Hochvolt-AVR-Programmiergerät

Neben der ISP-Schnittstelle bei auf 0 V gehaltenem Reset-Eingang können AVRs auch mit 12 V am Reset-Eingang programmiert werden. Im Gegensatz zu PICs ist dann das Programmier-Interface (leider) völlig anders:

Hochvolt-Programmierung ist erforderlich, um den Reset-Anschluss als Ein/Ausgang zu benutzen und Änderungen an der Firmware machen zu können. Auch kann es passieren, dass man sich aus Irrtum oder mit einem defekten(?) Programmiergerät die RSTDISBL-Fuse setzt und sich so vom weiteren ISP-Programmieren aussperrt. „Verfused“ genannt. Das betrifft alle AVR-Controller mit < 40 Beinchen.

PIC-Controller sind davon nicht betroffen, diese erlauben das Setzen einer vergleichbaren Fuse nur bei hoher Programmierspannung. Zudem ist die Umfunktionierung des Reset-Anschlusses weniger interessant, weil dieser nur als Eingang dienen kann. (Bei AVR ist ein Push-Pull-Ausgang möglich, allerdings mit verringerter Treiberstärke.)

AVR-HV-Prog⚓

Ausgehend von ElmChans Programmieradapter wurde auf www.mikrocontroller.net ein geeignetes Programmiergerät für alle Durchsteck-Chips veröffentlicht. Leider ist der Platinenentwurf nicht für die Produktion bei einer professionellen Platinenfertigung geeignet; die Löcher sind allesamt viel zu klein. Zudem gab es (bei mir) Schwierigkeiten mit dem 74HC299 in Verbindung mit einer langen Leitung zum Drucker. Obendrein benötigt man ein Kabel mit 2× Stecker.

Original mit Anmerkungen zur Beseitigung der Reflexionen. Zum Nachbau nur in der heimischen Werkstatt (ohne chemische Durchkontaktierungen) brauchbar, aber mangels Parallelports nicht mehr sinnvoll.
Korrigiert vor allem die Lochdurchmesser und die Reflexionsbeseitigung, neben vielen anderen Kleinigkeiten, u.a. beim Bestückungsdruck. Für die Produktion geeignet, aber mangels Parallelports nicht mehr sinnvoll.
- Schaltplan als Vektorgrafik
- Board-Layout und Bestückung als Vektorgrafik

Dafür habe ich das Windows+Linux-Programm avrpp geschrieben. Es hat eine auf Einfachheit optimierte Kommandozeile, lädt ELF-Dateien und kann Fuse-Bits dekodiert anzeigen. Der Zugang zum Parallelport kann sowohl direkt via giveio64 als auch indirekt via inpoutx64.dll erfolgen. Unter Linux immer direkt via ioperm(), der indirekte Zugriff über das Dateisystem /dev/port ist auskommentiert.

avrpp-usb⚓

Steckbrief: Handliches AVR-Programmiergerät für alle 5-V-AVR-Controller mit allen Programmierschnittstellen ISP, HVPP, HVSP und TPI. Mit USB und integrierter Programmierspannungserzeugung. Mit PIC-Unterstützung: ICSP-HV und ICSP-LV.

Motivation: Nicht das Aussterben von Parallelports bewegt mich zu einer USB-Lösung, sondern der nervige Griff zum Steckernetzteil für die Stromversorgung bewegte mich schließlich zum Neuentwurf mit echtem USB. Da ich die Software avrpp selbst in die Hand genommen hatte, sollte es keine allzu große Schwierigkeiten bereiten, die Programmier-Routinen in einen USB-Mikrocontroller zu stecken.

Hardware: Als Ausgangspunkt dienen tote Arduino Unos! Diese enthalten neben dem ATmega328 auch einen ATmega16U2 als USB-Seriell-Wandler. (Nicht bei den chinesischen Nachbauten.) Diesen wiederzuverwenden ist die Idee, ausgerechnet diesen etwas seltener verwendeten Controller zu verwenden. Auch „lebendigen“ Arduinos kann man den USB-Seriell-Wandler entreißen, dann geht's halt mit ISP weiter.

Schaltplan
Bestückung oben
Bestückung unten

Schaltungs- und Platinenentwurf, Eagle-Quelle

Alles in allem ähnlich der Platine fürs Parallelport, mit folgenden Extras:

20-poliger Anschluss für Flachbandkabel via IC-Adapter, um externe SMD-Chips loseisen zu können. Jaja, macht viel Arbeit, die 20 Lötpunkte, nur um eine falsche Fuse zurückzusetzen. Dazu IC6 abgreifen!
Ein PWM-Ausgang arbeitet als D/A-Wandler macht die einstellbare Programmierspannung. Für moderne PICs die mit U_PP = 8 V geflasht werden.
ISP, d.h. das Programmiergerät emuliert einen USB-ISP-Konverter. Auf der Platine befindet sich dazu der Wannenstecker ESP: „Ex-System-Programmer“. Außerdem als ICSP-Anschluss für PICs. (Während der beinahe parallel geschaltete Wannenstecker ISP zum Betanken des ATmega16U2 dient, falls sein USB-Urlader bockt.)
- Im Gegensatz zu Atmels avrisp-mkII kann dieses Programnmiergerät das Target mit 5 V speisen! Dazu misst es, ob 5 V in spe präsent sind, und wenn nicht wird einfach das speisende Mikrocontroller-Pin auf Ausgang geschaltet. Kann nur nominell 40 mA liefern, also keine parallel angeschlossenen „schweren“ Lasten treiben.

Im Muster wurde ein AT90USB162 bestückt. Für AT90USB82 oder ATmega8U2 ist die Firmware zu groß. Für ATmega16U4 bzw. ATmega32U4 ist weder Software noch Platinenentwurf ausgelegt. Der Atmel-Urlader wurde durch (mein) UBA ersetzt, der bei dieser Gelegenheit korrigiert und modernisiert wurde. Die Pins des Mikrocontrollers reichen dass es pufft und kracht! Dabei habe ich mir das Setzen der RSTDISBL-Fuse verkniffen.

Software-Entwicklung: Ein völlig inkompatibles Interface nur zu avrpp.exe sollte vermieden werden. Als sehr schwierig erwies sich die Auswahl und Emulation eines hinreichend bekannten und dokumentierten vorhandenen Produkts. Schließlich habe ich mich für vier USB-Interfaces und eine Doppel-Emulation für AVR entscheiden müssen: Sowohl STK500 — die serielle Schnittstelle via CDC-Interface läuft bis hinunter zu Windows98, als auch STK600 — treiberlos ab Windows 8, benötigt avrdude 7, unterstützt TPI. (Wichtig: Die ~~beiden~~ drei Emulationen können auf USB-Seite aus mehreren verschiedenen Gründen nicht in einem Multifunktions-USB-Gerät koexistieren! Sie müssen vom Anwender umgeschaltet werden.)
Ausgangspunkt war avr-doper, aber im Gegensatz zu jenem unterstützt es HVPP. Und hat dank echtem USB-Full-Speed kein Problem mit CDC-via-Low-Speed. Dabei stellte der nicht ausreichende RAM (512 Byte statt 1 KByte beim ATmega8) für die avrdoper-Firmware die größte Portierungs-Hürde dar. Wurde durch „Streaming-Interface“ für Lesedaten halbiert. Die „Hochspannungs“-Erzeugung klappte auf Anhieb. HVPP (bspw. AT90S4433) und externes ISP geht auch.

Die Firmware:

Emuliert STK500 via USB-serielle Schnittstelle (erster Deskriptorsatz, für Windows < 8 ① oder avrdude < 7).
Emuliert STK600 via WinUSB ② bzw. WebUSB (zweiter Deskriptorsatz, Vorgabe). Das Schöne am STK600 ist, dass man bei avrdude kein COM-Port mehr angeben muss. ④
Emuliert PICkit2 via HID ③. Auch hier braucht es kein COM-Port.
Emuliert MTP-Gerät. Hier braucht man nicht einmal eine Programmiersoftware, der Explorer reicht. Allerdings kann man's schlecht im Makefile integrieren.

Es gibt eine — derzeit noch funktionsarme — Web-Äpp. Damit kann alternativ zwischen STK500- und STK600-Emulation gewechselt werden.

Treiber unter Windows < 8 erforderlich: Eine INF-Datei genügt.
Treiber unter Windows < 8 erforderlich: Am besten Zadig verwenden. Prinzipiell sollte via String-Deskriptor 0xEE auch Windows 7 native laufen, kann ich aber derzeit nicht testen.
Treiber kommt von Windows, schon ab Windows98. Koexistenz mit WinUSB scheitert an avrdude: Es stolpert wenn der STK600 Teil eines Multifunktionsgeräts ist. Zudem braucht es zwingend eine andere Vendor- und Product-ID.
Es ist genau genommen ein Lapsus von avrdude, das COM-Port nicht irgendwie automatisch zu finden. Dadurch ist es gängige aber irrsinnige Praxis, das COM-Port im Makefile angeben zu müssen.

Das vierte USB-Interface ist ein MTP-Interface. Im Explorer oder Total Commander erscheinen dauerhaft 3 winzige ASCII-Dateien zur Konfiguration:

detect — enthält die zu durchsuchenden Programmierschnittstellen, komma-separiert, hier nach steigender Programmierspannung sortiert:
- ISP: Standard-Programmierschnittstelle für AVR aus →SCK, →MOSI, ←MISO und →RESET
- LVTPI: Niedervolt-Programmierschnittstelle für AVR ATtiny4,5,9,10 aus →CK, ↔DATA und →RESET
- LVICSP: Niedervolt-Programmierschnittstelle für PIC aus →Clock, ↔Data und →MCLR
- ICSP: Standard-Programmierschnittstelle für PIC aus →Clock, ↔Data und →MCLR
- PP: Hochvolt-Programmierschnittstelle für AVR ≥ 20 pin
- HVSP: Hochvolt-Programmierschnittstelle für AVR ≤ 14 pin aus →CK, →IIN, →DIN, ←DOUT und →RESET
- TPI: Standard-Programmierschnittstelle für AVR ATtiny4,5,9,10 aus →CK, ↔DATA und →RESET
standardmäßig alle
clock: Bittaktfrequenz in Hz, nur für ISP, standardmäßig 125000
Bei langsam getaktetem Chip kann es sein, dass der Bittakt gedrosselt werden muss. Er muss kleiner als 1/4 der Taktfrequenz im Target sein, wobei der interne Taktteiler mitzählt und dieser im Unglücksfall auf ÷256 steht. Im Extremfall, bei einer Taktung mit einem 32,768-kHz-Uhrenquarz, muss die ISP-Taktfrequenz auf 32768/256/4 = 32 Hz (!) gestellt werden für eine erfolgreiche Kontaktaufnahme via ISP.
Dieser Programmer schafft 8 MHz Bittakt maximal, zu bevorzugen wenn's schnell gehen muss. Intern werden nur 2ⁿ-Teilerwerte benutzt. Nicht wundern bei Rundungseffekten!
upp: Maximale Programmierspannung in Volt, mit einer Nachkommastelle, für die Detektion von Chips via Hochvolt-Schnittstelle, standardmäßig 12.0

Bei angeschlossenem Mikrocontroller (kurz „Chip“ oder „Target“ genannt) erscheinen einige weitere Binärdateien:

chipname.signature — enthält die drei Signaturbytes (nicht schreibbar)
chipname.fuse — enthält bis zu 3 Fuse-Bytes
chipname.config — enthält Konfigurationsbytes für ATtiny4,5,9,10 sowie PIC
chipname.usersig — enthält die benutzerdefinierte Signatur (bei PIC)
chipname.lock — enthält die Sperrbits in 1 Byte
chipname.calib — enthält bis zu 4 Oszillator-Kalibrierbytes
chipname.eeprom — synthetisiert vom EEPROM-Inhalt
chipname.flash — synthetisiert vom Flash-Inhalt
chipname.elf — synthetisiert von allen Speicherblöcken, inklusive Signatur. Die section-Namen entsprechen den vorhergehenden 8 Dateiendungen.
chipname.hex — ebenso synthetisiert von allen Speicherblöcken, Textdatei.

Beim Verzeichnis-Refresh sucht die Firmware mit den Programmier-Algorithmen, die in der Datei detect angegeben sind, mit steigender Programmierspannung nach einer bekannten Signatur. Über eine kompakte Lookup-Tabelle — updatefreundlich im EEPROM — erfolgt die Zuordnung des Namens, der Sektionsgrößen und der Programmierparameter. Daraus wird der weitere Verzeichnisinhalt generiert.
Ein Verkürzen der synthetisierten Dateiinhalte auf tatsächlich gefüllte Bereiche erfolgt nicht, weil das ein doppeltes Auslesen des Chips erfordern würde. Das gilt sinngemäß auch für jungfräuliche, leere Chips.
∙ Nicht jeder Chip enthält alle diese Sektionen. Entspreched „entstehen“ weniger Dateien. Dazu „kennt“ die Firmware die Chips anhand ihrer Signatur.
∙ Das Auslesen von per Sperrbit auslesegeschützten Chips liefert Müll. Deshalb entstehen die entsprechenden Dateien nicht bei detektiertem Ausleseschutz.

Das Schreiben einer Datei mit den oben angegebenen Endungen (außer signature) beschreibt den entsprechenden Speicher im Target. Zusätzlich löst das Anlegen einer Datei auf erase endend einen Bulk-Erase-Befehl aus, der ggf. das Sperrbyte rücksetzt. Auf diese Weise wird keine Programmiersoftware benötigt! Kein avrdude (mögliche Lesung: a-v-r-дюд), kein avr-objcopy: Aufkopieren der .elf-Datei genügt! Alternativ mit einer .hex-Datei, da diese bei PIC üblich ist. (Ich muss noch rausfinden wie das auf der Kommandozeile geht.) Alle anderen Datei-Endungen werden schlicht abgewiesen.

Stand: Datenbank aus 100 AVR-Controllern. Via HVPP erkennen und auslesen. Klartext-Name. Ohne ELF- und HEX-Synthese.

Das Durchschalten der vier USB-Interfaces erfolgt durch einen Jumper zwischen Pin 4 und Pin 6 am ISP oder ESP und Anstecken des USB-Kabels, also bei PowerOn. Bei Erreichen des Ziels Jumper entfernen! Er behindert den Programmiervorgang! Mit jedem Steckvorgang schaltet die Emulation eine Stufe hoch:

STK600-Emulation (Lieferzustand)
PICkit2-Emulation
MTP-Emulation
STK500-Emulation

Stand: Es funktioniert ISP, HVPP, HVSP und TPI, via avrdude -c stk600, avrdude -c stk600pp, avrdude -c stk600hvsp und avrdude -c stk600. Ein Taktsignal für ISP (4 MHz) kann im Innern abgegriffen werden.
Das braucht man wenn die Fuses auf Keramik- oder Quarzoszillator stehen und kein Quarz oder Keramikschwinger beschaltet ist, oder wenn externe Taktspeisung eingestellt ist.
In Arbeit ist PICkit2-Emulation avrdude -c pickit2 und Integration in avrpp.exe.

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