От Arduino к микроконтроллеру. Часть 2. Перевод прототипа в «железо».

Я свое знакомство с Arduino начал с Arduino nano. Соответственно и практиковался на ней и ее буду использовать в качестве примера.

Для разработки программного обеспечения используем фреймворк Arduino, затем плавно можно от него отказаться, но это не входит в тему статей этого цикла.

Идея и цель перехода к «голому» микроконтроллеру достаточно проста:

•  экономим в габаритах устройства
• для пайки используем SMD компоненты- это дешевле и менее трудоемко
•  выбрасываем все лишнее
• определяем соответствие выводов Arduino и микроконтроллера
•  добавляем все нужное. :-)

Несмотря на простоту идеи, путь не так очевиден и содержит некоторые подводные камни. Описывая проблему, сразу буду предлагать использованное мной решение.

Сокращения:

• ПО- программное обеспечение
• МК- микроконтроллер

1. Смотрим что внутри Arduino nano и убираем лишнее:

• Arduino nano построена на базе микроконтроллера Atmega 328p — без него нам не обойтись.
• конвертор USB — UART — лишний хлам если нет постоянной связи с ПК.
• стабилизатор питания на 5 вольт — пригодится если питание вашей системы будет не совпадать с питанием микроконтроллера.
• опорный стабилизатор  на 3,3 вольт- пригодится если не хватает внутреннего опорного напряжения на 1,1 В.
• кварцевый резонатор- может пригодиться, а может и нет. Все зависит от целей и соответственно от тактовой частоты устройства.

2. Ставим в соответствие выводы Arduino nano выводам микроконтроллера.

Если у вас есть программное обеспечение для прототипа, то очевидно вы захотите использовать его и на целевом устройстве, возможно на первых этапах, возможно для первичной отладки. Это имеет смысл. Это возможно и несложно.

Если составить соответствие выводов Arduino и микроконтроллера, то это будет происходить безболезненно и с минимумом телодвижений. Если вы не переназначаете выводы, то и  в ПО ничто не поменяется.

Схема действий:

• смотрим на прототипе, куда подключена периферия -> находим соответствующий вывод  микроконтроллера -> рисуем связь на схеме электрической принципиальной
• в программном обеспечении вывод МК обозначаем, как вывод Arduino

Нам пригодится вот такая картинка (если вы знаете ее наизусть, то можно обойтись без картинки) :

И такая картинка:

А еще не помешает составить таблицу, которая сильно облегчит работу связки схемотехник, конструктор, программист, даже если это одно лицо.

Сначала описание таблицы:

• номер контакта на плате Arduino nano, условно сверху вниз, отдельно левый ряд по рисунку (L) и правый ряд по рисунку (R). Пригодится если у вас уже есть схема кроссплаты в которую вы втыкали Arduino nano.
• наименование контакта на плате, то как подписан контакт на плате и как он называется в ПО
• номер контакта микроконтроллера, пригодится схемотехнику - наименование вывода в библиотеке CAD системы…
• функциональные возможности, основные и дополнительные. Этот столбец имеет смысл формировать под ваш проект.

Таблица. Сопоставление выводов Arduino nano и ATmega328PU.

3. Добавляем все нужное.

Далее сформулирую некоторые решения к которым я пришел на пробных проектах:

• загрузка ПО внутрисхемное т. к. без отладки не обойтись. У нас же учебный единичный проект, кроме того и в мелкосерийном производстве без этого не обойтись.
• выбор программатора для внутрисхемной загрузки, достаточно очевиден- USBasp. Стоит копейки. Поддерживается многими средами разработки. Не забыть, соответствующий разъем вывести на плату.
• внутрисхемная отладка по аппаратному UART. Не забыть вывести на плате контрольные точки Rx, Tx, GND, +5V . Приобрести конвертер USB-UART.
• защитный диод по питанию МК для отсечки левой нагрузки при загрузке программного обеспечения. В то же время имеет смысл «легкую» периферию питать от программатора, для первичной диагностики и отладки.
• светодиод наличия питания - светодиод + резистор на дискретном выходе ( иначе как мы запустим blink), да и вообще индикатор режимов пригодится.
• использование микроконтроллера в DIP корпусе- малоинтересно, из-за гигантских размеров, соответственно плавно выходим на разработку печатных плат в САПР и заказу их в специализированной фирме. Мной использовался САПР KiCAD и https://jlcpcb.com/, соответственно.

Схемотехника и расположение элементов. Решения к которым я пришел на практике.

Возможно существуют и лучшие решения, но то что я привожу, работает и в моих вариантах меня устраивает.

• схема первоначального сброса микроконтроллера, на основе RC цепи. (кнопку сброса не впаиваем)
• кварцевый резонатор и конденсаторы в его цепи, максимально близко к выводам микроконтроллера
• конденсаторы в цепи питания с обратной стороны платы, под микроконтроллером. Танталовый и керамический, емкостью 10 и 0,1 мкФ соответственно.
• индикация подачи питания на плату, в цепи питания микроконтроллера - на цифровой выход светодиод и резистор, для первоначальной отладки
• диод, отсекающий микроконтроллер от других потребителей при прошивке
• выводы Rx, Tx, GND и +5В, для отладки программного обеспечения по RS интерфейсу
• на плате расположите подписи элементов, для удобства монтажа. Это важно.