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ワンチップArduino　ブートローダー＆スケッチライタ

１．初めに

　Arduino UNO などを購入すると3,000円ほど掛かります。なにかひとつ回路を組み立てて、また違う回路を組み立てるにはまた3,000円くらい出して Arduino Unoを買わなければなりません。

　Arduino UNO などにはマイクロプロセッサーの「ATMega328P」とスケッチをマイクロプロセッサーに書く為の回路が乗っかっています。

　いっぺんスケッチを書き込んで回路が完成してしまうと、スケッチを書く回路はなにもお仕事をしません。マイクロプロセッサーだけお仕事しています。

　だったら、マイクロプロセッサ（250円）だけ買ってきてスケッチを書き込めば、一回の投資は250円で済んでしまいます。

　ここでひとつ問題があります。実はArduinoに使っているマイクロプロセッサには「ブートローダー」というソフトがあらかじめ書き込まれていて、このソフトのおかげでスケッチを書き込むことができます。

　買ってきたばかりのATMega328Pにはブートローダーが書き込まれていませんから、Arduino-IDEで書き込むことができません。

　そこで、ブートローダを書き込む装置を作りました。また、この装置はスケッチを書くときにも使えます。

２．回路図

　いつも懇意にしてもらっている air_variable さんに、回路図を起こしてもらいました。 air_variable さん、多謝 m(_ _)m
　簡単な回路ですのでブレッドボードで組んでも構いません。今回は特別に基板を起こしてみました。

３．配線図

AE-UM232RL使用版。秋月のAE-UM232RLがすでにあったり、ブートローダーは滅多に書かないからどこかの基板からはがしてきて使うという方向け。

　これは基板の裏面から見た配線図です。

　・チップ部品は以下の通りです。
　　①１ＫΩ
　　②黄緑ＬＥＤ（アノード→カソード）
　　③オレンジＬＥＤ（カソード←アノード）
　　④１ＫΩ
　　⑤１ＫΩ
　　⑥０．１ｕ
　　⑦１ＫΩ
　　⑧０．１ｕ
　　⑨赤ＬＥＤ（カソード←アノード）
　　⑩１ＫΩ
　　⑪１００ＫΩ

こちらはFT232RL使用版。AE－UM232RLは高いからなるべく費用を抑えたい人向け。

　記述のないチップ部品は0.1uFのチップ積層セラミックコンデンサです。チップLEDのアノード・カソードの向きはAE-UM232RL版と同じです。

４．部品表

AE-UM232R版

部品名	型番	数量	購入元	備考
赤色チップＬＥＤ	ＯＳＨＲ１６０８	１個	秋月電子通商	I-03978 1608
オレンジ色チップＬＥＤ	ＣＬ－１９５Ｄ	１個	秋月電子通商	I-00652 1608
黄緑色チップＬＥＤ	ＯＳＹＧ１６０８	１個	秋月電子通商	I-03980 1608
チップ抵抗１ＫΩ	ＥＲＪ６ＧＥＹＪ１０２Ｖ	５個	千石電商	7A3E-F8NY 2012
チップ抵抗１００ＫΩ	ＥＲＪ６ＧＥＹＪ１０４Ｖ	１個	千石電商	4A8E-G8N2 2012
チップ積層セラミック０．１ｕ	GRM188F11H104ZA	２個	秋月電子通商	P-04940 1608
ＵＳＢシリアル変換モジュール	AE-UM232R	１個	秋月電子通商	K-01977
丸ピンＩＣソケット（２４Ｐ）［６００ｍｉｌ］	2227MC-24-06	１個	秋月電子通商	P-00032
丸ピンＩＣソケット（２８Ｐ）［３００ｍｉｌ］	2227MC-28-03	１個	秋月電子通商	P-01339
ピンヘッダ（オス）　１×４０　（４０Ｐ）		１個	秋月電子通商	C-00167
ロングピンソケット　１ｘ４２（４２Ｐ）	FHU-1x42SG	１個	秋月電子通商	C-05779
セラミック発振子（セラロック）コンデンサ内蔵タイプ　１６ＭＨｚ	CSTLS16M0X55-B0	１個	秋月電子通商	P-00525
ＡＶＲマイコン　ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵ	ATMEGA328P-PU	１個	秋月電子通商	I-03142
ブートローダー＆スケッチライタ基板	BLSKWTR001	１枚	ThinkAboutPCB

FT232RL版

部品名	型番	数量	購入元	備考
赤色チップＬＥＤ	ＯＳＨＲ１６０８	１個	秋月電子通商	I-03978 1608
オレンジ色チップＬＥＤ	ＣＬ－１９５Ｄ	１個	秋月電子通商	I-00652 1608
黄緑色チップＬＥＤ	ＯＳＹＧ１６０８	１個	秋月電子通商	I-03980 1608
チップ抵抗１ＫΩ	ＥＲＪ６ＧＥＹＪ１０２Ｖ	５個	千石電商	7A3E-F8NY 2012
チップ抵抗１００ＫΩ	ＥＲＪ６ＧＥＹＪ１０４Ｖ	１個	千石電商	4A8E-G8N2 2012
チップ積層セラミック０．０１	GRM188B11H103KA01	１個	秋月電子通商	P-04660 1608
チップ積層セラミック０．１ｕ	GRM188F11H104ZA	６個	秋月電子通商	P-04940 1608
チップ積層セラミック４．７ｕ	CM21X5R475K16AT	１個	秋月電子通商	P-04462 2012
チップインダクター（フェライトビーズ）	BLM18PG600SN1D	１個	秋月電子通商	P-04442 2012
ＵＳＢ・シリアル変換ＩＣ　ＦＴ２３２ＲＬ	FT232RL	１個	秋月電子通商	I-01739
ヒロセ表面実装用ＵＳＢコネクタ・ミニＢ	UX60A-MB-5ST	１個	秋月電子通商	C-02107
丸ピンＩＣソケット（２８Ｐ）［３００ｍｉｌ］	2227MC-28-03	１個	秋月電子通商	P-01339
ピンヘッダ（オス）　１×４０　（４０Ｐ）		１個	秋月電子通商	C-00167
ロングピンソケット　１ｘ４２（４２Ｐ）	FHU-1x42SG	１個	秋月電子通商	C-05779
ジャンパーピン（赤）（２．５４ｍｍピッチ	2228AG-RD	１個	秋月電子通商	P-03876
セラミック発振子（セラロック）コンデンサ内蔵タイプ　１６ＭＨｚ	CSTLS16M0X55-B0	１個	秋月電子通商	P-00525
ＡＶＲマイコン　ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵ	ATMEGA328P-PU	１個	秋月電子通商	I-03142
ブートローダー＆スケッチライタ基板	BLSKWTR002	１枚	ThinkAboutPCB

５．完成図外観

　これは完成版の外観です。（完成版にAE-UM232RLは含まれていません）　基板のみの外観とは異なります。（LEDが５ミリからチップLEDに変わるなど）

　これはFT-232RL使用版です。ハンダ付けする表面実装のディスクリート部品は多少増えますが、モジュールのAE-UM232RLが950円に対して使用しているFT-232RLが350円なので全体のコストが抑えられます。　赤線で囲った１０ＫΩの抵抗はハンダ付け不要です。

６．ターゲットとの接続

　このライタでブートローダーを書きますが、スケッチも書くことができます。ただ、デバッグする度にこのライタに取り付けたり取り外したりするのは効率的ではありません。

　そこで、このライタとターゲット回路を接続して、基板上にワンチップArduinoを載せたまま、直接スケッチを書き込みます。

まず、このような５本ストレートなケーブルを用意します。

　それぞれの線の意味は以下の通りです。↑の写真の上のコネクタの上の線から…

　　①GND（黒い線）
　　②Vcc（5Vor3.3V）（赤い線）
　　③RESET（白い線）
　　④RX（白い線）
　　⑤TX（白い線）

　この線をターゲット回路とライタに接続します。
　例えばターゲットの回路はこんな感じ。

・コネクタの中央（RESET）をATMega328Pの１番ピンとつながるよう接続
・コネクタの一番左はGNDラインへ接続
・コネクタの左から２番目はVssラインへ接続
・ATMega328Pの１番ピン（RESET）は100KΩでプルアップ。同時にリセットスイッチを押したらGNDへ落ちるように配線。
・ATMega328Pの７番ピンをVssラインへ、８番ピンをGNDラインへ接続。
・ATMega328Pの７番・８番ピン間にパスコン（0.1u）を接続。
・ATMega328Pの８・９・１０番ピンへセラロック（16MHz）を接続。（セラロックは下記の写真のようなギミックを作っておくと配線しやすいです）
・ATMega328Pの２０番ピンをVssラインへ、２２番ピンをGNDラインへ接続
・ATMega328Pの２０番・２２番ピン間にパスコン（0.1u）を接続。

　これだけで基本的には動きます。まぁ、これだけだとI/Oをなにもつけていないので、なにもお仕事しませんが　(^^;;;

ブレッドボードで扱いやすいようにしたセラロックのギミック

７．ブートローダーの書き込み方

　まずはソフトウェア環境の構築。ライタの回路を見てもやけにあっさりしていて、どこにライタの機能があるの？という感じですが、実は秋月のＵＳＢシリアル変換モジュールに載っているFTDI社のFT232RLが活躍しています。
　このFT232RLをプログラムしてライタの機能をもたせています。それがすｚ氏が開発した「avrdude-serjtag」です。このすばらしいソフトを開発して下さったすｚ氏に感謝です。

・上記リンクから最新版のavrdude-serjtagをダウンロードし、適当なフォルダを作成して格納します。
・同じフォルダの中の「bin」フォルダ内に以下のバッチファイルを作成します。（行頭のスペースは削除して下さい）

【ATmega328P用】
@echo off
echo ######################
echo # チップを消去します #
echo ######################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m328p -B 4800 -e
echo ################################
echo # フューズビットをセットします #
echo ################################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m328p -B 4800 -U efuse:w:0x05:m -U hfuse:w:0xDA:m -U lfuse:w:0xCF:m
echo ################################
echo # ブートローダーを書き込みます #
echo ################################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m328p -D -U flash:w:"C:\（Arduinoインストールフォルダ）\hardware\arduino\bootloaders\atmega\ATmegaBOOT_168_atmega328.hex":a
echo ##############################
echo # ロックビットをセットします #
echo ##############################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m328p -U lock:w:0x0F:m
echo ##############
echo # 終了します #
echo ##############
pause

【ATmega168P用】
@echo off
echo ######################
echo # チップを消去します #
echo ######################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m168p -B 4800 -e
echo ################################
echo # フューズビットをセットします #
echo ################################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m168p -B 4800 -U efuse:w:0x00:m -U hfuse:w:0xDD:m -U lfuse:w:0xCF:m
echo ################################
echo # ブートローダーを書き込みます #
echo ################################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m168p -D -U flash:w:"C:\（Arduinoインストールフォルダ）\hardware\arduino\bootloaders\atmega\ATmegaBOOT_168_diecimila.hex":a
echo ##############################
echo # ロックビットをセットします #
echo ##############################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m168p -U lock:w:0x0F:m
echo ##############
echo # 終了します #
echo ##############
pause

【ATmega168用】
@echo off
echo ######################
echo # チップを消去します #
echo ######################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m168 -B 4800 -e
echo ################################
echo # フューズビットをセットします #
echo ################################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m168 -B 4800 -U efuse:w:0x00:m -U hfuse:w:0xDD:m -U lfuse:w:0xCF:m
echo ################################
echo # ブートローダーを書き込みます #
echo ################################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m168 -D -U flash:w:"C:\（Arduinoインストールフォルダ）\hardware\arduino\bootloaders\atmega\ATmegaBOOT_168_diecimila.hex":a
echo ##############################
echo # ロックビットをセットします #
echo ##############################
pause
avrdude.exe -c diecimila -P ft0 -p m168 -U lock:w:0x0F:m
echo ##############
echo # 終了します #
echo ##############
pause

・適当なバッチファイル名をつけて格納します。（例：「V1.0_BurnBootLoader_m328P.bat」）
・ＵＳＢシリアル変換モジュールのJ1は２－３間ショート、J2はショートピンを差したままです。
・ライタにUSBケーブルを接続します。
・ATMega328P(168P,168)を28ピンソケットに取り付けてからバッチファイルを起動します。
・要所要所でポーズが掛かりますが、エラーのメッセージが出ていないことを確認してから次へ進んで下さい。（何かのキーを押す）
・これで無事ブートローダー書き込み済みのワンチップArduinoができました。
・ライタに接続しているＵＳＢケーブルを一旦抜き差しします。これをしないとうまくスケッチが書けないようです。
・ATMega328P(168P,168)をターゲット回路へ差し込み、サンプルスケッチの「basic」「blink」を書きこんでみて下さい。「Tools」の「Board」は「Arduino Duemilanove w/ ATmega328(あるいは ATmega168)」を選択します。
　書き込み後、D13（ATMega328P(168P,168)の１９番ピン）出力にLEDと電流制限用抵抗（1KΩ程度）を直列につないでGNDに接続しておけば、
　LEDチカチカするはずです。

以降はこの仕組みでArduino-IDEを使って開発を行うことができます　(^^)v

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