Программирование микроконтроллеров EFM8 с помощью встроенного загрузчика программ

В статье описаны аппаратные средства программирования микроконтроллеров EFM8, совместимых с MCS-51, с помощью встроенного загрузчика программ. Микроконтроллеры EFM8UB10, EFM8UB30 программируют по интерфейсу USB, EFM8LB12 - по интерфейсу RS232. Этих средств нет в руководстве пользователя [1], тем не менее они способны работать под управлением поставляемых производителем микроконтроллеров программных средств. Произведена проверка работоспособности программ, загруженных с помощью описанных средств в микроконтроллеры.

Компания Silicon Laboratories начала производить совместимые с MCS-51 микроконтроллеры EFM8 в 2015 г. Среди них, например, недорогой микроконтроллер EFM8UB10 с интерфейсом USB в сверхминиатюрном корпусе QFN20. Для него компания бесплатно поставляет программные средства USBXpress, позволяющие программировать обмен информацией по USB с помощью простейших функций записи/чтения. В параметрах этих функций нужно указать только имя пересылаемого массива и число его элементов. Никаких знаний спецификаций интерфейса USB и особенностей программирования его многочисленных регистров не требуется. Наличие в EFM8UB10 встроенных интерфейсов UART, SMBus/I²C, SPI позволяет легко конструировать на его основе преобразователи интерфейсов USB-RS232, USB-RS485, USB-SPI.

Недорогой сверхскоростной (75 МГц) микроконтроллер EFM8LB12, оснащённый 14-разрядным высокоскоростным АЦП (900000 преобразований в секунду) и прямым доступом к памяти, позволяет с помощью известного метода передискретизации и усреднения получить разрешение до 19-20 двоичных разрядов и превзойти практически любой сигма-дельта АЦП как по точности, так и по скорости. Встроенный блок логики (CLU) позволяет использовать примитивы FPGA - аппаратные функции И, ИЛИ, НЕ, триггеры. С их помощью легко реализовать, например, кнопочное управление процессом измерения, построив простейшие антидребезговые узлы без каких-либо дополнительных аппаратных средств. Таким же блоком CLU оснащён и микроконтроллер EFM8UB30, совместимый по выводам с EFM8UB10, но с утроенной по сравнению с ним программной памятью и существенно увеличенным ОЗУ

Наличие во всех микроконтроллерах семейства EFM8 матрицы соединений позволяет с помощью команд skip перемещать сигналы интерфейсов по всему микроконтроллеру и размещать их в оптимальном месте.

Бесплатно поставляемые для EFM8 программные средства Simplicity Studio существенно облегчают их программирование (в частности, автоматически формируют подпрограммы инициализации устройств). В семействе EFM8 есть и другие новинки, например, EFM8SBXX и EFM8BBXX.

Однако среди разработчиков аппаратно-программных средств существует давно устоявшееся негативное отношение к микроконтроллерам компании Silicon Laboratories. Основной камень преткновения - дороговизна аппаратных средств поддержки. До последнего времени для программирования таких микроконтроллеров требовался универсальный адаптер USB-DEBUG, высокая стоимость которого в подавляющем большинстве случаев приводила к отказу от их использования и к выбору иных, пусть даже с несколько худшими параметрами микроконтроллеров, не требующих высоких затрат на загрузку программ.

Микроконтроллеры семейства EFM8 оснащают встроенным загрузчиком программ. Достаточно подключить их к компьютеру (EFM8UBXX - по интерфейсу USB, остальные - по интерфейсу RS232), запустить на компьютере программу загрузки и необходимые коды будут записаны в память микроконтроллера. Идея эта не нова. Ведущие фирмы-производители микроконтроллеров давно уже используют встроенные в них загрузчики программ, не требующие практически никаких затрат на аппаратные средства программирования.

К микроконтроллерам семейства EFM8 имеются готовые компьютерные программы-загрузчики, написанные на языке Python в виде скрипта и выполняемые в режиме командной строки в 32-разрядной ОС Windows 7 и в более поздних версиях этой ОС.

Описания семейства микроконтроллеров EPM8 и программных средств их программирования приведены в [1, 2]. Однако там абсолютно отсутствуют принципиальные схемы устройств сопряжения микроконтроллера с компьютером для программирования. Кроме того, в [2] описаны не все программные средства, требующиеся для адекватной работы загрузчика.

В предлагаемой статье автор восполняет указанные пробелы. Приведены схемы программаторов и показано, что необходимо для адекватной работы встроенного загрузчика.

Сначала о программировании EFM8UB10 и EPM8UB30 по интерфейсу USB. В [3] и более подробно в [4] описаны аппаратно-программные преобразователи USB-SPI на базе микроконтроллеров EFM8UB10, сопрягаемые с компьютером по интерфейсу USB. В устройстве, схема которого показана на рис. 1, использован подобный способ сопряжения, однако в нём оставлено только то, что требуется для работы загрузчика. Сигналы USB поступают на разъём XS1 по кабелю, второй конец которого вставлен в стандартный разъём USB компьютера. Такой кабель входит в комплект практически любого сотового телефона, поэтому специально приобретать его не требуется.

Рис. 1. Схема устройства

Разъём XP1 при необходимости может служить для подключения адаптера USB-DEBUG. Однако здесь он использован лишь для того, чтобы разрешить перевод микроконтроллера в режим загрузки программ. Для этого достаточно установить перемычку между контактами 1 и 2 этого разъёма.

RC-цепь R1R2C2С3 предназначена для того, чтобы сохранить низкий уровень напряжения на выводе 9 микроконтроллера, по крайней мере, в течение 40 мкс после подачи питания. Это требуется для перевода микроконтроллера в режим программирования с помощью встроенного загрузчика.

Отдельный источник питания напряжением 5 В для описанного устройства не требуется. Оно поступает по линии V_bus интерфейса USB.

Микроконтроллер EFM8LB12 не имеет интерфейса USB, поэтому его программируют по интерфейсу RS232 (COM-порту компьютера). Следует заметить, что в современных ноутбуках (кроме дорогих специализированных) такой интерфейс почти не встречается. В современных настольных компьютерах COM-порт имеется довольно часто. Однако бывает, что его разъём не выведен наружу, но тем не менее присутствует на материнской плате компьютера в виде десятиштыревого разъёма. Чтобы вывести его наружу, в один из свободных слотов на задней стенке системного блока нужно вставить заглушку стандартного размера с разъёмом DB-9M, к которому присоединён отрезок плоского кабеля с ответной частью разъёма, установленного на материнской плате. Несколько дороже можно приобрести готовую плату с одним или двумя COM-портами, которую соединяют с системной шиной компьютера.

И наконец, существуют преобразователи интерфейсов USB-RS232, выполненные в виде кабелей с соответствующими разъёмами на концах. Однако их работу с описанным ниже программатором для EFM8LB12 автор не проверял.

Схема такого программатора, показанная на рис. 2, не намного сложнее изображённой на рис. 1. Она содержит RC-цепь R2R3C3 для задержки сигнала перевода микроконтроллера в режим программирования и разъём XP2 для установки перемычки, разрешающей перевод микроконтроллера в режим программирования и возможного подключения адаптера USB-DEBUG. Сигналы интерфейса RS232 RxDM и TxDM, имеющие ТТЛ-уровни, с разъёма XP1 поступают соответственно на выводы 28 и 29 микроконтроллера DD1.

Рис. 2. Схема программатора

Источником питающего напряжения 5 В может быть любой стабилизированный блок питания с таким выходным напряжением при токе нагрузки 100 мА. Интегральный стабилизатор LP2950Z-3.3(DA1) выдаёт стабилизированное напряжение +3,3 В, поступающее на выводы 2 и 3 микроконтроллера, а также на контакт 4 разъёма XP1 для питания подключённого к нему устройства. Индикатором наличия напряжения 5 В в устройстве служит светодиод зелёного свечения HL1 с ограничивающим его ток резистором R1.

Программатор собран на макетной плате, все соединения на которой выполнены проводом МГТФ-0,03. Поскольку микроконтроллер EFM8LB12 имеет корпус QFP32 с шагом выводов 0,8 мм, для непосредственной установки на такую плату он непригоден. Необходима плата-переходник, на которой выводы для внешних подключений расположены с шагом 2,5 или 2,54 мм. Такая плата описана в [3] и [4].

Для сопряжения устройства, схема которого изображена на рис. 2, с компьютером потребуется изготовить по схеме рис. 3 преобразователь уровней сигналов интерфейса RS232 в уровни TTL и обратно. Этот преобразователь собран на микросхеме ADM3101EACPZ (DA1). Это недорогая миниатюрная микросхема, выпускаемая в корпусе CP-12-1 размервми 3x3 мм, требует для своей работы только пять конденсаторов (C1-C5) и отличается от распространённой микросхемы MAX232 уменьшенным до двух числом каналов преобразования и пониженным до 3,3 В напряжением питания. Для сигналов уровней ТТЛ и напряжения питания предназначен разъём XS1, а для сигналов уровней RS232 - разъём XP1.

Рис. 3. Схема преобразователя