Внешний кварц на 20 МГц - HC-49S - для Ардуино: как разогнать...

Как известно, максимальная заявленная частота работы микроконтроллера Atmega — 20 МГц, однако, готовые платы Ардуино с такими кварцами не попадались — и я решил попробовать заменить на одной плате имеющийся внешний кварцевый резонатор 16МГц на другой, рассчитанный на 20

Начну пафосно, с азов!
Говоря о цифровой технике, первое, что приходит на ум — это биты: 0 и 1, физически им соответствуют уровни напряжений, например напряжение ниже 1 вольт — это логический ноль, а больше — логическая единица.
Элементы, составляющие микроконтроллер (процессор) выполняют свои операции при изменении состояния тактирующего сигнала (по фронту или по спаду). То есть, чтобы счётчик, на вход которого подали значение «5» сформировал на выходе значение «6», нужно на его специальном контакте «CLK» изменить напряжение со значения, большего, чем 1В на значение меньшее (или наоборот). Его вход можно соединить с выходом, и, если изначально на него мы подавали значение «5», значение «7» на выходе получится только после двух изменений сигнала контакта «CLK». Эти изменения называются «синхроимпульсами», чем чаще они приходят — тем быстрее работает всё устройство.

Поэтому иногда полезно увеличить частоту генератора синхроимпульсов — кварца, в данном случае; но всякая микросхема имеет свой предел частоты и чем выше частота от заявленной — тем больше вероятность получить сбой.

20МГц — это не предел, разгоняют и до 32. Тема, конечно, интересная, но рисковать и покупать что-то для аппаратного апгрейда я не решался, пока мне не предложили кварц бесплатно «за обзор».

За одним, разберемся, как программировать микроконтроллер ISP-программатором (или SPI?). Зачем? А просто так! В ряде случаев, при замене внешнего кварца, можно обойтись без ISP-программатора! Это если устройство полностью готово и оно не будет работать с величинами, так или иначе связанными со временем.

Итак, описание товара.

Товар был доставлен вместе с другими, обзоры на которые Вы уже успели полюбить. Прилетел за две недели и пролежал еще неделю в Столице из-за праздников. Упакован, почему-то в два пакетика:

Заявлено:

Tolerance: ±20ppm
Frequency: 20.000MHz

AvrISP

Обычно для прошивки Ардуино используется UART-интерфейс, для передачи данных по нему в оба конца достаточно четыре провода, но требуется согласования частот на обоих устройствах. Стандартно, на платах Ардуино в микроконтроллер прошит загрузчик, который при загрузке (после Ресета) проверяет, не хочет ли его иметь Среда Разработки с компьютера по через последовательный адаптер? И, если так, проглатывает короче, позволяет перепрограммировать память программы контроллера.
Мелкие микросхемы (типа attiny) с ограниченными ресурсами не используют загрузчик — и серьёзные дядьки шьют их по SPI-интерфейсу: у него уже для пиёма и передачи используется 5 проводков, но огромное преимущество — ведущее устройство тактирует ведомое, таким образом, не нужно согласовывать синхроимпульсы… Стоп! А что что такое здесь синхроимпульсы… Те же самые импульсы!

Так вот, привязка частоты микроконтроллера ко времени происходит полностью программно. Когда мы заливаем скетч, выбираем название контроллера и его частоту, например: Atmega328 (3.3V 8MHz) — и Среда Разработки, компилирует код так, чтобы при вызове функции delay() проходило количество тактов, которое на выбранной частоте соответствует заданному количеству секунд; затем, прошивает через UART, тактируя его так, чтобы на другой стороне кабеля загрузчик, работающий на частоте 8МГц, успевал прнимать данные, передающиеся со стандартным бодрейтом. Бодрейт же связан со временем, поэтому если Среда не будет знать частоту, то не сможет сформировать корректный бодрейт для загрузчика.

Нельзя сохранить в какую-то ячейку памяти контроллера её величину — и получить ту же программу, что была раньше. При замене кварца, если Вы работаете со временем, нужно перекомпилировать программу с учётом частоты нового кварца — и только после этого она будет работать синхронно с часами.

Беда!
Прошить по UART после замены кварца не получится.
При работе с другими устройствами по UART будет погрешность, не заметная на низких скоростях.
Функции delay(), millis(), micros() будут работать неправильно ;(
Получится только работать с пассивной периферией и, да, скорость работы возрастёт! Термретр и флешка будут шустрее, но датчик расстояния будет врать.

Как быть?
Если нет ISP-программатора, контроллер не работает со временем и пошить всё-таик хочется, прежде, чем менять кварц, нужно хорошо оттестировать — и только потом прошивать.
Если есть ISP-программатор, — прошить по нему и. В случае последующей необходимости шить по UART, нужно пересобрать и перезалить загрузчик. Это вполне реальная процедура — homes-smart.ru/index.php/oborudovanie/arduino/avr-zagruzchik

ISP-программатор

Можно купить или сделать из другой Ардуино. «Другая Ардуино будет программатором: с ней мы работаем по UART», а она с той, у которой мы меняем кварц — по SPI. Кстати «SPI» и «ISP» расшифровываются по-разному, но в данной конкретной теме означают одно и то же.
Ардуино-программатор прошиваем скетчем из примера:

Затем соединяем выводы с той, которую мы будем программировать по SPI следующим образом

[Ардуино-программатор]
                    10   RST
                    11   11
                    12   12
                    13   13
                   VCC   VCC
                   GND   GND
                         [Ардуино программируемый]

То есть, вывод 10 — это ресет, 11-13 одноимённые и питание.
Качаем программу Avrdude — это консольная утилита и она входит в дистрибутив Среды Ардуино, лежит в папке hardware\tools\avr\bin но там нет файлика avrdude.conf, в котором содержится информация для работы с платами.

Фьюзы

Далее, если не в курсе, что это, читаем статью о фьюзах Ардуино, например эту.
Открываем командную строку в папке с avrdude.exe и выполняем:

avrdude -p atmega168 -c arduino -P COM5 -b 19200 -U lfuse:r:lfuse.hex:h -U hfuse:r:hfuse.hex:h -U efuse:r:efuse.hex:h

где
atmega168 — программируемый контроллер;
COM5 — нормер порта, обычно другой;
19200 — бодрейт взаимодействия с программатором, также меняется в коде программатора, который мы заливали выше;
lfuse, hfuse, efuse — названия флагов конфигурации контроллера, отвечающих за его поведение;
:r: — признак того, что мы читаем (еще можно записывать и выполнять);
*.hex — имена файликов;
:h — формат, в котором будут записаны фьюзы в файлики!
После, в папке появятся файлы, открываем их и «Калькулятор фьюзов AVR». Можно было поискать GUI-программку, которая через COM-порт, но лично у меня ни одна не заработала.
Калькулятор мне понравился этот или этот. Выбираем микроконтроллер, копируем значения фьюз из файликов, они там в 16-ричном виде, поэтому в команде было :h, хотя для удобства ручной работы, было бы удобно писать :b — получать двоичные данные и побитово их анализировать.

Смотрим — в калькуляторе, по мере ввода значений фьюз слева, изменяются значения полей. У меня получилось так:

В открывающимся списке видим, что кроме нашей частоты — частоты внешнего кварца, можно выбрать многое другое:

Например, этот вариант освобождает от потребности во внешнем источнике синхроимпульсов, используя внутренний на 8МГц. При изменении полей калькулятора, значения фьюзов слева изменяются, — у меня LOW стал E2.
Если выполнить команду

avrdude -p atmega168 -c arduino -P COM5 -b 19200 -U lfuse:w:0xE2:m

то запишется lfuse, в результате чего контроллер начнет работать на частоте 8МГц — и, при программировании его через UART, нужно будет выбирать такую частоту.

Проверка, сравнение

Чтобы выяснить, действительно ли меня нае кварц соответствует заявленным двадцати мегагерцам, я залил скетч Blink из примеров в контроллер, пока тот был настроен на 16 Мгц и записал несколько видеороликов с частотой 30 кадров в секунду:
1) изменяя фьюзы на 8МГц;
2) используя стандартный кварц на 16МГц;
3) перепаяв его на новый МГц.
После синхронизации начала зажигания светодиода в каждом видеоряде, наложил их:

на глаз видно, что раз в секунду мигает светодиод только в среднем примере. Для более точного определения первого включения светодиода, соответствующего одной секунде, можно рассмотреть тайминги видеорядов:

С новым кварцем мигает чаще!

Почему под спойлером? — Потому что не обязательно.

Настройка компилятора

Для использования с Ардуино внешнего кварца, нужно изменять загрузчик и опции компилятора, чтобы они работали синхронно. Вернёмся к Конструктору загрузчика, ссылку на который я уже указывал. Вводим свои данные — а именно Внешний кварц, 20000000 Гц и модель контроллера — получаем результат:

Скачиваем по ссылке файлик, смотрим на команду Прошивка через Arduino… Фьюзы лично я не перезаписывал: А то вдруг запорятся… Ковай! Вот и всё: можно перепаивать внешений кварц!

Загрузчик мы прошили, теперь нужно настроить Среду Ардуино для корректной компиляции времени зависимых функций. Для этого, нужно скопировать Блок файла boards.txt для Arduino IDE в файлик, но! Атата! Новая Среда работает не так, как старая, и с ней не получется! Нужно качать «былую», 1.0.5 вполне подходит, файл находится в папке hardware\arduino, копируем туда строки, запускаем среду, выбираем тотже пример Blink, открываем меню — и видем там — Ура! — наш контроллер на 20 мегагерц!!!

Прошивается обычным программатором успешно, работает синхронно со временем, и корректно по UART-интерфейсу!

Спокойной ночи и точных Вам синхроимпульсов!
Хорошая статья на эту тему, чтобы не путаться в понятиях.
п.с. А ещё говорят, что и на 30 МГц нормально разгоняется!