全新AVR芯片ATMEGA328P烧录程序的教程

陈叨叨 · 发表于 2019-12-23 17:05

本帖最后由陈叨叨于 2019-12-23 17:25 编辑

潜水多年，觉得有义务贡献一些内容，此贴作为最近学习Arduino的一个总结。

玩Arduino有几年了，断断续续的。最近开发一个项目，因为我本身不是电子专业，只是对UNO有些经验，所以先用各种模块搭建的系统进行了测试。
测试通过后，开始设计PCB打样，一开始使用的是和UNO一样的芯片进行设计，结果在打样的时候出了问题。

这是我第一次PCB打样，才知道淘宝打样都是10cm以内20元，超过10cm要额外计算，价格差出好几倍。然后我的设计原件比较多，小了板子空间放不下。
然后想起了Arduino mini，用的是tqfp封装的芯片，可以节省空间，这个芯片和UNO的唯一区别就是封装。
所以改板，重新画PCB，打样，采购元件，安装焊接，中间历经坎坷就不多说了。
本来以为一切就绪，结果出现了新问题，程序下载不进去！开始以为是焊接问题，但是按说我这手法不应该出问题啊，但是不管了，马上重新焊一片，问题依旧。

后来上网查询学习，总结知识点一：如何为全新AVR芯片烧录程序

1. Arduino不是指AVR单片机芯片，而是基于AVR单片机搭建的一个平台。
2. ATMEGA328P是AVR单片机的一个型号，常用的Ardunio UNO和Arduino Pro Mini都是基于这款芯片，当然也有基于其他型号芯片的其他版本Arduino。
3. AVR芯片本身只支持SPI方式烧录程序，新的芯片内不含任何程序。
4. 我们平时用的Arduino编程软件，一般情况下是通过串口烧录程序的。

后面两条看起来相悖，这是为什么呢？因为虽然说硬件只支持SPI方式烧录，但试想一下，如果芯片里已经有一个程序，可以通过串口接收数据，写入到芯片里，就实现了串口烧录。这就是Arduino使用的烧录方式，而这个程序，就是Bootloader。

刚才说了，新的AVR芯片不含任何程序，当然也不含Bootloader，所以我们像为UNO烧录程序一样为新的AVR芯片烧录，自然是不行。那怎么办？答案你已经想到了，就是先通过SPI方式为芯片烧录Bootloader程序。

SPI烧录程序有两种方式，一种是单独买一个烧录设备，学名叫做USBISP，这是一个通用硬件，可以为AVR、51等单片机下载程序，支持通用的烧录软件。但是Arduino用不了，因为Arduino对USBISP的协议做了稍稍的修改，将其命名为USBasp。USBISP可以通过刷固件改为USBasp，这里今天先不说这个，因为今天先不讲USBasp方式烧录。有人说你废了半天话，还卖关子。其实不是的，因为一个是要单独买硬件需要成本，更重要的是win10下没有USBasp驱动，虽然有解决办法但是比较复杂。不如下面说的第二种方式来的简单。

第二种方式，是通过把现有的Arduino模拟成USBISP，实现烧录。这种方式无需为驱动操心，因为你的UNO早就和你的电脑愉快的玩耍在一起了吧。

总结知识点二：通过现有Arduino板为新的AVR芯片烧录程序（烧录Bootloader）

首先连接好UNO，打开Arduino软件，选择文件-示例-ArduinoISP-ArduinoISP，这时软件自动打开了一个程序。

选择在工具菜单中设置好开发板的型号UNO，以及软口号。
注意因为这个步骤是为你的UNO烧录程序，所以此处设置和平时烧录程序一样。如果你不是UNO就按你的版本设置。

然后点上传，和平时一样，为你的UNO烧录程序。
之后你的UNO就以为成为一块模拟USBISP了，按照arduino的说法就是Arduino as ISP。
现在接口定义为：10.RESET、11.MOSI、12.MISO、13.SCK，如果你不是UNO，那就查一下刚才打开这个程序的代码，看下具体定义。

现在准备为你新的AVR芯片烧录程序，连接好上面说的4条线路，另外不要忘了+5V和GND。
这里用到了TQFP32烧录器，一会交给大家做法。
然后注意软件设置！端口不变，还是你UNO的端口。开发板和处理器按照你的目标AVR芯片设置，和UNO无关！比如我的目标是328P，5V电压，16M晶振，这里就如图设置。

这里可能又有人要问了，为什么开发板选择的是Arduino Pro Mini？因为Pro Mini是328P芯片啊！刚才说了，Arduino是基于AVR搭建的平台，他卖的是平台不是芯片，所以这里不会提供给你芯片型号选项，而是提供Arduino版本选项，所以你选择和你使用同样芯片的版本就行了。

然后编程器选择Arduino as ISP，如果是使用USBasp，这里就选择USBasp。

然后到这里，一切都准备妥当了。之后有两条路，需要注意了。

如果你单纯想烧录程序，不想要Bootloader，可以按住shift再点上传，每次都用这种方式烧录程序就可以了。
如果你想以后和玩Arduino一样，用串口烧录和调试，点击菜单工具-烧录引导程序，这样就写进去Bootloader了，以后就可以用串口操作了。

如果烧录报错了就检查你的硬件，按照我经验如果连线没问题，一般都是晶振未起震。

总结知识点三：新的AVR芯片开光无需设置熔丝位！

新的AVR芯片开光无需设置熔丝位！新的AVR芯片开光无需设置熔丝位！重要的事情说三遍！

不知道什么时候开始，网上教程都说要为芯片设置熔丝位，那是低级的51的玩法好么！我们这么高级的Arduino，才不用设置熔丝位，你烧录Bootloader的时候，程序帮你一切都做好了。

总结知识点四：328P最小系统设计

直接看图吧，一共7个外围元件，图中接出了SPI口和串口，当然还有RESET和DTR。
这里要区别一下DTR和RESET，RESET是芯片本身的引脚，而DTR是通过电容接在RESET脚上的。
SPI刷机方式用的是RESET脚，而使用串口刷机方式使用的是DTR信号。

某些版本的USB转串口设备，比如我手上这块CP2102，本身已经集成了DTR电容，那么也可以直接使用RESET引脚。这样就省略了C5，只剩下6个元件。
如果使用村田3脚晶振，因为晶振内置了对地电容，所以C3C4就可以省略了，参照Pro Mini，这样就剩下4个元件。
也就是说保证功能和稳定的前提下，328P的最小系统只要4个元件！

总结知识点五：328P的烧录板制作

在大批量烧录的时候，我们不可能一个一个的去焊引脚，所以就需要一个烧录板，可以快速批量作业。
查了一下万能的淘宝，TQFP32座好贵，要60块钱！
这不是最重要的，重要的是竟然没有成品卖！好吧，我只能自己做一个了。

需要元件：TQFP32座，还有最小系统所需的几个元件。
然后就是手工活了，找了个洞洞板，按照上面电路图焊就行了。

正面样子
微信截图_20191223165228.jpg

背面

插上烧录座

烧录座针脚特写

连接NUO的接线

连接USBasp的接线
微信截图_20191223165338.jpg

连接CP2102的接线
微信截图_20191223165350.jpg

好了完工，此帖到此结束。

最后因为强迫症，打算有时间画个专用的烧录座PCB，把元件烧录座都弄到一张板子上，现在这样好几层看着不舒服。
但是因为有这个能用了，再单画一个又有点不值，所以如果大家有需要的，我就画一个做几片，大家出点费用，不会超过100块钱，如果没有需要的就算了。

t3486784401 · 发表于 2019-12-25 01:17

详尽、准确程度让我一个玩 AVR 十年的宅都没挑出毛病来，LZ 真的很用心在写。

不过还是要给 LZ 个坏消息的：最小系统的 RESET 缺少对 VCC 的钳位二极管。
至于这个二极管的作用，可以负责的告诉 LZ，没有的话你的 Arduino 自动下载（Bootloader 引导）
会变得生不如死：动不动就不识别，无法自动复位。

t3486784401 · 发表于 2019-12-25 22:54

陈叨叨发表于 2019-12-25 21:33
你说的太专业了，我不太懂钳位的概念，能不能给个图纸我学习下。

昨天又测试了一下，DTR电容减小的话， ...

钳位二极管啊，说白了就是限制 RESET 最高电压的概念。

看下边两种方案，(a)没有钳位二极管，(b) 有。在 Vi 有两个相近的低脉冲时（假定低电平持续时间为 T，并且间隔高电平很窄）：
(a) 方案可能无法在后一个低脉冲时正常复位（Vo不够低），原因是电容没来及放电；
(b) 方案因为钳位二极管的存在，两个低脉冲间短暂的高电平足以给 C 充分放电（通过钳位二极管），为后一个低脉冲复位做好准备。
上述通过钳位二极管给 C 放电，使得 Vo 仅仅比 VCC 高 PN 压降（~0.6V）的过程，称之为“电压钳位”，系二极管的用途之一。

粗看来上述不可靠复位的 BUG 仅仅发生在 RC<<T 的情况（绿色曲线）。

在 RC>>T 时（橙色曲线）似乎复位没啥问题，都可靠。但为何不被采用？

原因是如果某种情况导致 DTR 长时间低电平（PC端串口可控），就会有很长时间的 RESET 有效时间，
结果 Arduino 长时间不工作，看起来仿佛死机了一样。

例如你用 680k上拉，实际 AVR-RESET 内置了约 50k 上拉，并联以后还是约么 50k，对应 10uF 电容，
结果时间常数约么 0.5s，就是每次复位后约么 0.5s 后 Arduino 才能运行起来，已经有明显的卡顿。

正常说来玩 Arduino 不必纠结到这个程度。但你要设计系统板的话，很多事情要说清楚才能避免踩坑。

陈叨叨 · 发表于 2019-12-25 02:58

t3486784401 发表于 2019-12-25 01:17
详尽、准确程度让我一个玩 AVR 十年的宅都没挑出毛病来，LZ 真的很用心在写。

不过还是要给 LZ 个坏消息的 ...

你说这个问题我看到过相关帖子，总结原因就是CP2102芯片DTR驱动能力弱，然后有好几个解决方案。你说的加二极管方案我有印象，我没加是因为我这从来没出过这个问题。

然后正好我今天有空测试了一下，我发现我的CP2102上串在DTR上的电容是10u的，而网上资料大部份都是104！我把这个电容换成了104，果然出了问题！然后就悲剧了，换下来的电容掉地上找不到了，手头又没有这个型号。。。

你有空可以测试下，如果10u电容也不行，必须加二极管，那我赶紧改图纸，正好最近有个板子要打样。

t3486784401 · 发表于 2019-12-25 03:16

陈叨叨发表于 2019-12-25 02:58
你说这个问题我看到过相关帖子，总结原因就是CP2102芯片DTR驱动能力弱，然后有好几个解决方案。你说的加 ...

我有各种版本的 UNO，以及自己画的类似的系统板（AVR+USB串口），
转串口的芯片我用过 PL2303，FT232，CH340G/C，16U2，8U2，
涉及 DTR 自动复位的都有 RESET 上拉钳位问题。

更为根本原因，是 AVR-RESET 引脚内部没有对 VCC 的钳位二极管，用于兼容高压编程。
就连 AVR 官方手册都推荐外加钳位，当然代价是：
加了钳位二极管，就不能用高压编程了（需要在 RESET 加 12V 高压）。

10uF 电容在一次 DTR 自动复位过程中，不至于被充满，所以下次自动复位还行；
0.1uF 在一次 DTR 自动复位后就充满了（~1s），如果无钳位二极管放电，
就根本没法继续下拉 RESET，导致接下来自动复位失败