Программаторы и программирование микроконтроллеров

А. ДОЛГИЙ, г. Москва

Ставшие сегодня обычными радиолюбительские конструкции на микроконтроллерах подкупают простотой схемы и широкими возможностями. Однако прежде, чем собранное устройство заработает, микроконтроллер, в отличие от традиционных интегральных микросхем, выпускаемых с завода "готовыми к употреблению", необходимо "обучить". Для этого в его память нужно занести программу — последовательность команд, исполняя которые микроконтроллер будет делать все, что требуется.

Программу обычно составляют параллельно с разработкой схемы и конструкции прибора и окончательно отлаживают, испытывая готовое изделие. Мы не будем вникать в многочисленные возникающие при этом проблемы. Наша задача — научиться заносить в микроконтроллер готовую программу.
Что будем записывать
Обычно в описании прибора программа, по которой должен работать микроконтроллер, представлена таблицей кодов — их следует занести в память микроконтроллера. Вот фрагмент такой таблицы в так называемом НЕХ-формате (табл. 1):

Таблица 1
:1000C000A60C2618652805126728051600003F2093
:1000D000A60C26186D2805126F28051600003F2073
:1000E000A60C2618752805127728051600003F2053
:1000F000A60C26187D2805127F28051600003F2033
:10010000A60C2618852805128728051600003F2012
:100110000000000000000000000005163F203F2006
:10012000000000000000000000000800FF3FFF3F4B

Подробнее о нем можно прочитать, например в [1, 2].

Напомним, микроконтроллеры работают в двоичной системе счисления, различая лишь по два состояния (0 и 1) каждого из своих выводов, многочисленных ячеек памяти и других внутренних узлов. Большинство двоичных ячеек-разрядов для ускорения и удобства выполнения различных операций над их содержимым объединены в группы — восьмиразрядные байты и более длинные слова. В публикуемых таблицах исключительно для удобства их восприятия человеком помещают не двоичные, а шестнадцатиричные изображения программных кодов. Каждые четыре двоичных цифры заменяют одной шестнадцатиричной:
0000 — 0      0100 — 4      1000 — 8      1100 — С
0001 — 1      0101 — 5      1001 — 9      1101 — D
0010 — 2      0110 — 6      1010 — А      1110 — Е
0011 — 3      0111 — 7      1011 — В      1111 — F

Куда будем записывать
Внутреннюю память программ микроконтроллера в варианте, допускающем многократное изменение содержимого, часто называют FLASH-памятью, хотя этот термин характеризует ее устройство и принцип действия, а не функциональное назначение. Кроме программной имеется, как правило, и внутренняя электрически изменяемая память данных (EEPROM) для хранения различного рода констант, подбираемых в процессе настройки готового изделия или время от времени корректируемых в процессе эксплуатации.
Частью внутренней перепрограммируемой памяти микроконтроллера можно считать и конфигурационные ячейки — своего рода переключатели, управляющие некоторыми узлами микроконтроллера. Записав в эти ячейки нули или единицы, такие узлы можно включить, выключить, установить нужный режим их работы. Учтите, сделать это можно лишь в процессе программирования. Исполняемая микроконтроллером программа ни проверить его конфигурацию, ни изменить ее не может. Именно неправильно заданная конфигурация часто единственная причина неработоспособности отлаженной и неоднократно проверенной программы.
Среди конфигурационных есть ячейки, управляющие защитой памяти. Включив ее, делают содержимое внутренней памяти недоступным для любых внешних воздействий кроме полного стирания. Только уничтожив всю хранившуюся информацию, удастся отключить защиту. Таким образом предотвращают несанкционированное копирование программы. Учтите, однажды включенную защиту памяти микроконтроллера, рассчитанного на однократное программирование (ОТР), уже не отключить никаким способом.

Как будем записывать
В обычном рабочем режиме внутренняя память микроконтроллера для внешнего доступа закрыта. Чтобы получить возможность читать и записывать информацию, нужно подать на определенные выводы микросхемы специальную комбинацию уровней напряжения, не встречающуюся при обычной работе. У большинства современных микроконтроллеров для программирования предусмотрен последовательный интерфейс (не путать с интерфейсом, служащим для связи микроконтроллера с другими устройствами в рабочем режиме). Это значит, что двоичные значения кодов и команд, управляющих процессом программирования, подают на предназначенный для этого вывод микросхемы поочередно разряд за разрядом, сопровождая синхронизирующими импульсами на другом выводе. Таким образом в процессе программирования активно участвуют всего две цепи. Иногда требуется еще одна — для вывода (тоже последовательным кодом) содержимого памяти и ответов микроконтроллера на команды, управляющие программированием. Но во многих случаях двустороннюю связь организуют по одной цепи.
Переход с параллельного интерфейса программирования, требовавшего задействовать почти все выводы микроконтроллера, на последовательный привел к значительному упрощению программаторов — устройств для занесения информации во внутреннюю память. Еще больше упростил их перенос внутрь микроконтроллеров довольно сложной автоматики программирования, формирующей импульсы строго определенной длительности и повышенного напряжения. Внутрь переместились и сами источники этого напряжения. Внешнее напряжение, отличающееся от обычного, требующегося для питания микроконтроллера если и подают, то лишь как сигнал переключения последнего в режим программирования.
В аппаратной части программатора остаются один-два электронных ключа, и два-три буферных элемента, согласующих входы и выходы микроконтроллера с внешними цепями. Основная часть работы по формированию и анализу последовательностей импульсов во время программирования возложена на управляющий этим процессом компьютер.
Часто задают вопрос, нельзя ли записать программу в микроконтроллер, не имея компьютера? Ответ неожиданный: можно. В принципе достаточно переключателя, чтобы устанавливать на входе программирования уровни 0 или 1 в соответствии с кодовой таблицей, и кнопки для подачи синхроимпульсов. Естественно, кнопка и переключатель должны быть снабжены узлами подавления "дребезга" контактов. Оперируя этими органами вполне возможно занести в память микроконтроллера всю программу.
Беда в том, что самая простая программа состоит из нескольких сотен нулей и единиц, а в более сложных их тысячи. Многие ли обладают достаточным терпением и аккуратностью, чтобы безошибочно все это набрать вручную? Ведь после любого сбоя придется повторять работу с самого начала. Лучше уж поручить эти однообразные операции компьютеру.

Программатор = адаптер + управляющая программа
Прежде, чем продолжить рассказ, разберемся немного в терминологии. Слово "программатор" употребляют сегодня как минимум в двух значениях. Во-первых, это устройство, с помощью которого соединяют компьютер (источник данных) с микросхемой, в которую должны быть занесены эти данные. Этот прибор правильнее называть адаптером программирования. Во-вторых, программатор — программа, под управлением которой компьютер формирует все необходимые для записи данных в микроконтроллер сигналы на выводах одного из своих портов (того, к которому подключают адаптер).
Путаница в понятиях нередко приводит к взаимному непониманию в спорах о том, какой программатор лучше. Один утверждает, что программатор А, его можно собрать за день. Второй — что программатор Б, он удобнее в пользовании. Действительно, адаптер А очень прост, но сопровождающая его программа А неудобна. Сложный в изготовлении адаптер Б работает под управлением программы Б, оснащенной многими сервисными функциями. Так что оба правы. Но нередко спорящим невдомек, что адаптер А вполне может работать с программой Б и наоборот. Именно такая ситуация будет рассмотрена ниже.

Как подключить адаптер
Для связи компьютера с программируемым микроконтроллером через адаптер пригодны два вида стандартных портов, известных под аббревиатурами LPT и СОМ. То, что порт LPT параллельный, а СОМ последовательный, в данном случае значения не имеет. Важна возможность формировать нужные импульсы, программно изменяя уровни напряжения на отдельных линиях этих портов, и "читать" ответные сигналы микроконтроллера. Число практически равноправных выходных и входных линий вполне достаточно в портах обоих типов. Поэтому с точки зрения правильности и скорости программирования подключение адаптера, к порту того или иного типа, не дает никакого выигрыша.
Некоторое преимущество СОМ-порта состоит в том, что из его выходных сигналов легко получить не только напряжение +5 В мощностью, достаточной для питания самого адаптера и программируемой микросхемы, но и + 12 В для переключения в режим программирования микроконтроллеров, например, серии PICmicro (более известных под названием PIC-контроллеры). Здесь удается обойтись без дополнительного внешнего источника питания, который как правило необходим LPT-адаптерам. Хотя известны конструкции с питанием и от такого порта [31].
К тому же к розетке порта LPT1 в компьютере обычно подключен принтер, который на время работы с программатором приходится отключать. Очень редко компьютеры бывают снабжены вторым параллельным портом LPT2, к которому можно подключить адаптер, не отключая принтер от LPT1. Справедливости ради нужно сказать, что современные принтеры все чаще снабжают интерфейсом USB и порт LPT остается свободным.
Весьма заманчиво было бы использовать USB для связи компьютера с адаптером программирования. Прежде всего потому, что в этом интерфейсе специально предусмотрена подача на подключаемое устройство от компьютера питающего напряжения 5 В. К сожалению, организация аппаратного и программного взаимодействия по этому интерфейсу довольно сложна. Так что разработка USB-программатора — дело будущего.
Последовательных портов в компьютере обычно два (СОМ1 и COM2), адаптер можно подключить к любому. Но вилки этих портов зачастую разнотипны. Одна из них, как правило, СОМ1, девяти-, а COM2 — 25-контактная, что нужно учитывать при изготовлении адаптеров. При несовпадении типа разъемов можно приобрести переходник или изготовить его по схеме, показанной на рис. 1. Для подключения адаптера с 25-контактной розеткой к девятиконтактной вилке порта разъем Х1 должен быть розеткой (с буквенным индексом F), a X2 — вилкой (с индексом М). В противоположном случае — наоборот.
Длина соединительных кабелей, шлейфов или проводов компьютер— адаптер и адаптер—программируемая микросхема во всех случаях должна быть минимальной — 0,2...0,5 м. Понятно, это доставит некоторые неудобства, так как разъемы портов размещены на обычно труднодоступной тыльной стороне корпуса системного блока. Но придется смириться с неудобствами. Именно длинные провода — одна из главных причин сбоев в процессе программирования.

Sl-Prog — программируем все
Описание сравнительно несложного адаптера, предназначенного для работы под управлением известной программы PonyProg, было опубликовано в [1]. Рекомендации по его проверке можно найти в [4]. Адаптер состоит из основной платы, подключаемой к разъему СОМ-порта, и нескольких сменных плат-переходников с панелями для программируемых микросхем различных типов, в том числе микроконтроллеров самых распространенных серий PICmicro, AVR и AT89S.  Среди радиолюбителей за этим устройством закрепилось название PonyProg, хотя К. Ланконелли (Lanconelli), автор исходного варианта адаптера и обслуживающей его программы, предпочитает называть свой адаптер Sl-Prog. Будем следовать его примеру.

Адаптеры для PICmicro
Фирма Microchip (разработчик микроконтроллеров серии PICmicro) рекомендует для их программирования адаптер по схеме, показанной на рис. 2.

Ее оригинал приведен в фирменном руководстве по применению (application note) AN589 http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00589a.pdf , под тем же названием известен и сам адаптер. Его вилку XS1 соединяют с 25-контактной розеткой порта LPT на корпусе системного блока компьютера. Соединение с общим проводом (GND) цепей BUSY и РЕ дает возможность управляющей программе определить, что к LPT-порту подключен именно адаптер. Если разъем порта свободен или к нему подключен принтер, сочетание логических уровней в этих цепях иное.
Напряжение +13,5 В подают от любого источника, способного отдать ток не менее 50 мА. Микросхема DA1 — стабилизатор напряжения 5 В. На транзисторах VT1—VT3 собран узел управления напряжением в цепи, переводящей микроконтроллер в режим программирования. В зависимости от логических уровней на линиях DATA4 и DATA5 оно принимает три значения: 0, 5 и 12 В.
Выводы различных микроконтроллеров подключают к адаптеру в соответствии с табл. 2.
 

Примечание. Назначение выводов модификаций микроконтроллеров в корпусах других типов может не совпадать с указанным в таблице.

Цепь PGM имеется только у микроконтроллеров с двумя вариантами режима программирования: обычным для PICmicro "высоковольтным", включаемым подачей в цепь MCLR напряжения +12 В, и "низковольтным" (low voltage programming, LVP), для которого достаточно +5 В. Режим LVP имеет некоторые отличия от обычного и учтены они далеко не во всех программах, управляющих программированием. Чтобы независимо от установленной ранее конфигурации микроконтроллера разрешить высоковольтное программирование, вывод PGM необходимо соединить с VSS (общим проводом). Учтите, это должно быть сделано до подачи на микроконтроллер напряжения питания.
Иногда рекомендуют включать в цепь PGM последовательно резистор номиналом 240 Ом. Логический уровень на соответствующем выводе микроконтроллера во время программирования останется низким, но вывод будет защищен от перегрузки в случае, если занесенная в память программа "вдруг" начнет исполняться и окажется, что в ней предусмотрена настройка соответствующего разряда порта на вывод и запись в него лог. 1.
К выводу OSC1 в рабочем режиме микроконтроллера подключают один из выводов кварцевого резонатора или другого частотозадающего элемента. Хотя тактовый генератор во время программирования заблокирован, некоторые управляющие программы переводят микроконтроллер в этот режим слишком медленно. Если в процессе переключения генератор все-таки успеет совершить несколько колебаний, исходное состояние программного счетчика микроконтроллера станет не нулевым. Это приведет к записи программных кодов не в те ячейки, для которых они предназначены. Чтобы исключить сбои по этой причине и надежно заблокировать работу тактового генератора, вывод OSC1 рекомендуют на время программирования соединить с общим проводом непосредственно или через конденсатор сравнительно большой емкости (СЗ на рис. 2), хотя "официальные" протоколы программирования этого и не требуют.
Не указанные в табл. 2 выводы микроконтроллеров во время программирования можно оставить свободными. Они находятся, как правило, в высокоимпедансном состоянии. Если же к ним все-таки подключены какие-нибудь внешние элементы, на ход и результат программирования они не повлияют.

Среди адаптеров для PICmicro, подключаемых к порту СОМ и не требующих дополнительного источника питания, популярностью пользуется так называемый JDM. Его схема, изображенная на рис. 3, содержит ряд решений "на грани фола", тем не менее адаптер зарекомендовал себя с наилучшей стороны.
В исходном варианте он предназначен для микроконтроллеров PIC12C508, PIC12C509, PIC16C84 (устаревший вариант PIC16F84) и микросхем памяти с  интерфейсом I²С. Их программируют, вставляя в панель XS2 различным образом, как показано на рис. 4.
Имеющаяся на схеме рис. 3 перемычка S1 (в прототипе она отсутствует) позволяет соединить вывод 10 панели XS2 с общим проводом, что необходимо для программирования микроконтроллеров PIC16F628, устанавливаемых в панель аналогично PIC16F84. Адаптер пригоден и для других микроконтроллеров серии PICmicro (см. табл. 2), если предусмотреть для них соответствующие панели.

Печатная плата адаптера JDM с розеткой Х1 DB9F и расположение элементов на ней изображены на рис. 5. Плата односторонняя, ее ребром вставляют между рядами выводов розетки XS1, но лишь выводы 1—5 припаивают  непосредственно к контактным площадкам. Выводы 7 и 8 соединяют с соответствующими площадками проволочными перемычками. Внешний вид готового адаптера показан на рис. 6.

В некоторых случаях с помощью JDM не удается запрограммировать восьмивыводные микроконтроллеры PIC16F629 и PIC16F675.

Причина этого — слишком большой интервал между включением напряжения питания и подачей команды перехода в режим программирования.Японский радиолюбитель, адрес электронной почты которого hoheplyohamu@hotmail.com, предложил устранить недостаток, дополнив адаптер JDM узлом, схема которого приведена на рис. 7. Цепь, шедшую ранее к выводу 2 панели XS2 (см. рис. 3), следует разомкнуть.

 Адаптеры для микроконтроллеров фирмы Atmel

Схема стандартного адаптера для микроконтроллеров фирмы Atmel серий AVR (в нее входят микросхемы с названиями, начинающимися с АТ90, ATmega, ATtiny) и AT89S показана на рис. 8.

Его вилку ХР1, как и в предыдущем случае, подключают к розетке порта LPT компьютера. Перемычки между контактами 3 и 11, 2 и 12 вилки позволяют управляющей программе "опознать" адаптер. Светодиод HL1 служит для сигнализации о режиме работы устройства, но делает это лишь в том случае, если управляющая программа вырабатывает соответствующий сигнал. Напряжение + 5 В подают от внешнего стабилизированного источника, более высокое здесь не требуется.
С выводами программируемой микросхемы адаптер соединяют в соответствии с табл. 3.

Примечание. Назначение выводов модификаций микроконтроллеров в корпусах других типов может не совпадать с указанным в таблице.

В отличие от микроконтроллеров серии PICmicro, рассматриваемые приборы требуют обязательной работы тактового генератора во время программирования. Все необходимые в этом режиме операции выполняются за определенное число тактов. Поэтому в непосредственной близости от микроконтроллера должен быть установлен и подключен к выводам XTAL1 и XTAL2 кварцевый резонатор ZQ1. Никакие длинные провода здесь недопустимы.
Резонансная частота ZQ1 — не менее 4 МГц, выдерживать ее с большой точностью нет необходимости. Обычно пригоден резонатор, с которым микроконтроллеру предстоит работать в дальнейшем.  Однако при слишком "резвом" управляющем  компьютере, формирующем  сигналы недостаточной длительности, на время программирования придется установить более высокочастотный резонатор, не превышая, конечно, допустимой для данного микроконтроллера частоты. Другой вариант — подать тактовые импульсы нужной частоты на вывод XTAL1 от внешнего генератора, оставив XTAL2 свободным.
Чертежи печатной платы рассматриваемого адаптера и схема расположения на ней элементов показаны на рис. 9. Плата двусторонняя из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

Диаметр контактных площадок с обратной стороны преднамеренно увеличен, что уменьшает риск "промазать", сверля отверстия с лицевой стороны. Размеры платы позволяют разместить ее внутри пластмассового корпуса вилки DB25M (ХР1), как показано на фотографии рис. 10.
Плату вставляют ребром между рядами выводов вилки и припаивают каждый из них к соответствующей контактной площадке.  Контакты 3 и 11, 2 и 12 соединяют перемычками из изолированного провода. Выводы микросхемы DD1 (кроме 10—12, 14, 18 и 20) перед монтажом отгибают. Оставленные в исходном состоянии вставляют в отверстия и припаивают к контактным площадкам с обратной стороны платы, отогнутые — к прямоугольным площадкам со стороны установки микросхемы. Конденсатор С1 и резистор R1 —для поверхностного монтажа, хотя при необходимости можно применить и обычные малогабаритные. Светодиод, установленный со сороны, противоположной микросхеме, должен быть виден через специально просверленное в корпусе разъема отверстие.
Адаптер для программирования микроконтроллеров семейства AVR может быть упрощен путем исключения из него буферной микросхемы (DD1 на рис. 8) и соединения перемычками контактных площадок входов ее элементов с соответствующими выходными (2 с 18, 3 с 17, 4 с 16 и т. д.). Естественно, вероятность сбоев при программировании при этом возрастет.
Схема еще одного предельно упрощенного варианта адаптера показана на рис. 11. Она аналогична использованной в отладочной плате для микроконтроллера AT90S2313, выпускаемой фирмой Dontronics под названием DT-006.
Среди микроконтроллеров фирмы Atmel имеются относящиеся по структуре и системе команд к все еще популярному семейству MCS-51 и сравнительно дешевые АТ89С1051, АТ89С2051 и АТ89С4051. Их широкому распространению среди радиолюбителей препятствует одно — сравнительная сложность адаптера программирования. Дело в том, что интерфейс программирования этих микроконтроллеров — своего рода переходная ступень между параллельным и последовательным. Число задействованных в программировании выводов вынуждено ограничено, так как не может превышать общего числа выводов микросхемы, но все-таки остается значительно большим, чем при истинно последовательным интерфейсе.
Стандартный, рекомендуемый фирмой-изготовителем адаптер для этих микроконтроллеров построен на семи микросхемах средней степени интеграции. Его схему и описание (документ AN285) можно найти на Интернет-сайте фирмы по адресу http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/DOC0285.PDF или в переведенном на отечественную элементную базу виде в [5].

Более простой адаптер предложен немецким радиолюбителем  DL2TM, его схема показана на рис. 12. Розетка XS1 адаптера аналогична устанавливаемой на принтерах и соединяют ее с LPT-портом компьютера стандартным "принтерным" кабелем. Программируемую микросхему вставляют в панель XS2. Команды и данные для программирования поступают от компьютера двумя потоками на входы регистров-преобразователей  последовательного кода в параллельный DD1 и DD2. Коммутатор DD3 поочередно подает на входные линии порта старшую и младшую четверку разрядов ответных сообщений микроконтроллера.
Адаптер питают напряжением +12 В от внешнего источника. С помощью стабилизатора DA1 получают напряжение +5 В для питания микросхем, а ключи на транзисторах VT1—VT4 управляют уровнем напряжения на входе микроконтроллера, переводящем его в режим программирования.

Чертеж печатной платы этого адаптера приведен на рис. 13. Перемычки на стороне расположения компонентов навесные (из отрезков луженого провода). Если имеется возможность изготовить двустороннюю плату, их можно сделать печатными.

Адаптер готов, что дальше?
После того, как адаптер для подключения к компьютеру программируемой микросхемы готов, желательно его проверить. Если он рассчитан на подключение к СОМ-порту компьютера, воспользуйтесь программой ТСОМ, о порядке ее использования для проверки одного из вариантов адаптера SI Prog можно прочитать в [4].

Другие адаптеры проверяют аналогичным образом.  Нужно лишь, как сказал герой кинофильма "С легким паром", "мыслить логически" и, проанализировав схему адаптера, представить себе, какие значения должно принимать напряжение на том или ином гнезде панели программируемой микросхемы при том или ином состоянии линий порта.
Теперь остается найти подходящую "программу программирования", которая, будучи запущенной на компьютере, возьмет на себя управление адаптером и формирование всех нужных сигналов на выводах программируемой микросхемы.

Подобные программы бывают двух видов. Простейшие лишь реализуют алгоритм, нужный для загрузки кода в микроконтроллер одного или нескольких очень похожих типов. Обычно бывает достаточно, запуская такую программу или отвечая на ее запрос, указать имя файла с исходными данными. Все остальное будет сделано автоматически. Пользователю не предоставлено никаких дополнительных возможностей, иногда невозможно даже прочитать записанное и сверить его с исходными данными.
Как правило, эти программы написаны их авторами лишь для того, чтобы запрограммировать недавно выпущенную (или ту, с которой пришлось столкнуться впервые) микросхему. Для опытного программиста это иногда проще, чем искать готовую программу.  Однако посторонний пользователь подобных программ рискует столкнуться с проблемами и дефектами, которые автор программы в свое время не обнаружил и не исправил, а сделать это без его участия практически невозможно.
Нужно сказать, что фирмы—изготовители микроконтроллеров тоже распространяют (в том числе на справочных компакт-дисках и на своих Интернет-сайтах) простые программы для их программирования, либо включают их в состав систем автоматизированной разработки программного обеспечения. Позволяя потенциальным потребителям быстрее освоить новый товар, это способствует увеличению спроса. Достоинство "фирменных" программ — строгое соблюдение всех предписанных режимов программирования и быстрое обновление при выявлении каких-либо дефектов в старых версиях. Недостаток — они работают, как правило, только с фирменным же (или рекомендованным фирмой) адаптером, который предлагается купить и весьма недешево. Справедливости ради нужно отметить, что многие фирмы (Atmel и Microchip в том числе) публикуют схемы своих адаптеров, не делая из них секрета. Именно к таким относятся некоторые из тех, о которых шла речь в предыдущих разделах.
Другая категория "программ программирования" — универсальные, способные работать с адаптерами различных типов и программировать большое число разнообразных микросхем памяти и микроконтроллеров. Универсальные программы снабжены, как правило, развитым сервисом и очень удобны для пользователя. Очень хорошо, если автор программы "поддерживает" ее, постоянно устраняя не замеченные ранее ошибки и расширяя список программируемых микросхем и пригодных для них адаптеров.
Из универсальных программ, распространяемых через Интернет бесплатно, наиболее популярны PonyProg и IC-PROG. Сравнивать их довольно сложно — каждая имеет свои особенности, которые кто-то сочтет достоинствами, а кто-то — недостатками. Поэтому перейдем к рассмотрению конкретных программ и способов работы с ними.

 Продолжение:

Установка PonyProg2000

Установка IC-Prog