普段Arduinoを「素のまま」の状態で使っていると気づかないのですが、AVRマイコンにはヒューズバイトなるものがあります。ヒューズバイトはチップの動作状態のコンフィグレーションを設定します。
ATMEL Studioなどを使ってAVRマイコンをネイティブな状態で開発する場合、まれにうっかりヒューズビットを書き換えてしまうことがあります。特にクロックソースやブートローダーのためのリセットベクタにかかわるビットを書き換えてしまうと、ISPで外部と通信できなくなったり、ISPプログラミングができなくなってしまいます。Arduino IDEの場合、スケッチの書き込み処理が次の様なエラーになります。
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
このエラーはArduinoのATmega328チップに書き込んであるブートローダーが応答しない時に出ます。原因は色々あるのですが、ATmega328のヒューズバイトがArduinoの回路と整合せず、チップ自体がスタートしない場合でもこのようなエラーになります。こうなるとArduino用のブートローダーを書き込もうにも、チップそのものがロックした状態なので、シリアルプログラミング方式ではチップを元の状態に戻すことはできません。
しかしチップ自体は破壊されていないので、ヒューズバイトを元に戻しさえすれば、また使えるようになります。これには12Vの電圧を掛けながら、ヒューズバイトを8ビットパラレルで書き込んでやる必要があります。
ATmega88/168/328のデータシートには高圧パラレルプログラミングに関する仕様が記述されており、その手順に従ってヒューズを書き込んでやればいいです。そのためには何らかの回路や書込用のソフトウェアが必要です。AVRマイコンの高電圧パラレルプログラミングのためのツールは、既に様々な人が実装されていて、SatE-oさんのAVR-ATmega48,88,168リセッターや、ゆきの研究室さんのAVRライタATmega8対応などが公開されています。
ATmega88高電圧パラレルヒューズライタ for Arduinoは、高電圧パラレルヒューズ書込のためのArduinoシールドとスケッチです。
- ATmega88A/88PA/168A/168PA/328/328P 28pin DIP 対応
- Arduinoシールドになっている(別途Arduino Unoが必要)
- PCからシリアル通信を使って対話的に操作する
- Arduino as ISPのライタシールドとしても使える(シールド基板のスライドスイッチでヒューズライタとISPライタを切替)
また、高電圧パラレルヒューズライタとして次の機能があります。
- ヒューズバイトおよび拡張ヒューズバイト読み書き
- Arduinoブートローダー用のヒューズバイト書き込み
- ロックビット読み書き
- チップ消去
回路は単純です。Arduinoの+5V端子からパラレルプログラミングに必要な+12Vを作り出すチャージポンプと、高電圧パラレルプログラマとISPライタを切り替える信号選択用の2-Chアナログマルチプレクサだけです。
チャージポンプにはMC34063を使っていますが、定数さえ合わせればNJM2360などのセカンドソースでも使えます。
アナログマルチプレクサのゲート選択端子は、スライドスイッチの+5V/GND選択端子とヒューズバイトを書き換える対象のAtmega88チップのリセット端子に繋がっています。ゲート選択が+5Vの時に、パラレルプログラミングに必要な全ての信号ラインは、母体のArudinoと対象チップに接続されます。また、スライドスイッチをGND側にすると、ArduinoのISP信号ラインが対象チップに接続されます。
高電圧パラレルプログラマとして使う場合もArduino as ISPライタとして使う場合も一つのスケッチで動作します。Arduinoのスケッチは3つのモジュールから構成されます。
- ISPFuseRescue : メインスケッチ
- FuseRescue : 高電圧パラレルプログラミングスケッチ
- ArduinoISP : Arduino as ISPスケッチ (Arduino IDEに付属しているExampleスケッチそのもの)
ISPFuseRescueはArduinoのスケッチフォルダへ、またFuseRescureとArduinoISPはArduinoのユーザーlibrariesフォルダへ格納します。
はじめにISPFuseRescureのスケッチをコンパイルしてライタとして使うArudino Unoへ書き込みます。そして高電圧パラレルヒューズライタシールドをArduino Unoに搭載してPCとUSBで接続します。
PCでターミナルソフトを起動してArudinoにシリアル接続します。ターミナル画面に下のようなメッセージが表示されて、プログラミング用のコマンドが入力できるようになります。
L : 下位ヒューズバイト書込
H : 上位ヒューズバイト書込
X : 拡張ヒューズバイト書込
K : ロックビット書込
W : デフォルト(工場出荷値)ヒューズバイト書込
A : Arduino用ヒューズバイト書込
E : チップ消去
V : ヒューズバイト・ロックビット読出し
| 名称 | ビット | 意味 | 既定値 |
|---|---|---|---|
| - | 7～3 | (予約) | 1 |
| BOOTSZ1 | 2 | ブートローダ容量選択 | 0 |
| BOOTSZ0 | 1 | ブートローダ容量選択 | 0 |
| BOOTRST | 0 | リセットベクタ領域選択 | 1 (アプリケーション領域) |
| 名称 | ビット | 意味 | 既定値 |
|---|---|---|---|
| RSTDISBL | 7 | PC6 RESETピン選択 | 1 (RESET) |
| DWEN | 6 | デバッグWIRE許可 | 1 (不許可) |
| SPIEN | 5 | シリアルプログラミング許可 | 0 (シリアルプログラミング許可) |
| WDTON | 4 | ウォッチドッグタイマ常時有効 | 1 (WDTCSRで許可) |
| EESAVE | 3 | チップ消去動作からEEPROMを保護 | 1 (保護しない) |
| BODLEVEL2 | 2 | BODリセット制御 | 1 |
| BODLEVEL1 | 1 | BODリセット制御 | 1 |
| BODLEVEL0 | 0 | BODリセット制御 | 1 |
| 名称 | ビット | 意味 | 既定値 |
|---|---|---|---|
| - | 7～3 | (予約) | 1 |
| BODLEVEL2 | 2 | BODリセット制御 | 1 |
| BODLEVEL1 | 1 | BODリセット制御 | 1 |
| BODLEVEL0 | 0 | BODリセット制御 | 1 |
| 名称 | ビット | 意味 | 既定値 |
|---|---|---|---|
| RSTDISBL | 7 | PC6 RESETピン選択 | 1 (RESET) |
| DWEN | 6 | デバッグWIRE許可 | 1 (不許可) |
| SPIEN | 5 | シリアルプログラミング許可 | 0 (シリアルプログラミング許可) |
| WDTON | 4 | ウォッチドッグタイマ常時有効 | 1 (WDTCSRで許可) |
| EESAVE | 3 | チップ消去動作からEEPROMを保護 | 1 (保護しない) |
| BOOTSZ1 | 2 | ブートローダ容量 | 0 |
| BOOTSZ0 | 1 | ブートローダ容量 | 0 |
| BOOTRST | 0 | リセットベクタ領域選択 | 1 (アプリケーション領域) |
| 名称 | ビット | 意味 | 既定値 |
|---|---|---|---|
| CKDIV8 | 7 | システムクロック8分周選択 | 0 (8分周) |
| CKOUT | 6 | システムクロック出力 | 1 (出力しない) |
| SUT1 | 5 | 起動遅延時間 | 1 |
| SUT2 | 4 | 起動遅延時間 | 0 |
| CKSEL3 | 3 | クロック選択 | 0 |
| CKSEL2 | 2 | クロック選択 | 0 |
| CKSEL1 | 1 | クロック選択 | 1 |
| CKSEL0 | 0 | クロック選択 | 0 |
| 名称 | ビット | 意味 | 既定値 |
|---|---|---|---|
| - | 7～6 | (予約) | 1 |
| BLB12 | 5 | ブートローダ領域保護 | 1 |
| BLB11 | 4 | ブートローダ領域保護 | 1 |
| BLB02 | 3 | アプリケーション領域保護 | 1 |
| BLB01 | 2 | アプリケーション領域保護 | 1 |
| LB2 | 1 | フラッシュ・EEPROM保護 | 1 |
| LB1 | 0 | フラッシュ・EEPROM保護 | 1 |
ATmega328などをArduinoとして動かす場合は、ヒューズバイトでクロックソースとブートローダを指定する必要があります。その値は<Arduinoシステムフォルダ>\hardware\arduino\avr\boards.txtファイルに記述されています。※Arduino IDE 1.6.0の場合のパス
uno.bootloader.low_fuses=0xFF
uno.bootloader.high_fuses=0xDE
uno.bootloader.extended_fuses=0x05
uno.bootloader.unlock_bits=0x3F
uno.bootloader.lock_bits=0x0F
高電圧パラレルヒューズライタとPCをUSBで接続したままISPライタとの切替スイッチを操作してはいけません。ショートします。高電圧パラレルヒューズライタとISPライタの切替操作は、必ず電源が供給されていない状態で行ってください。
参考までに、今回実装したPCBのEagleファイルをアップしておきます。これは表面実装部品で構成したPCBです。
Eagel CADファイル (zip)
| Part | Value | Device | Package |
|---|---|---|---|
| C1 | 330μ | 電解コンデンサ | Φ6.3mm x 7.7mm |
| C2 | 100μ | 電解コンデンサ | Φ8.0mm x 10.2mm |
| C3 | 680pF | 積層セラミックコンデンサ | 2012 SMD |
| C4 | 0.1μF | 積層セラミックコンデンサ | 2012 SMD |
| C5 | 22pF | 積層セラミックコンデンサ | 1608 SMD |
| C6 | 22pF | 積層セラミックコンデンサ | 1608 SMD |
| C7 | 0.1μF | 積層セラミックコンデンサ | 2012 SMD |
| C8 | 0.1μF | 積層セラミックコンデンサ | 2012 SMD |
| D1 | RSX101VA-30TR | ショットキーバリアダイオード | TUMD2 |
| PGM | 緑 | LED | 2012 SMD |
| PWR | 緑 | LED | 2012 SMD |
| ERR | 赤 | LED | 2012 SMD |
| HB | 黄 | LED | 2012 SMD |
| RX | 黄 | LED | 2012 SMD |
| TX | 黄 | LED | 2012 SMD |
| IC1 | 74HC4053 | 3回路2-Chアナログマルチプレクサ | TSSOP-16 |
| IC2 | 74HC4053 | 3回路2-Chアナログマルチプレクサ | TSSOP-16 |
| L1 | 100μH | インダクタ | 3225 SMD |
| Q1 | SI6544DQ | N/P-Ch複合パワーMOSFET | TSSOP-8 |
| Q2 | 16MHz | クリスタル発振子 | HS-49/S |
| R1 | 1Ω | 抵抗 | 2012 SMD |
| R2 | 1Ω | 抵抗 | 2012 SMD |
| R3 | 200Ω | 抵抗 | 2012 SMD |
| R4 | 1.1KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R5 | 100KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R6 | 130kΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R7 | 3.3KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R8 | 10KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R9 | 15KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R10 | 10KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R11 | 1KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R12 | 1KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R13 | 1KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R14 | 1KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R15 | 1MΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R16 | 1KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R17 | 1KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R18 | 1KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R19 | 10KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R20 | 10KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| R21 | 10KΩ | 抵抗 | 2012 SMD |
| S1 | SS-22SDP2 | 2回路スライドスイッチ | |
| S2 | RESET | タクトスイッチ | |
| T1 | 2SC4116 | NPNトランジスタ | SOT-23(SC-70) |
| T2 | 2SC4116 | NPNトランジスタ | SOT-23(SC-70) |
| U2 | MC34063ADG | DC-DCコンバータ | SIOC-8 |
| U3 | ICソケット | 28ピン | 300MIL DIP |