После знакомства с Arduino вы могли заметить, что в некоторых аспектах это устройство не очень-то удобно. Лично у меня провода между Arduino и макетной платой постоянно отваливаются, да и места эта конструкция занимает многовато. К счастью, микроконтроллер ATmega328P, на базе которого работает Arduino Uno, можно легко извлечь из устройства. Нужно только воткнуть под него пинцет сначала с одной стороны, а затем с другой. Учитывая, что помимо ATmega328P в Arduino Uno не так уж много компонентов, интересно, удастся ли нам собрать свою Arduino прямо на макетке?

Fun fact! Аналогичную заметку про STM32 ищите здесь — Используем STM32 безо всяких отладочных плат .

Использование запрограммированного ATmega328P

Зальем в микроконтроллер программу Blink и извлечем его описанным выше способом. Только запомните, как стоял микроконтроллер в вашей Arduino на случай, если захотите потом вставить его обратно. На моей Arduino Uno микроконтроллер стоит головой вниз от USB разъема и кнопки Reset. Хотя интуитивно я бы вставлял его с точностью до наоборот.

В сети не сложно найти объяснение, какие пины ATmega328P каким входам и выходам Arduino соответствуют:

Выглядит не сложно. Сайт же производителя говорит нам , что микроконтроллер рассчитан на работу при напряжении от 1.8 до 5.5 В. Похоже, теперь мы знаем все, что нужно.

Итак, пошаговая инструкция по сборке Arduino на макетной плате:

1. Подключаем конденсатор на 100 мкФ в качестве сглаживающего фильтра. Если вы можете использовать от 7.5 до 9 В, вместо него лучше использовать стабилизатор напряжения LM7805. Как он подключается ранее рассказывалось в посте Интегральные схемы: чипы стандартной логики 74xx . Также можно добавить светодиод для индикации, что напряжение подано. В общем, обычная подготовка.
2. Пин 1 — это Reset. Его подключаем через резистор на 10 кОм к плюсу, а через кнопку — к минусу. Если же кнопка Reset вам не нужна, можно подключить напрямую к плюсу.
3. Пин 7 (VCC) подключаем к плюсу, пины 8 и 22 (GND) — к земле. Пины 20 (AVCC) и 21 (AREF) подключаем к плюсу.
4. Между пинами 9 и 10 ставится кварцевый резонатор на 16 МГц. Подобно резистору, его все равно, как подключать. Затем сами пины подключаются к земле через конденсаторы на 22 пФ.
5. Опционально: так как в микроконтроллер сейчас залита программа Blink, к пину 19 (в Arduino это цифровой пин 13) можно подключить светодиод, который через резистор на 220 Ом идет к земле.

Если все было сделано правильно, после включения цепи вы увидите, как микроконтроллер мигает светодиодом. Но это только пол дела. Сейчас, чтобы запрограммировать чип, нам придется вставлять его обратно в Arduino, запрограммировать, затем извлечь и вставить обратно в макетку. Спрашивается, а нельзя ли как-то поудобнее?

Программирование микроконтроллера без Arduino

Оказывается, что можно. Для этого нам понадобится преобразователь USB-UART на базе чипа FT232 . Они бывают разные. Для нас главное, чтобы устройство имело выходы VCC, GND, TXD и RXD, остальные не потребуются. Лично я использовал самое простое устройство ценой менее 9$. Если у вас такого преобразователя нет и вы не хотите ждать его доставки, можно обойтись и без него. На мой взгляд, альтернативный способ сильно менее удобен. Ему далее будет посвящен отдельный параграф.

Примечание: Существуют аналогичные преобразователи на базе чипов CP2102, PL2303 и CH340.

Итак, питание для цепи можно подавать прямо от USB — надеюсь, что такое VCC и GND к этому моменту вы уже знаете. На моем FT232 есть перемычка, позволяющая выбирать напряжение — 3.3 В или 5 В. Проверьте, что у вас выбрано нужное вам напряжение. Затем пин 2 (RX) микроконтроллера подключаете к пину TX вашего FT232, а пин 3 (TX) — соответственно к пину RX преобразователя. Почти готово, но так просто залить новую программу не получится:

Чтобы все заработало, нужно нажатием соответствующей кнопки сделать микроконтроллеру Reset и в течение одной секунды нажать Ctr+U в Arduino IDE, выполнить make upload или как вы там вызываете avrdude. Связано это с тем, что сразу после перезапуска ATmega328P управление получает специальная программа-бутлоадер, которая ждет данных по UART. Если они поступают в течение одной секунды, то во flash-память микроконтроллера заливается новая прошивка. Если нет, то управление передается той прошивке, что уже есть.

Окончательный вид самопальной Arduino:

К сожалению, описанные выше шаги не будут работать, если вы просто купите ATmega328P без Arduino. Дело в том, что в нем почти наверняка не будет записано никакого бутлоадера. Его можно записать прямо в Arduino IDE, но для этого нужно специальное устройство, программатор . Что делать, если его нет?

Загрузка бутлоадера

Как ни странно, но можно воспользоваться Arduino. Отсоединяем FT232, а затем подсоединяем Arduino к микроконтроллеру таким образом:

Здесь подключено питание, цифровой пин 10 идет на пин 1 (Reset) ATmega328P, цифровые пины 11, 12 и 13 идут на те же самые пины микроконтроллера, физически это пины 17, 18 и 19. В Arduino IDE жмем File → Examples → 11. ArduinoISP → ArduinoISP, жмем Upload. Только что вы превратили вашу Arduino в программатор. Затем выбираем Tools → Programmer → Arduino as ISP и, наконец, говорим Tools → Burn Bootloader.

Arduino IDE может показать вам такую ошибку:

На самом деле, это всего лишь предупреждение, а не ошибка. Теперь можно отключить Arduino и попытаться загрузить на микроконтроллер программу Blink. Поздравляю, бутлоадер загружен!

Как обойтись без FT232

Выше я обещал рассказать, как можно обойтись без FT232. Оказывается, что на самой Arduino уже есть все необходимое, а именно — еще один микроконтроллер ATmega16U2, с прошивкой, делающей из него USB-AURT преобразователь .

Пример использования Arduino в качестве преобразователя USB-UART:

Микроконтроллер из платы следует извлечь. Питание подключается как обычно. Выходы Reset, RX и TX подключаются к соответствующим пинам ATmega328P (номер 1, 2 и 3 соответственно). Заметьте, что здесь RX подключается к RX, а TX — к TX, а не наоборот, как при использовании FT232. Итак, подключаем к USB и используем, как обычную Arduino.

Заключение

Фактически, теперь мы знаем, как впаять микроконтроллер в плату. Что не менее важно, теперь не нужно возиться с этими громоздкими Arduino и их постоянно отваливающимися проводами. Вместо этого все можно делать прямо на макетной плате. Удобно!

Интересно, что на самом деле можно обойтись без кварцевого резонатора и двух конденсаторов, используя внутренние часы микроконтроллера. Для этого нам понадобится программатор (который фактически у нас уже есть), понимание, что такое fuse bits и как использовать микроконтроллер без бутлоадера, а также умение пользоваться avrdude напрямую из консоли. Но эти вопросы я освещу как-нибудь в другой раз.

А вы программируете Atmega328P прямо на макетной плате или все же предпочитаете использовать Arduino?

Дополнение: Если же вы хотите собрать не Arduino Uno, а Arduino Leonardo, это делается не намного сложнее. Даташит используемого в нем микроконтроллера ATmega32U4 можно найти, например, здесь [PDF] , а соответствие между пинами микроконтроллера и пинами Arduino — здесь . Пины, помеченные в даташите, как UVcc и VBus, подключаются к плюсу, UGnd — к минусу, UCap — к минусу через конденсатор на 1 мкФ, а помеченные D- и D+ — к соответствующим пинам USB-разъема. Все остальное — по аналогии с ATmega328P.