Многие профессионалы-разработчики электроники часто "воротят нос" от семейства микроконтроллеров производства Atmel - фи, мол, эта ваша Атмега - только лампочками поморгать. Однако, это спорное утверждение.
Дешевизна, легкость программирования (как физической "заливки" прошивки, так и создания самих программ) превращают микроконтроллеры семейства AVR в универсальный инструмент, доступный начинающему радиолюбителю, а богатейшая линейка устройств - от самых простых ATTiny до устройств Mega256 с огромным количеством периферии "на борту" позволят реализовать самый смелый и амбициозный проект.
В этот раз мы рассмотрим конкретные примеры реализации одноплатных (и не очень) конструкторов на базе микроконтроллеров семейства ATMega. Все они вполне реализуемы в домашних условиях, а некоторые можно приобрести на сайте авторов. Для начала - небольшое отступление про "одноплатники" вообще.
Название говорит само за себя - все компоненты компьютера, необходимые для его базового функционирования размещены на одной плате. Совсем юные читатели сразу подумают о новинках вроде Raspberry Pi, а те, кто уже имеют понятие о мироустройстве - вспомнят РК-86, ZX-Spectrum и БК-0010, например.
Именно так - те самые "компьютеры в клавиатуре" были одноплатными. Да, допускались различные расширения, но кто о них помнит сейчас, тем более приобрести их в магазине было довольно проблематично. Да и нужды не было по большому счету.
И вот 21 век сдвинул "окно ностальгии" в нужную позицию и радиолюбители по всему миру не сговариваясь выпустили несколько проектов, которые по характеристиками ну очень напоминают те самые "эр-кашки" и "спектрумы" конца восьмидесятых годов прошлого века. А некоторые - в точности повторяют, но обо всём по порядку.
AVR Chip Basic
Первый персонаж нашего обзора - компьютер AVR Chip Basic, точнее это целое семейство компьютеров, различающееся по степени "навороченности" и наличию той или иной периферии.
- AVR-ChipBasic8 на базе ATMega8 или ATMega88 (та же микросхема используется в )
- AVR-ChipBasic на базе ATMega16
- AVR-ChipBasic32 на базе ATMega32
- AVR-ChipBasic2 на базе ATMega644
Все они имеют (как минимум) ТВ-выход и общаются с пользователем с помощью языка BASIC. В качестве устройства ввода используется стандартная PS/2 клавиатура.
Как уже говорилось, каждое из устройств обладает разными характеристиками, так например, AVR-ChipBasic8 имеет чёрно-белый видеовыход, может хранить программы на языке BASIC на подключаемой микросхеме EEPROM, ибо память самой микросхемы оставляет лишь 512 байт для хранения исходного текста.
Тем не менее - имеется и звуковой выход, и даже "свободные ножки", на которые можно повесить дополнительное оборудование.
Диалект бейсика очень сильно урезан, но позволяет вдоволь наиграться с этим языком программирования.
Из "фишек" интересное - прошивку можно собрать самостоятельно как под PAL развертку, так и под NTSC.
Остальные аппараты уже в состоянии выводить цветной видеосигнал через разъем SCART, и даже подключаться к совместимой TFT-матрице. Также к услугам пользователя возможность работы с периферией, последовательный интерфейс RS-232 с возможностью общения с "большим братом" и даже "картриджи памяти"! - съемные блоки памяти с записанными на них программами.
Более того, версии на ATMega16,32 и 644 используют одну и ту же плату, то есть достаточно поставить микросхему в панельку и загрузить нужную прошивку.
Остальные подробности можно почерпнуть на . К сожалению страничка на немецком языке, но онлайновые переводчики значительно облегчат жизнь.
Кстати, среди его проектов есть и эмулятор компьютера ZX-81 на микроконтроллерах AVR.
FIGnition
Автор Julian Skidmore создал "одноплатник", работающий под управлением ФОРТ-машины. Устройство способно управляться с экраном размером 25x24 символов, 16 пользовательскими символами, ну или графикой размером 160x160 точек.
Стоит отметить, что устройство может работать как с PAL-телевизорами, так и с NTSC - зависит от загруженной прошивки микроконтроллера ATMega168.
Особый интерес вызывает способ ввода данных. Обычно с AVR-устройствами часто интегрируют поддержку PS/2 клавиатуры, коих в избытке (пока что). Автор подготовился к вселенской катастрофе и организовал ввод с помощью восьми кнопок... Перебор значений на них организован по образу и подобию набора SMS в кнопочных мобильных телефонах.
Безусловно, такое устройство будет интересно в первую очередь поклонникам языка .
Сам автор предлагает приобрести комплект для сборки, хотя схема открыта, и в принципе желающие могут собрать подобное устройство самостоятельно.
Если до этого шла речь о самобытных устройствах, то следующая часть статьи будет почти полностью посвящена эмуляторам и репликам существующих (за некоторым очень интересным исключением).
PMD-85
Первый в списке - компьютер PMD-85. Это довольно интересное устройство, которое выпускалось с 1985 по 1989 в социалистической Чехословакии. По характеристикам он очень похож на семейство "РК-86", выпускавшийся в СССР в середине и конце восьмидесятых годов прошлого века - процессор i8080 и небольшой объем памяти.
Проект был бы весьма интересен отечественным фанатам РК-86, тем более что уже есть реализация на микроконтроллере PIC в проекте Maximite.
AVR-CP/M
Это стоит сделать хотя бы ради великого и ужасного ZORK! И ведь запускают.
В качестве устройства отображения используется serial port.
Для него в плату установлен конвертер Serial->USB, но вполне можно обойтись и без него, точнее - обойтись внешним конвертером.
Сама схема представляет собой контроллер ATMega328 и несколько чипов памяти (из старых видеокарт или материнских плат).
Диск эмулируется через набор образов, размещенных на SD-карте. Схемы, прошивки и прочее можно найти . Сайт на немецком языке, но онлайновые переводчики сделают свое дело.
UzeBox
Постепенно переходим к жемчужинам этого собрания. Первая в списке - самодельная, полностью открытая приставка UzeBOX.
Мало того, что приставка полностью "повторяема" в домашних условиях - её программное обеспечение имеет вполне достойный уровень, и более того - игры для неё разрабатываются энтузиастами прямо-таки в промышленных количествах.
Что "под капотом":
- Низкая стоимость. Всего 2 чипа (микроконтроллер и кодер NTSC), более того - второй не обязателен, если есть телевизор с полноценным разъемом SCART.
- Ядро управляется прерываниями. Нет "тормозов", никто не отсчитывает такты процессора, генерация аудио и видео происходит в фоне.
- 256 цветов 4 звуковых канала - 3 wavetable +1 шумовой
- MIDI-интерфейс
- Стандартные джойстики от SNES (на можно приобрести несколько штук).
- Есть возможность использовать NES (Dendy), но потребуется перекомпиляция игр, хотя это вообще не проблема
- Поддержка манипулятора "мышь" от SNES
- Поддержка SD-карточек UART и SPI интерфейсы доступны, также есть некоторое количество свободных "ножек" ATMega
- Есть эмулятор для разработки игр Загрузчик игр/программ с SD Развитое API для разработки Полностью открытая схемотехника и код
Приставка оказалась настолько удачной, что комплектами для сборки подторговывал магазин - признанный лидер в DIY движении.
Сама приставка базируется на микросхеме ATMega644 в DIP-исполнении (об этом чуть подробнее ниже). Этого контроллера вполне хватает для вышеописанных задач, а на выходе можно наблюдать игры примерно такого качества:
Без сомнения - классика не стареет.
Неплохо для микроконтроллера, правда?
AVR ZX Spectrum 2.0
Ну и в финале - действительно потрясающий проект нашего соотечественника - Василия Лисицына - полностью функциональный "клон" компьютера ZX-Spectrum!
Спецификации впечатляют:
- Разрешение экрана: 256 х 192 точки
- Матрица знакомест экрана: 32 х 24
- Количество цветов на знакоместо: 2
- Число цветов экранной области: 8
- Число цветов бордюра: 8
- Число градаций яркости для каждого цвета: 2
- Эквивалентная частота ЦП: 2,333 МГц
- Порты ввода/вывода: 0xFE, 0x7FFD, 0x7FFD, 0xBFFD
- Клавиатурный интерфейс: PS/2
- Число задействованных клавиш: 82
- Число каналов звукового сопровождения: 4
- Перечень каналов звукового сопровождения: левый AY8910, правый AY8910, средний AY8910, бипер
- Видеовыходы: ЧБ выход, RGB выход, отдельный выход синхронизации
- Поддержка загрузки/выгрузки «на ленту»: имеется
- Дополнительные устройства ввода/вывода: micro-SD карта
- Поддерживаемые модели ZX Spectrum: Pentagon 128 K, ZX Spectrum 128 K, ZX Spectrum 48 K, ZX Spectrum +2, ZX Spectrum +3, ZX Spectrum 48 K ` 2006, OPEN SE BASIC 128 K, OPEN SE BASIC 48 K
- Дополнительная операционная система: SD DOS
- Файловая система: FAT32
- Разъём шины ввода/вывода: имеется
- Конструкция: двухсторонняя печатная плата 140 х 22 мм, установка внутри клавиатуры или в отдельный корпус
- Питание устройства: соединитель mini-USB «F», напряжение +5 В
На фото - плата AVR ZX-Spectrum 2.0 с установленным эмулятором AY8910(12), кстати тоже на ATMega.
Плата в базовой конфигурации имеет на борту 3 микроконтроллера и микросхему динамической памяти аж на 512 кб:
- Центральный процессор (ATMega128)
- Видеопроцессор (опять ATMega128)
- Контроллер клавиатуры (ATTiny2313)
Это позволяет "в теории" реализовать компьютер с таким объемом памяти. Помимо этого на плате есть некоторое количество микросхем мелкой логики.
Уже сейчас помимо "спектрума" плата может функционировать, как Robotron 1715. То есть на этой базе можно реализовывать и другие компьютеры!
Что может быть лучше ретро-платы все в одном! Впрочем, о тайнах и возможностях может поведать сам
Заключение
Микроконтроллеры - отличная возможность прикоснуться с миру разработки микроэлектроники. Для "олдскульщиков" - возможность "нырнуть" в то время, когда они были молодыми, а компьютеры простыми. Для поколения Arduino - шаг вперед в образовании. И пусть фанаты навороченных FPGA и ARMов утверждают о том, что время ATMega прошло - мы-то знаем на что она способна.
Удачных самоделок!
Поскольку дистанционное управление компьютером весьма удобно, в Интернете опубликовано немало схем подобных устройств. К примеру, в статье «Дистанционное управление компьютером на микроконтроллере AVR Mega 8» описано одно из них, а в этой статье речь пойдёт о подобной схеме, но собранной на широко распространённом микроконтроллере AVR Tiny 2313. Она сделана на основе известного устройства «IgorPlug» предназначенного для работы под Windows XP, но в схему были внесены некоторые изменения по следующей причине: в оригинальном устройстве, как и в множестве подобных, распространённых в Интернете, не согласованы по напряжению выходные уровни сигналов с портов микроконтроллера со стандартом USB.
В авторской схеме микроконтроллер питается напряжением 5 вольт, а размах сигнала USB 3,3 вольта. Для согласования этих уровней после внесения изменений вся схема питается напряжением 3,3 вольта от стабилизатора на стабилитроне. Микроконтроллер с таким питанием работает нормально, а фотоприёмник применён другой – BRM-1022 (BRIGHT LED ELECTRONICS). Он допускает диапазон изменения питающего напряжения в пределах 2,7 – 5,5 вольт. Можно без труда подобрать другой аналогичный фотоприёмник, например TSOP-4838. Описанное устройство можно настроить для работы с почти любым из уже имеющихся пультов ДУ.
Инструкция по установке:
1.
Соберите устройство (Рис. 1)
. Переделанная схема устройства дистанционного управления компьютером прилагается к этой статье (Рис. 2)
. Она отличается от вышеназванного оригинала, как уже упоминалось, типом фотоприёмника и схемой питания. Для изготовления устройства применена печатная плата устройства дистанционного управления компьютером на микроконтроллере (Рис. 3)
;
2. Скачайте папку с драйвером и прошивкой после статьи;
3. Запрограммируйте микроконтроллер, записав в него соответствующую прошивку (для этой цели подойдёт, например, параллельный программатор микроконтроллеров AVR), и установите его в устройство. Микроконтроллер можно программировать уже установленным в схему, предварительно припаяв провода к соответствующим площадкам на плате. О таком методе программирования можно прочесть в литературе, содержащейся в категории «Электроника» книжного интернет-магазина «Bookwell».
4. Установите на компьютер программу Girder;
5. Подключите устройство к компьютеру и, когда система запросит драйвер, укажите путь к нему;
6. Скопируйте в папку Girder/plugins библиотеку IgorPlug.dll. Она предназначена для стыковки драйвера устройства с программой Girder. Скачать её можно после статьи;
7. Запустите Girder, затем на вкладке «Файл - настройки» выберите соответствующий модуль и укажите порт USB. Закройте окно, нажав «Сохранить». После этого программа должна реагировать на команды пульта и отображать их номера.
8. Настройте Girder, сопоставив пронимаемым номерам команд требуемые действия.
Единственным недостатком демонстрационной версии предлагаемого драйвера заключается в появлении при открытии и при закрытии программы окна с предупреждением о том, что используется бесплатная версия драйвера.
Скачать архивы:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера
К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.
В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller - MC.
Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.
Для производства современных микросхем требуются сверхчистые помещения.
Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении). За ними следуют 16-разрядные и DSP-микроконтроллеры (DSP - Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор), ориентированные на использование в системах обработки сигналов (каждая из групп занимает примерно по 20 % рынка). Внутри каждой группы микроконтроллеры делятся на CISC- и RISC-устройства. Наиболее многочисленной группой являются CISC-микроконтроллеры, но в последние годы среди новых чипов наметилась явная тенденция роста доли RISC-архитектуры.
Тактовая частота, или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second - миллион инструкций в секунду).
В данной статье я опишу создание мною простого бортового компьютера для автомобиля или мотоцикла. Никаких экзотических функций устройство не содержит, но зато в нём есть часы, термометр и вольтметр. Основа, это AVR микроконтроллер ATmega8 с восьми килобайтами флеш память, этого нам как раз достаточно. Часы реализованы на специальной микросхеме (часов реального времени RTC) DS1307, это позволяет идти часам очень точно довольно длительное время, даже тогда когда устройство выключено. Но конечно для работы микросхемы DS1307 требуется дополнительное питание 3 вольта, например батарейка CR2032. Датчик для термометра взял DS1820 работающий по интерфейсу 1-Wire. Все данные выводятся на ЖК индикатор на контроллере . Итак, для сборки устройства понадобятся следующие радиодетали:
1. Микроконтроллер Atmega8 - 1шт.
2. Микросхема DS1307 - 1шт.
3. Датчик DS1820 - 1шт.
4. Панелька DIP-8 - 1шт.
5. Панелька DIP-28 - 1шт.
6. Микросхема LM7805 - 1шт.
7. Микросхема LM7809 - 1шт.
8. Тактовые кнопки - 4шт.
9. Кнопки с фиксацией положения - 2шт.
10. Кварц 14.3 МГц - 1шт.
11. Кварц часовой 32768 Гц - 1шт.
12. Конденсатор керамический 22 пф - 2шт.
13. Конденсатор керамический 100 нф - 4шт.
14. Транзистор КТ315 - 2шт.
15. Конденсатор электролитический 100 мкф - 1шт.
16. Конденсатор электролитический 47 мкф - 2шт.
17. Диод 1N4001 - 1шт.
18. Подстроечный резистор 20 кОм - 2шт.
19. Резистор 1 кОм - 2шт.
20. Резистор 10 кОм - 2шт.
21. Резистор 4,7 кОм - 3шт.
22. Резистор 100 кОм - 1шт.
23. Резистор 20 Ом - 1шт.
24. Резистор 68 Ом - 1шт.
25. Динамик 0.2 Вт - 1шт.
26. ЖК индикатор WH1602 (на контроллере HD44780 или совместимом) - 1шт.
27. Текстолит - 1шт.
28. Корпус пластиковый - 1шт.
29. Отсек для батареек 2xAA - 1шт.
30. Батарея 1.5v AA - 2шт.
Принципиальная схема устройства:
Подстроечный резистор R4 устанавливает контрастность ЖК индикатора, а R12 подстраивает вольтметр до точного значения. Кварц Z2 на 14.3 МГц, его можно найти на старых материнских платах. Кнопка S1 - "Отмена", S2 - "Вниз", S3 - "Ок", S4 - "Вверх". Резистор R3 подтягивает Reset микроконтроллера к плюсу питания чтобы предотвратить случайный сброс. Резисторы R1, R2 и R7 также подтягивают порты микроконтроллера к плюсу питания. Керамические конденсаторы C1 и C2 нужны для стабильной работы кварца Z2. Я собрал устройство на двух печатных платах, на одной содержатся микросхемы LM7805 и LM7809, на другой, всё остальное. Платы рисовал в программе и изготавливал с помощью . Вот готовая плата покрытая сплавом розе:
Плата с запаянными на ней деталями:
С обратной стороны:
Все потроха собрал в корпус, в итоге получилось красиво и компактно.
Фото готового бортового компьютера (вид спереди):
Фото готового бортового компьютера (вид сзади):
Для удобства, спереди я разместил только ЖК индикатор и кнопки управления S1, S2, S3 и S4. Разъём, кнопки включения устройства и выключения звука, подстроечный резистор R12 я разместил сзади корпуса. Прошивку для микроконтроллера писал в среде (исходник прилагается), микроконтроллер прошивал программатором USBtiny с помощью программы SinaProg. После прошивки микроконтроллера нужно установить следующие фьюз-биты:
Правильно собранное и прошитое устройство запускается сразу, и не требует настройки, разве что, точной подстройки вольтметра и настройки часов. Из дополнительный функций присутствует регулировка яркости ЖКИ и часовой бипер (часы подают сигнал в начале каждого часа). При включении устройства на ЖКИ появляется заставка и плавно загорается подсветка индикатора, потом появляется главный экран, где отображается время, дата, температура и напряжение. Если в это время нажать кнопку S3 то вы войдёте в меню настройки времени, S2 - в информационную вкладку, где написана информация о версии устройства и его авторе, S4 - в меню настройки яркости ЖКИ и управления часовым бипером. Кнопка S1 возвращает обратно, на главный экран. Наглядно посмотреть, как управлять устройством вы можете на видео:
В файлах к статье есть исходники программы, прошивка, проект в программе .
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | Часы реального времени (RTC) | DS1307 | 1 | В блокнот | ||
| IC2 | МК AVR 8-бит | ATmega8 | 1 | В блокнот | ||
| VR1 | Линейный регулятор | LM7805CT | 1 | В блокнот | ||
| VR2 | Линейный регулятор | LM78L09 | 1 | В блокнот | ||
| VT1, VT2 | Биполярный транзистор | КТ315Б | 2 | В блокнот | ||
| VD1 | Выпрямительный диод | 1N4001 | 1 | В блокнот | ||
| Z1 | Кварц | 32768 Гц | 1 | В блокнот | ||
| Z2 | Кварц | 14.3 МГц | 1 | В блокнот | ||
| C1, C2 | Конденсатор | 22 пФ | 2 | Керамические | В блокнот | |
| C3-C5, C8 | Конденсатор | 100 нФ | 4 | Керамические | В блокнот | |
| C6, C7 | 47мкФ 16В | 2 | В блокнот | |||
| C9 | Электролитический конденсатор | 100мкФ 35В | 1 | В блокнот | ||
| R1, R2, R7 | Резистор | 4.7 кОм | 3 | В блокнот | ||
| R3, R10 | Резистор | 10 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R4, R12 | Подстроечный резистор | 20 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 20 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R6, R9 | Резистор | 1 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R8 | Резистор |
