následující fuses:

• HFUSE = 0xDE
• LFUSE = 0xFF
• EFUSE = 0x05

Tyto fuses v MCU aktivují bootloader sekci, externí 16 MHz krystal a další.

Pokud se vše podařilo, máme nyní na stole plně funkční obvod s ATMega328P, který se dá programovat přes USB-UART převodník pomocí Arduino IDE.

TODO:

• podrobně jak se programuje,
• jak nahrát bootloader do MCU,