Tässä artikkelissa käydään lyhyesti läpi kuinka TQFP-32-koteloitu Atmelin ATmega328P-mikrokontrolleri saadaan toimintaan mahdollisimman vaivattomasti. Valmiilla kytkennällä voidaan toteuttaa monenlaisia rakennelmia, sillä piirilevylle juotettavien piikkirimojen ansiosta levyn voi painaa kiinni suoraan koekytkentäalustalle (Breadboard). Samat ohjeet käyvät ATmega328P:n ohella myös useille muillekin pintaliitoskoteloiduille mikrokontrollereille ja piireille.

Atmel ATmega328P -mikrokontrollereita ja erilaisia valmiita SMD-koekytkentälevyjä

Olen hankkinut thaimaalaisesta Futurlecista erilaisilla pintaliitosjuotoskuvioilla varustettuja pieniä koekytkentälevyjä, joihin voi juottaa komponentin lisäksi kiinni esimerkiksi piikkirimaa tai johdot. Valmiit piirilevyt ovat käteviä varsinkin siinä mielessä, ettei levyä tarvitse suunnitella ja syövyttää itse. Yllä olevassa kuvassa vasemmalta lähtien testilevyt eri pintaliitoskotelointityypeille:

• SSOP-16 (Shrink Small Outline Package)
• SOP-20 (Small Outline Package)
• TQFP-32 (Thin Quad Flat Pack)

Atmega328P-mikrokontrolleri ennen juottamista

Juottaminen

Juottamisen jälkeen

Fixpoint EP-5 -juotosasema

Juottamiseen käytän Oulun SP-Elektroniikasta hankittua Fixpoint EP5 -juotinasemaa. Laitteessa on taustavalaistu 60 x 30 millimetrin näyttö, joka näyttää sekä tavoitelämpötilan että reaaliaikaisen kärjen lämpötilan. Vaihdettavassa matalajännitteisessä kahvaosassa on lämpötila-anturi, joka yhdessä aseman termostaatin kanssa pitää todellisen lämpötilan varsin tarkasti tavoitelämpötilan ympäristössä. Juotosaseman hintalaatusuhteen olen todennut olevan kohdillaan. Kolviin saa myös vaihdettavia kärkiä varsin edullisesti. Olen käyttänyt juotosasemaa noin puoli vuotta useita kertoja viikossa ja menossa on ensimmäinen juotoskärki. Kun käyttää puhdistussienen kastelemiseen tislattua tai ainakin ionivapaata vettä, niin kärjen elinikäkin pysyy pidempänä. Kannattaa myös laittaa kolvin kärkeen kunnolla tinaa juottamisen jälkeen. Näin kärki pysyy paremmassa kunnossa ja puhtaana.

En ole vielä kirjoittanut opasta juottamisesta, joten mikäli pintaliitoskomponenttien juottaminen käsipelillä ei ole tuttua hommaa, kannattaa katsoa aiheesta esimerkiksi alta löytyvä Curiousinventor.comin julkaisema video:

Piikkirimat

Piikkirimojen juotokset

Toin kaikki mikrokontrollerin pinnit ulos normaalille 0,1 tuuman välistyksen piikkirimalle. Tällöin piirilevyn voi painaa suoraan koekytkentäalustalle.

Piirilevy alapuolelta katsottuna

Juotosten tarkistus

Mikrokontrollerin jalkojen ja juotettujen piikkirimojen väliset yhteydet on hyvä tarkistaa yleismittarilla

Kun juotokset on tehty, kannattaa ehdottomasti tarkistaa, että kaikki yhteydet pelaavat eikä oikosulkuja ole. Tämän voi tehdä tavallisella yleismittarilla.

Valmis piirilevy painettuna kiinni koekytkentäalustalle (breadboard)

Reset-linjan ylösveto ja virransaannin turvaaminen

Kytkentäkaavio, joka soveltuu käytettäväksi melkein kaikissa Atmelin mikrokontrollereissa

Koska käytetty mikroprosessori vaatii toimiakseen, että reset-linja on vedetty ylös, päätin hoitaa homman 10 kilo-ohmin pintaliitosvastuksella.

Ylösveto tarkoittaa käytännössä sitä, että piirin reset-pinnin jännite pakotetaan samaksi kuin piirin käyttöjännite. Mikäli kytkentään haluttaisiin lisätä mikrokontrollerin resetointinappi, laitettaisiin se vetämään reset-linja alas maihin. Tällöin nappia painettaessa mikrokontrolleri menisi reset-tilaan ja kun nappi vapautettaisiin, reset-linja nousisi takaisin ylös ja MCU (µC, uC, MCU = Microcontroller) käynnistyisi uudelleen. Mikäli ylösvetovastusta ei olisi, vaan reset-linja olisi kytketty suodaan käyttöjännitteeseen, aiheuttaisi mahdollisen reset-napin painaminen oikosulun käyttöjännitteen ja maan välille.

Koska mikrokontrolleri voi tarvita nopeasti suuriakin määriä virtaa, täytyy sitä olla mahdollisuus toimittaa. Jännitteensyöttö ei tähän kykene ilman lähelle mikrokontrolleria sijoitettua kondensaattoria (yllä olevassa kytkentäkaaviossa C1), joka pystyy antamaan nopeasti virtaa, kun sitä tarvitaan. 100 nanofaradia on yleinen ja toimiva vaihtoehto esimerkiksi mikrokontrollerien virransaantia turvaamaan. Kannattaa kuitenkin aina tarkistaa piirin datalehti. Riippuen virtalähteestä, kannattaa joissain tapauksissa VCC:n ja GND:n välille lisätä myös suurempi elektrolyytti-, tantaali- tai keraamikondensaattori.

Testaus käytännössä

ATmega328P-mikrokontrolleri kytkettynä kiinni Atmel AVR Dragon -ohjelmointilaitteeseen

Atmelin AVR-tuoteperheen mikrokontrollereita on mahdollista ohjelmoida muutamilla eri yhteystavoilla. Yleisimmät niistä ovat ICSP (In Circuit Serial Programming) ja JTAG (Joint Test Action Group). ICSP:stä käytetään usein nimeä ISP (In-System Programming). ISP-yhteyttä käyttämällä voidaan tehdä usein kaikki tarpeellinen – jopa debuggaus, mikäli kohdemikrokontrollerista löytyy debugWire-ominaisuus ja käytössä on AVR Dragon (kuten tässä artikkelissa). ISP on usein kätevämpi kuin JTAG, koska tällöin ei tarvita kuin kuusi johdinta.

Reset-linjan ylösveto ja suodatinkondensaattorin lisäys on tehty tässä vaiheessa vielä erillisillä kytkennöillä

Testasin mikrokontrollerin toimivuutta lukemalla sen allekirjoituksen Atmelin AVR Studio 4 -ohjelmistolla. Sama onnistuisi myös esimerkiksi AVRDUDE:lla, josta voi lukea lisää kirjoittamastani oppaasta:

AVR-kehitysympäristö Linuxissa

Yllä olevassa kuvassa mikrokontrollerille on tuotu käyttöjännite tietokoneen USB-portilta (5 volttia).

AVR Studio 4 -ohjelmalla onnistuneesti luettu mikrokontrollerin allekirjoitus

Viimeistely

Koska aina on kätevämpää, että koekytkentäalustalla on mahdollisimman vähän johtoja, päätin juottaa reset-linjan ylösvetoa varten 10 kilo-ohmin pintaliitosvastuksen piirilevyltä löytyneeseen sopivaan paikkaan. Vastus on kuvassa oikealla ylhäällä (varustettuna numeroilla 103). Suodatinkondensaattori näkyy kuvassa ylhäällä keskilinjan vasemmalla puolella.

Suodatinkondensaattori ja reset-linjan ylösvetovastus

Yhteenveto

Pienelle piirilevylle juotettu TQFP-koteloitu mikrokontrolleri varustettuna reset-linjan ylösvetovastuksella ja suodatinkondensaattorilla tulee olemaan itselläni kovassa testikäytössä. Mikäli on rakentamassa laitetta, jossa aikoo käyttää samaa mikrokontrolleria, on ensimmäinen prototyyppi helppo kasata koekytkentäalustalle tässä artikkelissa valmistetun piirilevyn ympärille. Tällöin voi todeta kytkennän toimivaksi ennen oman piirilevyn suunnittelua ja syövytystä.

Lopullisen testikytkennän ominaisuuksista riippuen kannattaa tarkistaa mikrokontrollerin datalehdestä esimerkiksi analogisen maatason (AGND), AVCC:n ja AREF:n kytkennät. Mikäli ei haluta käyttää mikrokontrollerin sisäistä RC-oskillaattoria, voidaan kide kytkeä toimintaan koekytkentäalustalla tai juottaa suoraan kiinni oikeisiin pinneihin vastaavasti kuin suodatinkondensaattorikin.