Minimalne podłączanie pinów mikrokontrolera

Autor: Dondu

Mikrokontrolery często mają wiele pinów, z których wykorzystujesz tylko nieliczne. Jednakże niektóre z nich pomimo, że niewykorzystane muszą być w odpowiedni sposób podłączone.

Niestety na forum często spotykamy "znawców", którzy bez odpowiedniej wiedzy doradzają innym jak należy zrobić to, czy tamto:

atek000
W tym układzie nie musimy podłączać ARef i AVcc, bo ADC nie jest wykorzystywany.

Wypowiedź dotyczyła ATmega8, więc sprawdźmy, co napisał producent w datasheet, w opisie pinów na stronie 6:

przetłumaczony tekst:

Datasheet ATmega8 - Pin Descriptions, str. 6
AVcc jest pinem zasilającym dla przetwornika ADC, PortC (od PC0 do PC3) oraz kanałów ADC (ADC6 i ADC7). AVcc musi być podłączone zewnętrznie do Vcc, nawet wtedy gdy ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy) nie jest wykorzystany.

No więc jak to jest z tymi minimalnymi wymaganiami?

Niestety nie ma jednej możliwej odpowiedzi, ponieważ każda rodzina mikrokontrolerów, bądź nawet pojedynczy z nich może mieć swoją specyfikę - czytaj dokumentację!

Ale są pewne zasady, które "w ciemno" możesz stosować:

1. GND - podłączaj wszystkie piny do masy, nawet jeśli sąsiadują ze sobą.
2. Vcc - podłączaj wszystkie piny do zasilania, nawet jeśli sąsiadują ze sobą.
3. AVcc - podłączaj do zasilania Vcc przez filtr dolnoprzepustowy (sugerowany filtr LC)
4. AGND - podłączaj do masy
5. RESET - podłączaj do zasilania Vcc przez rezystor z przedziału 4,7k-10k

Takie podejście zapewni Ci prawidłowe działanie praktycznie każdego mikrokontrolera.

Magiczna literka A przed Vcc i GND, czyli AVcc i AGND oznacza, że te piny dotyczą zasilania części analogowej mikrokontrolera.

Przykład ATmega8

Na przykładzie ATmega8 w obudowie TQFP (32 piny) pokażę możliwe sposoby podłączania mikrokontrolera.

Zacznij od prawidłowego zasilania i filtrowania zakłóceń: 

Zasilanie mikrokontrolera

Nie sugeruj się numerami pinów

ponieważ w różnych typach obudów mogą być różnice.

Wersja 1: Totalne minimum !!!

Rys. Najmniejszy możliwy prawidłowy sposób podłączenia ATmega8 (obudowa TQFP)

Ta wersja zapewnia prawidłową pracę wszystkich wewnętrznych układów, z wyjątkiem ADC. Oczywiście będziesz mógł wykorzystać ADC, ale pomiary mogą być bardzo niestabilne, co praktycznie oznacza zmniejszenie rozdzielczości ADC z 10 do 8, a w skrajnych przypadkach nawet do 6 bitów.

Sytuację znacznie poprawi podłączenie pomiędzy ARef i masę (GND),  kondensatora 100nF tak jak kolega sevotharte:

sevotharte Programowy PWM - silnik DC
Problem odnaleziony. Zabrakło kondensatora przy AREF do masy. Teraz silnik śmiga, aż miło. Więc przestroga - dbajmy o filtrację zasilania, ja o niej zapomniałem :-)

Wynika to z zaleceń producenta, o których można przeczytać w datasheet tego mikrokontolera:

Datasheet ATmega8 str. 196
Internal reference voltages of nominally 2.56V or AVCC are provided On-chip. The voltage reference may be externally decoupled at the AREF pin by a capacitor for better noise performance.

oraz:

Datasheet ATmega8 str. 197
The internal voltage reference may thus be decoupled by an external capacitor at the AREF pin to improve noise immunity.

a także:

Datasheet ATmega8 str. 201
... and the reference voltage can be made more immune to noise by connecting a capacitor between the AREF pin and ground.

Wersja 2: Podłączenie zalecane

Jeżeli zależy Ci na prawidłowej pracy mikrokontrolera oraz maksymalnej możliwej dokładności ADC, to powinieneś podłączyć go tak, jak na poniższym schemacie. Jednakże powinieneś wtedy przeczytać bardzo ważny temat: ADC - Dokładność vs podłączanie

Rys. Zalecany sposób podłączenia ATmega8  (obudowa TQFP)

Dławik L1 oraz kondensator C4 dodatkowo filtrują zasilanie przetwornika ADC, by pomiary były dokładniejsze.

Doceń artykuł, jeżeli Ci pomógł:

---

RESET vs rezystor

Jeżeli czytałeś uważnie tekst powyżej oraz przeanalizowałeś schematy zauważysz, że do pinu RESET podłączony jest rezystor 10k. Rezystor ten służy do wymuszenia stanu wysokiego na pinie RESET, tak aby mikrokontroler nie został zresetowany przez zakłócenia pochodzące z np. silników, zasilania, przekaźników itp.

Alternatywne funkcje pinu RESET.

Pin RESET w większości mikrokontrolerów, posiada alternatywne funkcje. Funkcje te mogą być różne w różnych mikrokontrolerach. Przełączanie funkcji pinu RESET realizowane jest w niektórych mikrokontrolerach programowo, a w innych poprzez ustawienie fusbitów.

W przypadku gdy funkcja pinu RESET jest zależna od działania programu, a domyślnie (przy starcie mikrokontrolera) pin ten pełni funkcję RESET, to zachodzi sytuacja, w której program może nie zostać wykonany, gdy na pinie reset poziom ładunku będzie poniżej stanu wysokiego. Mikrokontroler będzie wtedy w stanie ciągłego resetu.

Niektórzy podchodzą do tego tak:

Pewniak
Ale ja na początku programu włączę pull-up, więc zewnętrzny rezystor jest zbędny.

Oczywiście, jest to prawidłowe podejście, ale programowe włączanie pull-up, nadal obarczone jest ryzykiem opisanym przeze mnie powyżej oraz przez producenta:

Przetłumaczony tekst:

Atmel AVR Hardware Design Considerations, str. 4

Pin RESET posiada wewnętrzny rezystor podciągający tzw. pull-up, ale jeżeli środowisko pracy mikrokontrolera jest narażone na zakłócenia, wewnętrzny pull-up może być niewystarczający, co może powodować sporadyczne zakłócenia. Właściwej wartości zewnętrznego rezystora szukaj w dokumentacji mikrokontrolera.

A jeżeli w dokumentacji mikrokontrolera nie znajdziesz informacji, to powinieneś stosować

czyli 4,7k lub 10k gdy używany jest lub może być debugWIRE. 

nsmarcin
OK, już działa, po prostu reset nie był podłączony tylko korzystał z przycisku na programatorze, podłączenie na stałe przez 10k załatwiło sprawę.

Wnioski:

1 Jeżeli więc chcesz być pewien, że Twój układ na 100% wystartuje prawidłowo i pin RESET ma pełnić funkcję RESET, podłączaj go przez rezystor 10k do Vcc.

2. Jeżeli natomiast chcesz wykorzystać pin jako jego alternatywną funkcję, podłączanie rezystora jest nie wskazane lub należy zastosować większą jego wartość, np. 50k.

Doceń artykuł, jeżeli Ci pomógł:

---

RESET vs kondensator

Bardzo często spotykamy się z opinią, iż do pinu RESET należy obowiązkowo podłączyć dodatkowo kondensator, połączony z masą:

Nawigator
Moje uwagi: brak kondensatora (typowy 10n) na pinie reset ...

Wypowiedź dotyczyła mikrokontrolera Atmega128L, czyli rodziny AVR. Zobaczmy więc, co firma ATMEL pisze w swoim dokumencie AVR042: AVR Hardware Design Considerations

przetłumaczony tekst:

AVR042 str. 4

W celu ochrony RESET przed zakłóceniami, zaletą jest podłączanie kondensatora z RESET do masy.

Nie jest to bezpośrednio wymagane, odkąd AVR-y mają wewnętrzny filtr dolnoprzepustowy, do eliminowania szpilek i zakłóceń, które mogą powodować niekontrolowany reset. Dodanie tego kondensatora, jest więc tylko dodatkowym zabezpieczeniem.

Należy jednak pamiętać, że kondensator nie może być podłączony, jeśli debugWIRE jest używany.

Reasumując, mikrokontroler pod tym względem jest samowystarczalny i nie musisz dodawać kondensatora. Jednakże, gdy Twój układ pracuje w trudnym środowisku narażonym na duże zakłócenia, producent zaleca ten kondensator jako dodatkowe zabezpieczenie.


Jak duży może być ten kondensator - zalecany jest 100nF. Większy może dodatkowo utrudnić, lub wręcz uniemożliwić programowanie mikrokontrolera.

Problem z programowaniem

Podłączenie kondensatora do pinu RESET może (choć nie musi) uniemożliwić programowanie mikrokontrolera, co jest spowodowane tym, iż kondensator poprzez swoją pojemność wprowadza opóźnienia sygnału programującego.

W przypadku problemów z programowaniem, należy usunąć ten kondensator na czas programowania lub wykorzystać jumper (JP1) jak na schemacie obok i zdjęciu poniżej lub po prostu dwa punkty lutownicze zlutowane lub rozlutowane w zależności od potrzeb. Niektórzy producenci programatorów zwracają na to uwagę w ich instrukcjach: ISP - Co to takiego?

Listwa kołkowa (goldpiny)
ze zworkami (jumpery).

SMYQ
Przed chwilą odlutowałem go (kondensator na pinie RESET) i programator przeczytał atmegę, udało się też ją zaprogramować.

Możesz także spotkać się z taką opinią:

Nawigator Poza tym kondensatorem tym dodatkowo można (i należy) wprowadzić odpowiednie opóźnienie pomiędzy podaniem zasilania a momentem resetu ...

Owszem tak było za "dawnych czasów" i może w przypadku niektórych aktualnie produkowanych mikroprocesorów tak jest nadal.

Nie dotyczy to jednak większości mikrokontrolerów, a już na pewno nie AVR firmy ATMEL, która wyposażyła swoje mikrokontrolery w wewnętrzny moduł reset-u, który załatwia za Ciebie prawidłowy reset mikrokontrolera podczas włączania zasilania.

Atmel rozwiązał to tak, że za pomocą bitów konfiguracyjnych możesz ustawić opóźnienie początkowe zgodnie z powyższą tabelką i innymi w datasheet tego procesora. W innych procesorach tej rodziny jest podobnie. Także inni producenci jak np. Microchip w swoich PIC-ach stosują takie opóźnienia.


Idea mikrokontrolerów jest prosta: Co się da, ma być w nich zawarte.

Doceń artykuł, jeżeli Ci pomógł:

---

RESET vs kondensator + przycisk

Jak już przeczytałeś powyżej, w przypadku pracy mikrokontrolera w środowisku narażonym na duże zakłócenia lub gdy chcesz zwiększyć niezawodność Twojego projektu, powinieneś zastosować kondensator zabezpieczający podłączony do pinu RESET.

Jednakże gdy chcesz zastosować jednocześnie przycisk umożliwiający Ci zresetowanie mikrokontrolera powinieneś wiedzieć jeszcze o jednej istotnej sprawie.

Bardzo często początkujący z braku doświadczenia, podłączają przycisk pomiędzy pin RESET i masę, czyli równolegle do kondensatora zabezpieczającego. Nie biorą pod uwagę, istotnego zjawiska polegającego na tym, że w przypadku przycisk zostanie naciśnięty, cały zgromadzony w kondensatorze ładunek, w ułamku sekundy zwierany jest do masy, a prąd który płynie przez przycisk jest co najmniej duży :-)

Jakie są możliwe tego skutki?
Powstawanie "szpilek" o wysokim napięciu (przewyższającym dopuszczalne), które:

• mogą spowodować uszkodzenie mikrokontrolera,
• generują zakłócenia dla całego lub części Twojego urządzenia.

Jak temu zaradzić?
Trzeba ograniczyć prąd rozładowania kondensatora, co można zrobić dołączając do przycisku szeregowo rezystor np. 330Ω. W momencie gdy przycisk zostanie naciśnięty, prąd rozładowania kondensatora będzie ograniczony. Dodatkowo w przypadku części mikrokontrolerów niezbędne jest także podłączenie diody zabezpieczającej.

Dokładne wytłumaczenie tego problemu znajdziesz tutaj: Przycisk - drgania styków - bouncing

Doceń artykuł, jeżeli Ci pomógł:

---

Rezonator kwarcowy

Jeżeli podłączasz zewnętrzny rezonator kwarcowy niezbędne są dwa takie same kondensatory, każdy od  kilku do kilkudziesięciu pF (pikofaradów). Dokładną ich wartość znajdziesz w datasheet rezonatora lub mikrokontrolera.

Jeżeli ich nie zastosujesz to częstotliwość drgań kwarcu może nie być zgodna z jego parametrami lub w niesprzyjających warunkach kwarc nie wzbudzi się i mikrokontroler nie będzie pracował.

Niektóre mikrokontrolery, mają wewnętrzne kondensatory, które dla konkretnego przypadku (np. kwarcu 32,768Hz) mogą zostać włączone przez ustawienie fusebitów. 
W takim przypadku nie należy podłączać zewnętrznych kondensatorów.

Więcej o kwarcach: Czas - odmierzanie

Doceń artykuł, jeżeli Ci pomógł:

---

Przeczytaj także

Z tym tematem nierozerwalnie połączone są następujące dwa:

• ADC - Dokładność vs podłączanie
• Zasilanie mikrokontrolera
• Zakłócenia w pracy mikrokontrolerów

Dokumenty producentów

• Atmel AVR Hardware Design Considerations

Podsumowanie
Zaniedbywanie prawidłowego podłączania podstawowych dla pracy mikrokontrolera pinów, jest grzechem początkujących elektroników, który doprowadza ich do niepotrzebnej frustracji, a w konsekwencji do wyciągania wniosków często noszących znamiona "bajek nie z tej Ziemi", czego przykładem jest opinia, iż mikrokontroler był uszkodzony fabrycznie :-)