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, 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.