Microsalo oy www.microsalo.com PK-M128-MOOkit (MOOkit = Mikro-ohjain opiskelu/opetus-kitti) Täydentyvä dokumentti ver. 0.9 28.10.2004 & 06.11.2004 & 07.12.2004 Ominaisuudet ja kokoamis- ja käyttöohjeet Tietoja mega128- ja muista AVR-ohjaimista löytyy valmistajan www-sivuilta: www.atmel.com 1. Yleistä PK-M128-MOOkit on lähinnä tarkoitettu mikro-ohjaimien (sulautettujen järjestelmien) assemblyja C-kieliohjelmoinnin opiskeluun. Kortti soveltuu mainiosti myös monenlaisiin ohjausprojekteihin ja esim. amk:n opinnäyte- ja/tai projektitöihin, tai vaikka ammattikoulujen päättötyön ohjainkortiksi. PK-M128-MOOkitin mikro-ohjaimena on Atmelin suurin ja kaunein eli AVR mega128. Sen täydellinen dokumentti doc2467.pdf, löytyy osoitteesta www.atmel.com. Kuva 1. PK-M128-MOOkit perusversio komponenttipuolelta. 1
1.1. PK-M128-MOOkit ominaisuudet Kuva 2. PK-M128-MOOkit perusversio foliopuolelta. Piirilevy on yksipuolinen, koko 100 * 120 mm. (Puolikas Eurooppa-kortti on 100 * 80 mm). Komponentit ovat nykytekniikan mukaisesti SMD- (Surface Mounted Device) eli pintaliitoskomponentteja. Kide, liittimet ja regulaattori 7805 ovat perinteisiä. Kortin pintaliitoskomponentteja suojaa 5 kpl muovitassuja, joilla kortti nousee pöytäpinnasta riittävästi. Jos haluat, voit laittaa vaikka muovilevyn suojaamaan komponentteja, tai kiinnittää kortin kulmissa olevien reikien avulla vaikka koteloon. Kortin käyttöjännite on + 9 V DC (8 15 V), liitäntänä 2,1 mm pyöreä DC-liitin ja/tai ruuviliitin. Tarvittaessa ruuviliitännästä voidaan ottaa +12 V vaikka oheiskorttien käyttöjännitteeksi. Kortin varsinaiseksi käyttösähköksi reguloidaan +5 V/1,5A IC-piirillä 7805. Käyttösähkön olemassaolon indikoi punainen Power-LED. 2
Kuva 3. Kortin mikro-ohjain on Atmelin 64-pinninen TQFP-koteloinen AVR-mega128. AVR mega128-mikro-ohjaimen tärkeimmät ominaisuudet: * 8-bittinen RISC-prosessori, 16 MHz kellotaajuus max * 128 kb flash-ohjelmamuisti, * 4 kb SRAM-datamuisti, laajennettavissa (data- ja osoiteväylät ulos) * 4 kb EEPROM- ikidata -muisti * 6 kpl 8-bittisiä I/O-portteja, eli A-, B-, C-, D-, E- F- ja (G-, vajaa) portit * 2 kpl 8-bittinen Timer/Counter * 2 kpl 16-bittinen Timer/Counter * RTC, Real Time Clock * JTAG-testiliitäntä * IIC-väylä * 2 kpl USART (parannettu UART) sarjaliikenne * analogia-komparaattori * WDT-valvontapiiri, Watch Dog Timer * 8-kanavainen,10-bittinen Analogia-Digitaali-muunnin * 8 kpl ulkoinen keskeytys 3
Kuva 4. PK-M128-MOOkit kytkentäkaavio 4
1.2. PK-M128 kytkentäkaavio Virtalähdeosa: PK-M128-kortin käyttöjännite on +9 V DC, se voi vaihdella +8 V +15 V välillä. Siitä vakavoidaan varsinainen +5 V käyttöjännite. Jänniteliitin on joko tavallinen 2,1 mm pyöreä DCliitin, J5, ja/tai riviliitin J6, josta voi ottaa myös käyttöjännitteen (esim. +12 V) ulos esim. sähkömoottorien tai releiden ohjaamiseen. D1 on suojadiodi, joka varmistaa teholähteen oikean napaisuuden. +5 V jännitteen vakavointi tapahtuu 7805-regulaattorilla, IC2. Optiona sille voi asentaa jäähdytyslevyn. Regulaattorin tuloliitännän elektrolyyttikondensaattori (oikeastaan tantaali) on C1-10 uf tai optiona C5-4,7 uf ja lähtöliitännän C2-4,7 uf. Näiden rinnalle on syytä kytkeä häiriöitä suodattamaan keraamiset 0,1 uf kondensaattorit C3 ja C4. +5 Voltin jännite johdetaan jokaiseen I/O-liittimeen ja tarvittaessa edelleen oheiskorttiin. Sen indikointiin on punainen SMD-LED-D2, jonka etuvastus on R6. Portit: Kortilla on 4 kpl 10-pinnisiä liittimiä, johon jokaiseen tulee oma mikro-ohjaimen I/O-portti. B-portti J9 on 8-bittinen, D-portti J10 on 8-bittinen E-portti J7 on 8-bittinen F-portti J8 on 8-bittinen optiona A-portti J11 C-portti J12 J11 ja J12 voidaan korvata 26-pinnisellä liittimellä J13, jos korttiin liitetään esim. lisä- SRAM-muistia. sekä jokaiseen vielä +5V ja GND. Jos SRAM-lisämuisti otetaan käyttöön, on muistettava juottaa paikoilleen hyppylangat H1, H2, H3, H4 ja H5. Niillä tuodaan J13-liittimeen R-, WR- ja ALE-signaalit. Katso tarkemmin kuva 4B. Portit on ohjelmoitavissa joko tuloiksi tai lähdöiksi ja useimpiin on liitetty myös jokin lisäominaisuus, esim. analogiatulo, keskeytys, IIC, SPI, USART, jne. Katso tarkemmin kuva 3 ja atmega128:n dokumentti. 5
Kuva 4B. PORTA ja PORTC - 26-pin liitin. Sarjaportit eli COM: COM1 on D9-koirasliitin J15, se on RS232-sarjaliikennettä varten (esim. monitori- tai kännykkäohjaukseen) ja sen tasomuunninpiirinä on MAX232, IC3, tai vastaava. Piirin jännitepumpun ulkoisina kondensaattoreina on 5 kpl keraamisia 0,1 uf kondensaattoreita C6, C7, C8, C9 ja C10. Sarjaportti COM2 on optio, samoin se on D9-koirasliitin J16, ja siihen on kytketty myös kättelyyn tarkoitetut pinnit PD3 ja PD4. Sarjakaapelin tulee olla ns. käännetty kaapeli, eli nollamodeemikaapeli (2-3, 3-2, 5-5). Kaapelin liittimet D9-naaras kummassakin päässä. Kide: Kide Q1 voi olla aina 16 MHz:iin asti, tai vaihtoehtoisesti voi käyttää ulkoista oskillaattoria, tai piirin sisäistä 1 MHz:n RC-oskillaattoria, tai ulkoista RC-oskillaattoria, tai keraamista resonaattoria. Oskillaattorin tyyppi valitaan ko. rekisterin bittejä manipuloimalla. Kiteen tarvitsemat kerkot ovat 22 pf C20 ja C21. Kide Q2 on optio 32768 khz reaaliaikakellokide. Se ei tarvitse kerkoja. 6
Oskillaattorin taajuus Atmel toimittaa AVR-mega-ohjaimet sellaisilla oletusasetuksilla, että ohjain toimii aluksi piirin sisäisellä 1 MHz:n oskillaattorilla. Jotta kellotaajuus saadaan kideoskillaattorista, toimi seuraavasti: - käynnistä Pony Prog latausohjelma (ohjelmointikaapelin tulee olla kytkettynä). - valitse alasvetovalikosta Command ja Security and Configuration bits. - klikkaa Read-painiketta, ohjelma lukee ko. bitit. Sitten Clear all, ja lopuksi Write. Tämän jälkeen kellotaajuuden tekee kideoskillaattori. Lue Atmelin mega128-dokumentista oskillaattorin valinnasta lisäohjeita. Ohjelmointiliitäntä: Ohjelmointiliitin on sininen 10-pinninen (2*5) kortilla oleva koirasliitin, J14. Kytkentä on tyypiltään Atmel/Kanda STK200. Itse ohjelmointi tapahtuu PC:n rinnakkaisporttiin kytkettävän Atmel/Kanda-tyyppisen STK200 ISP (In-System-Programming) ohjelmointikaapelin (PK-proge_1, tms.) avulla. Myös ns. suoraa, passiivista ohjelmointikaapelia kannattaa kokeilla (katso ohjelmointikaapeleiden rakennusohjeet omasta pdf- dokumentista, www.microsalo.com. SPI-johtimet on suojattu 470 ohmin sarjavastuksilla R1, R2, R3 ja R4. Kuva 5. STK200 ohjelmointiliitäntä. PK-M128_MOOkit on ohjelmoitavissa monella eri tapaa: - STK200-tyyppinen rinnakkaisportin kaapeli - USB-moduuli ja USB-kaapeli, - RS-232-moduuli ja -kaapeli (käännetty eli ns. nollamodeemikaapeli) - ARV910-tyyppinen moduuli ja sarjakaapeli - boot-softa ja RS-232-sarjakaapeli Ohjelmointi- (SPI) ja sarjaliikenne (USART0) käyttävät yhteisiä mikro-ohjaimen pinnejä, siksi tarvitaan vaihtokytkin. Toiminta-mode valitaan vaihtokytkimellä (tai siltausliitin) SW2. Mode 1 on ohjelmointi-asento ja mode2 on RS-232-sarjaliikenne kulkee COM1 kautta. Huom! Sininen ohjelmointiliitin on toleransseiltaan hieman tiukka, joten ota ohjelmointikaapeli varovasti pois liittimestä. 7
ADC: Analogia-digitaali-muuntimen tarvitsema referenssijännite Aref voi olla joko kortin käyttöjännite +5 V tai sisäisesti valittu 2,56 V tai jokin ulkoinen jännite, joka tuodaan ko. pinniin. Tarvittaessa jännite voidaan tehdä vakavointipiirillä (zener-diodi?) D3, jonka suojavastus on R5. Reset-kytkin: Reset-painike SW1, on ohjelmien testauksessa hyvinkin tarpeellinen. Kuva 6. PK-M128-MOOkit osasijoittelu. 1.3. PK-M128-MOOkit osaluettelo Tunnus SMD Suunta Kuvaus PWB Piirilevy Scanpiiri D1 *! Diodi, 1A/50V, suoja D2 0805! LED, power, red D3 *! Zener, for ADC optio C1 *! Tako 10 u /20 V, regu in 8
C2 *! Tako 4,7 u / 10 V, regu out C5 *! Tako 4,7 uf/20 V, regu in optio C3-C12 1206 Kerko, 0,1 uf (100 nf) C13-C17 1206 Kerko, 0,1 uf (100 nf) (COM2) Optio C20-C21 1206 Kerko, 22 pf, kide R1-R4 1206 Vastus 470 R, ohjelmointiliitäntä R5 1206 Etuvastus, zener optio R6 1206 Vastus, 1k, for LED R7-R10 1206 Vastus, 0R, hyppylanka R11 1206 10k, for RST IC1 TQFP AVR mikro-ohjain, mega128 IC2 TO220! Regulaattori 7805, 1,5 A Jäähdytyslevy, ruuvi + mutteri 3*10 mm IC3 SOIC16! RS-bufferi, MAX232ECWE IC4 SOIC16! RS-bufferi, MAX232ECWE optio J1-J2 Hyppylanka J3-J4 Hyppylanka, jos porteissa iso kuorma optio J5 DC-liitin, 2,1 mm J6! DC-liitin, ruuvimalli optio J7-J10! Porttiliitin, 2*5, musta J11-J12! Porttiliitin, 2*5, musta optio J13! Porttiliitin 2*13, musta korvaa J11-J12 J14! Porttiliitin, Proge, sininen J15 COM1, RS-232-liitin, kulma J16 COM2, RS-232-liitin, kulma optio H1-H5 Hyppylanka, lisä-sram tai G-portti optio SW1 Painonappi, RST SW2 2*3 siltaus, jumpperit SW3 2-nap vaihtokytkin korvaa SW2 Q1 Kide. 1-16 MHz Q2 Kide 32,678 khz Optio 5 kpl Kumitassu SP1 Säilytyspussi, CD-ROM CD-ROM Optio VHS1 VHS-kotelo PK-LED8 PK-LED8-moduuli * tarkoittaa SMD, eli pintaliitoskomponenttia, tai sen tilalla on SMD-kotelon koko! tarkoittaa, että komponentin asennussuunnalla on merkitystä 1.4. Kortin kokoaminen PK-M128-MOOkit toimitetaan valmiiksi koottuna. Mutta, jos välttämättä haluat itse koota korttisi, niin tässä ohjeet. Tarvittavat työkalut - Juottimen tulee olla pieniteräinen ja tinan ohutta, max. 0,32 mm. - Pienikärkiset sivuleikkurit. 9
- Kärkipihdit samoin. - Kunnolliset pinsetit. - Suurennuslasivalaisin ja/tai mielellään päähän sopivat ns. pantalasit. Valoa tarvitaan paljon!! - Mieluusti mikroskooppi tarkastusta varten, toisaalta kellosepän looppi käy mainiosti myös. - Työskentelyalustan tulee olla EMC-suojattu. Juotosohje Jollei Sinulla ole yhtään kokemusta SMD-juottamisesta, niin älä ryhdy tähän työhön ennen kuin olet hieman harjoitellut!!! Tarkempia ohjeita pintaliitoskomponenttien käsittelyyn ja juottamiseen löytyy Tauno Rupposen kirjasta: Pintaliitoskomponenttien kytkentöjä. Perusperiaate: Ensin juotetaan kaikki foliopuolen pienet eli matalat SMD-komponentit (IC-piirit, vastukset, ledit, kondensaattorit), sitten suuremmat (tantaalit) ja lopuksi suurimmat (liittimet, regulaattori, painokytkin, kide). Juota ensin vähän tinaa piirilevyllä olevalle komponentin 'pädille', juota sitten komponentti kiinni tähän lisätinaan. Paina komponenttia pinseteillä, jotta se pysyy paikallaan juottamisen ajan. Tarkista kohdistus, OLTAVA toimiva ja hyvän näköinen. Juota sitten komponentin toinenkin pää kiinni ja varmista vielä ensimmäinen juotos. Aloittelijan virhe: Liian vähän lämpöä kylmäjuotos!!! IC-piirit: Mikro-ohjaimen juotosohje-video on osoitteessa www.microsalo.com. Piirilevyn juotospädeille fluksia, fluxi-kynällä tai pullosta topsipuikolla. Se helpottaa juottamista oleellisesti. Juota ensin vähän tinaa yhden kulman pädille. Sitten vastaava jalka kiinni siihen. Tarkista kohdistus suurennuslasilla ja varmistu, että IC on oikein päin!! Juota vastakkaisen kulman yksi jalka. Tarkista kohdistus. Jos OK, juota loputkin. Sinitarra on kätevä tapa kiinnittää IC-piiri juottamista varten. Lopuksi tarkista mahdolliset oikosulut ja poista tinasillat imulangalla. Työjärjestys: 1. Juota ensin mikro-ohjain paikalleen, varmistu mikä on ykköspinni. Ensin pädeille fluksia ja sitten yksi kulma kiinni ja tarkistus, sitten vastakkainen kulma kiinni ja taas perusteellinen tarkistus. Ole erittäin huolellinen, korjaa tarvittaessa piirin asento oikeaksi. Juota loput pinnit. Mahdolliset tinasillat poistetaan tinaimunauhalla. 2. Seuraavana sarjabufferi MAX232, IC3 (IC4). Varmistu ensimmäisen jalan juottamisen jälkeen, että IC on varmasti oikein päin ja hyvännäköisesti paikallaan. Juota sitten loput pinnit. 10
3. Sitten juotetaan paikalleen kaikki pintaliitosvastukset ja keraamiset kondensaattorit. Tämän jälkeen vaikka virtalähdeosan suojadiodi, D1 ja elkot (tantaalit) C1 ja C2, ehdottomasti oikein päin. Saman tien juotetaan myös kaikki 0-ohmin vastukset. Ne toimivat ns. hyppylankana, joten voit aivan hyvin korvata sen eristetyllä langalla. 4. PowerLED, D2-punainen, tarkista suunta oikeaksi ohmimittarilla. 5. Kun kaikki pintaliitoskomponentit ovat paikallaan, kannattaa jatkaa liittimillä. Jos mahdollista, vaihda juotin hieman isompiteräiseen. Ensin juotetaan 10-pinniset ohjelmointi- ja I/O-porttiliittimet. Huomaa ohjelmointiliitin, proge, se on sininen, jottet liitä ohjelmointikaapelia väärään liittimeen. Varmistu suunta, kaikkien on oltava ehdottomasti oikeassa asennossa (liittimien kolot sisälle päin )!! Juota ensin kustakin liittimestä yksi jalka kiinni ja varmistu, että liitin on oikeinpäin ja muutenkin asento on ok. Sitten loput jalat. 6. Reset-kytkin, SW1. Se menee vain oikein päin. 7. DC-liitin, J5. Reikä on isohko, joten varmistu ennen lopullista juottamista, että asento on oikea. Jos haluat, voit saman tien juottaa optiona olevan riviliittimen J6 (2-osainen) paikalleen. 8. D9-liitin, kulmamalli, koiras, J15 (J16), se menee vain oikeaan asentoon. 9. Regulaattori IC2 on tyyppiä 7805. Jos käytät jäähdytysprofiilia, kiinnitä se ja regulaattori korttiin 3 mm:n ruuvilla ja mutterilla ennen juottamista. 10. Kide, Q1. Lopuksi: Tarkista juotokset, mahdolliset oikosulut ja komponenttien asettelut. Jos kaikki on ok, niin voit kytkeä sähköt, DC-tasajännite, noin +9 V. Punaisen power-ledin tulisi loistaa. Ellei, tarkista juotokset ja suojadiodin (ja ledin) suunta. Ohjelmoi (STK200-mode) mikro-ohjaimeen B-portin testiledivilkutusohjelma ja testaa toiminta. Muuta kellotaajuus toimimaan kideoskillaattorista, ohje löytyy sivulta 6. Jos ohjelmointi ei onnistu, todennäköisesti jokin komponentti puuttuu, osa voi olla väärinpäin, mikro-ohjaimen jokin pinni on huonosti juotettu, tai levyllä on tinasiltoja (oikosulkuja). Mikroskoopin alla huolellinen tarkistus ja epäilyttävien kohteiden uudelleen juottaminen 1.5. Oheiskorttien liittäminen lattakaapelilla I/O-portteihin Lattakaapeliliitin Kaapelin toiseen päähän liitetään 10-pinninen lattakaapeliliitin, joka tulee Mega-MOOkit-korttien 10-pinniseen I/O-porttiliittimeen. Aseta lattakaapeli liittimeen siten, että musta johdin on vasemmalla ja liittimen ohjain, nokka, on kaapeliin päin, ja liittimen reiät ovat suoraan ylös, katso kuva 7. 11
Varmistu ensin, että liitin on varmasti oikein päin. Sitten purista liitin kiinni johtimiin erityisellä työkalulla tai vaikka pienen ruuvipenkin leukojen välissä. Älä kierrä leukoja liian tiukalle, mutta kuitenkin riittävästi. Kuva 7. Lattakaapeliliittimen asentaminen. Kaapeli toimii kaikissa porteissa (ja kaikissa MOOkit-korteissa) samalla tavalla. Vedonpoistaja Sitten taivutat kaapelin ikään kuin takaisinpäin kuvan 8 mukaisesti ja kiinnitä (paina) lopuksi vedonpoistaja paikalleen. 12
Kuva 8. Vedonpoistaja. Kun irroitat kaapeliliittimen kortin liittimestä, ole varovainen. Vedonpoistaja ei tarkoita että kaapelia saa vetää suoraan johdosta. Luonnollisesti voit käyttää myös ns. harmaata lattakaapelia, ole silloin huolellinen ja varmistu johtimien järjestyksestä. Näin asennettuna lattakaapelin johtimien merkitys on seuraava: - ruskea - GND - punainen - +5 V 13
- oranssi - bitti 0 - keltainen bitti 1 - vihreä bitti 2 - sininen bitti 3 - violetti bitti 4 - harmaa bitti 5 - valkoinen bitti 6 - musta bitti 7 Kukin 10-pinninen musta (ruskea) porttiliitin on samanlainen, joten voit liittää oheiskortin kaapelin mihin tahansa porttiin. Katso kuva 9. Kuva 9. I/O-portin liitäntäkaapelin pinnijärjestys. Koekytkentälevyn liittäminen 14
Jos haluat rakentaa ensin testikytkennän ns. koekytkentälevylle, ja testata sitä PK-M128-kortin avulla, se onnistuu erityisen liitäntäkaapelin avulla. Sen avulla voi käyttää yhtä tai useampaa porttia kerrallaan. Kuva 10 kertoo kaiken oleellisen. Kuva 10. Koekytkentälevyn liittäminen PK-korttiin. 1.6. Sarjaportin käyttö Sarjaporttia voi käyttää mm tiedon siirtoon PC:n ja kortin tai vaikkapa kännykän ja kortin välillä. Silloin tarvitaan tietokoneeseen terminaaliohjelma, esim. Tera Term Pro on hyvä ja free. Mikro-ohjaimessa on UART, Universal Asyncronous Receiver Transmitter, joka hoitaa sarjaliitännän tarvitsemat ohjaukset (nopeus, kehysbitit, sarja-rinnakkaismuunnokset). RS-232- liitännän tarvitsemat tasomuunnokset hoitaa kortilla oleva MAX232 tai vastaava. Sarjaporttiin liitettävä kaapelin on oltava ns. käännetty malli, siis kaapelin liittimien pinnit 2-3, 3-2 ja 5-5 yhdistetään.. 15
COM1 liittimessä on vain datalinjat kytketty. COM2:ssa datan lisäksi myös kättelysignaalit. Sarjahiiren liitäntä PK-M128-korttiin. PD2 on RxD1 PD3 on TxD1 Hiiriohjelma (mallikoodi) on tehty mega32 varten, sovita. Se ohjaa ledipalikan ledejä, tai vaikkapa graafisen LCD-näytön valikkoa. 16