Gravadora USB para Microcontroladores AVR Atmel

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1 Gravadora USB para Microcontroladores AVR Atmel Luis Felipe da Cruz Figueredo, Felipe Brandão Cavalcanti Adaptado do projeto original de Thomas Fischl Abril xx, 2009 Resumo Esta nota técnica descreve os procedimento para a construção e utilização de uma gravadora USB multi-plataforma para microcontroladores AVR Atmel. Adaptada do projeto USBasp desenvolvido por: Thomas Fischl, a gravadora USB é composta basicamente por um microcontrolador (ATmega8, nesta nota) e um pequeno conjunto de outros componentes de ordinária comercialização. A gravadora utiliza um software embarcado e um driver USB para comunicação com o PC. O processo de gravação pode ser feito através do WinAVR (versões superiores à ) através do AVRDUDE. Figura 1: Gravadora montada sobre uma placa universal. O projeto original do USBasp é distribuído sobre os termos e condições GNU GPL versão 2.0 pelo criador Thomas Fischl - 1

2 1 Hardware A gravadora é um dispositivo responsável pela programação de microcontroladores. Usualmente, as gravadoras para microcontroladores da família AVR da Atmel utilizam as portas paralela ou serial do PC. Entretanto, muitos computadores e notebooks simplesmente não possuem tais entradas. A gravadora USBasp, então, surge como uma solução viável para a programação destes dispositivos através da porta USB. 1.1 Lista de Componentes Para montar a gravadora, são necessários os seguintes componentes (figura 2): Figura 2: Lista de componentes da gravadora USBasp. (1) 1 microcontrolador AVR ATmega8 da Atmel; (2) 1 circuito integrado 74LS367; (3) 1 cristal de quatzo de 12MHz; (4) 2 conectores header 5x2; (5) 1 conector USB do tipo B; (6) (Opcional) 1 conector RJ-45 fêmea; (7) (Opcional) 1 cabo com conectores RJ-45 macho; (8) 1 cabo USB com conectores tipo B e tipo A (computador); (9) 1 cabo flat com 8 ou 10 fios do tamanho desejado; (10) 1 barra de pinos dupla (2 x 5 pinos); 2

3 (11) 1 barra de pinos simples; (12) 2 jumpers; (13) 2 soquetes DIP14 torneados para o ATmega8. Em conjunto, os dois soquetes formam um soquete de 28 pinos estreito, difícil de ser encontrado no Brasil; (14) 1 soquete DIP14 (torneado ou não) para o CI 74LS367; (15) 2 leds (preferencialmente de cores distintas); (16) 2 diodos zener de 3V6; (17) 1 porta-fusíveis; (18) 1 fusível de 500mA; (19) 1 capacitor eletrolítico de 4,7 τc; (20) 3 capacitor de 100 nf, cerâmico ou poliéster; (21) 2 capacitores de 22 pf, cerâmico ou poliéster; (22) 2 resistor de 10 KΩ; (23) 2 resistores de 220 Ω; (24) 2 resistores de 68 Ω; (25) 1 resistor de 1,2 KΩ; (26) 1 resistor de 6,8 KΩ; (27) fios para jumpers, normalmente são fios de instalação telefônica. (28) (Opcional) 1 placa de circuito impresso confeccionada para a gravadora; Estes componentes são facilmente encontrados em lojas de eletrônica especializada em Brasília, com excessão do microcontrolador ATmega8 que pode ser encomendado em lojas virtuais de eletrônica. 1.2 A Gravadora O núcleo da gravadora descrito nesta nota é o microcontrolador AVR ATmega8 com um cristal de 12MHz. A gravadora após a montagem está pronta para ser conectada ao computador através do cabo USB com conectores do tipo B (conexão com a gravadora) e do tipo A (conexão com o computador). O diagrama esquemático da gravadora é apresentado na figura 3. Os resistores R4 e R5 são limitadores de correntes e os diodos zener são limitadores de tensão utilizados em conjunto com o fusível de 500mA para proteção da 3

4 Figura 3: Diagrama esquemático da gravadora USBasp. porta USB. Os leds indicam a transferência de dados e o header é utilizado para a conexão da gravadora com o microcontrolador alvo. A conexão entre o ATmega8 e o header 5x2 foi alterada do projeto original para que a gravadora possa ser utilizada com o circuito de referência proposto no guia: Desenvolvimento com microcontroladores Atmel AVR - Borges et al, 2008). O header do projeto original (figura 4(a)) utiliza o padrão STK (presente nas gravadoras comerciais da Atmel), enquanto que o header proposto utiliza o mesmo padrão presente no guia citado (figura 4(b)). Obs.: Na realidade, a conexão entre o ATmega8, o header 5x2 da gravadora e o microcontrolador AVR alvo pode ser feita de inúmeras maneiras desde que os pinos do microcontrolador da gravadora estejam conectados aos pinos correspondentes do AVR alvo (tabela 1). Figura 4: Headers padrão (a) e adaptado (b) utilizados para a conexão com o circuito de referência. O circuito de referência proposto utiliza-se do header adapatado (b). 4

5 Tabela 1: Correspondência entre os pinos do ATmega8 da gravadora com os pinos do AVR alvo. ATmega8 da gravadora AVR alvo pino 16(PB2) pino 1(RESET) pino 17(MOSI) pino 17(MOSI) pino 18(MISO) pino 18(MISO) pino 19(SCK) pino 19(SCK) pino 7(Vcc) pino 7(Vcc) pino 8(GND) pino 8(GND) A gravadora pode, então, ser montada e soldada sobre uma placa universal de acordo com o esquemático apresentado na figura 3. Ademais, sugere-se uma placa de circuito impresso para a gravadora utilizando o layout proposto na figura 5. O arquivo com o layout de circuito impresso para a gravadora (gravadorapcb.pcbdoc) se encontra na pasta..\hardware. O custo unitário para a confecção das placas após a fotoplotagem é de cerca de R$11,50, enquanto que o custo da fotoplotagem é de R$60,00 (orçamento obtido pela empresa STICK CIRCUITOS IMPRESSOS LTDA). Figura 5: Layout de circuito impresso. 5

6 Figura 6: Foto do circuito de referência. Figura 7: Diagrama esquemático do circuito de referência. 1.3 Jumpers A gravadora utiliza 2 jumpers de configuração. O conhecimento destes é de extrema importância para o bom funcionamento da gravadora: J1 - Alimentação Setando este jumper a alimentação da gravadora e do microcontrolador alvo será feita através da porta USB (5V). J2 - Configuração do clock SCK Sete este jumper se o clock do microcontrolador alvo for menor que 1,5MHz. Neste caso, a gravadora passará a atuar em low speed, i.e. o SCK será configurado entre 375KHz e 8KHz ( 1 4 do clock do microcontrolador alvo). Caso o microcontrolador alvo possuir clock maior que 1,5MHz deixe este jumper desconectado. 1.4 Circuito de Referência O circuito de referência (figura 6) nada mais é do que um circuito básico de desenvolvimento para um dado microcontrolador, ou seja, é a configuração mínima requerida para seu bom funcionamento em conjunto com a configuração mínima necessária para a sua programação. Nesta nota, utilizaremos como exemplo o circuito de referência descrito no guia: Desenvolvimento com microcontroladores Atmel AVR - Borges et al, 2008). Nele estão os capacitores de desacoplamento para alimentação e conversor A/D, assim como um conector header para conexão com a gravadora. Seu diagrama esquemático é apresentado na figura 7. 6

7 2 Firmware Após a montagem da gravadora, deve-se programar o ATmega8 com o firmware da gravadora. O firmware que deve ser embarcado é composto por um software gratuito que transforma o microcontrolador em um dispositivo USB, AVR-USB, em conjunto com o código que permite utilizar o ATmega8 como um programador serial de microcontroladores AVR Atmel. Para a programação do ATmega8, outra gravadora de AVRs deve ser utilizada visto que a gravadora USB ainda não está pronta. 2.1 Firmware Versão Pré-Compilada A versão pré-compilada do firmware (arquivo main.hex) encontra-se na pasta..\firmware \Firmware_Atmega8_gravadora_BSD_12MHz\. Para utilizar esta versão pré-compilada do firmware verifique se as seguintes condições são respeitadas: O microcontrolador que será utilizado pela gravadora é o ATmega8; O microcontrolador possui freqüência definida por um cristal de 12MHz; A gravadora que irá programar o microcontrolador é a gravadora BSD. Caso alguma destas configurações não corresponda ao seu projeto, (i.e. caso não utilize o ATmega8 como microcontrolador da gravadora, ou não utilize um cristal de 12MHz, ou não utilize uma gravadora BSD para embarcar o firmware) vá até a próxima subsecção 2.2. Entretanto, caso seu projeto envolva estas configurações pule para a subseccção 2.3. Obs.: Mais informações sobre como montar e utilizar a gravadora BSD, veja o guia Desenvolvimento com microcontroladores Atmel AVR - Borges et al, 2008). 2.2 Compilando Novo Firmware Caso não queira utilizar o ATmega8 na gravadora ou configurá-lo com 12MHz ou não queira utilizar (ou não tenha) a gravadora BSD, é necessário recompilar os arquivos fontes do firmware e gerar um novo hexadecimal. Todas as alterações devem ser feitas no arquivo Makefile na pasta:..\firmware\firmware_fontes\. As alterações devem ser feitas nos seguintes campos (figura 8): (1) microcontrolador utilizado; (2) fusíveis (definidos pelo microcontrolador e pela freqüência utilizada); (3) gravadora, que será utilizada para carregar o firmware; (4) porta do PC que a gravadora selecionada irá utilizar. 7

8 t Figura 8: Alterações no makefile. Após realizar as alterações no Makefile, recompile os arquivos fontes do firmware para gerar o novo hexadecimal que será carregado no microcontrolador do USBasp. Caso utilize o software Programmers Notepad do pacote WinAVR, o hexadecimal é gerado da seguinte maneira. No Programmers Notepad, clique em Tools->Options. Na caixa aberta, vá em Tools e clique em add. Desta forma, uma caixa com as propriedades da nova ferramenta será aberta (figura 9). Nesta caixa, altere os seguintes campos: Name: Selecione um nome qualquer; command: <endereço do WinAVR>\utils\bin\make.exe; Folder:..\Firmware\Firmware_Fontes; Parameters: main.hex. Os outros campos podem ser mantidos sem alteração. Então, vá ém Tools e clique no nome da ferramenta adicionada. Isto deverá gerar o novo hexadecimal na pasta:..\firmware\firmware_fontes. 2.3 Programando a Gravadora Para embarcar o firmware no microcontrolador da gravadora pode-se utilizar qualquer programadora capaz de baixar e manipular a ROM de microcontroladores AVR. Aconselha-se a utilizar o software gratuito AVRDUDE. Este utiliza programação ISP para realizar a gravação e manipulação da memória ROM e EEPROM de AVRs. No windows, a programação do firmware no AVRDUDE deve ser feita dentro do console (prompt de comando), no diretório onde se encontra o AVRDUDE.exe (usualmente,..\<endereço do WinAVR>\bin\). Dentro do console, deve-se passar a linha de comando para a gravação: 8

9 h Figura 9: Adicionando nova ferramenta no Programmers Notepad. Utilizando o firmware pré-compilado: avrdude.exe -p m8 -c bsd -P lpt1 -u -U flash:w:..\firmware_atmega8_gravadora_bsd_12mhz\main.hex :a -U hfuse:w:0xc9:m -U lfuse:w:0xef:m Utilizando novo firmware: avrdude.exe -p [código do microcontrolador alvo] -c [código da gravadora] -P [porta do pc utilizada] -u -U flash:w: [novo main].hex :a -U hfuse:w:(hexadecimal):m -U lfuse:w:(hexadecimal):m A opção -u impede a releitura dos fusíveis que quando é feita impede a alteração de seus valores (o comando sem a opção -u é dita como modo seguro). O hexadecimal do hfuse (high fuse) e do lfuse (low fuse) são determinados, entre outras coisas, pelo microcontrolador utilizado e pelo clock determinado. Para defini-lo leia o manual do microcontrolador correspondente ou vá em engbedded.com. 3 Identificando a Gravadora - Windows A gravadora depois de montada (hardware) e programada (firmware) está pronta para ser conectada ao computador. O dispositivo deverá ser identificado (como USBasp) pelo sistema operacional que iniciará o processo de configuração do driver do dispositivo (figura 10). Deve-se, então, indicar o caminho do driver usbasp.inf ( \win-driver _parausbasp\ ). Pronto. O driver deve ter sido instalado (figura 11) e o dispositivo já está pronto para ser utilizado. Para confirmação vá no gerenciador de dispositivos e verifique se a gravadora já está identificada (figura 12). 9

10 Figura 10: Identificando a gravadora no Windows. Figura 11: Identificando o driver para a gravadora. Figura 12: Verificando a instalação do driver. 10

11 OBS.: Na página oficial do projeto original, o driver disponibilizado está desatualizado (versão libusb DLL ) e não deve ser utilizado visto que as novas versões do AVRDUDE não são compatíveis com este driver. As novas versões do libusb podem ser encontradas no site do projeto libusb. Mais informações em 4 Utilizando a Gravadora - AVRDUDE Neste ponto, a gravadora já está pronta para ser utilizada. Para programar com o AVRDUDE, deve-se utilizar o aplicativo em linha de comando, visto que, até o momento, o avrdude-gui não possui o USBasp em sua lista de gravadoras. Para utilizar o USBasp na linha de comando, deve-se selecionar a gravadora usbasp com o argumento -c usbasp. 5 Sites Interessantes (1) [Projeto original]: (2) [AVR-USB]: (3) [driver libusb]: (4) [AVRDUDE]: (5) [Guia de como instalar a USBasp]: (6) [Solucao para o problema do driver para novas versões do AVRDUDE]: (7) [Programando com o USBasp]: (8) [Calculando fusíveis (AVR):] 11