In breve

• Completamente gratuito e Open Source (GPL2, anche il firmware)
• Programma PIC10-12-16-18-24, dsPIC30-33, ATMEL AVR (serial e HV serial programming), memorie seriali tipo 24xxxx (I2C), 25xxx (SPI), 93xx6 (MicroWire), DS24xx (OneWire), 11xxx (UNIO); comunica con dispositivi I2C e SPI (vedi dispositivi supportati)
• Può funzionare da debugger ICD per alcuni modelli di PIC16F
• Interfaccia USB 2.0 Full Speed, classe HID (come tastiere, mouse ecc.)
• Auto alimentato
• Non ha bisogno di driver
• Componenti di facile reperibilità (costo stimato ~5€)
• Temporizzazioni gestite in hardware quindi veloce e affidabile (scrive un 18F2550 in 10s)
• Non occupa la CPU e non risente di altri programmi in esecuzione
• Programmi di controllo open source per Linux e Windows
• Non è un clone PicKit

Un render della scheda montata:

Un altro programmatore?

In questi ultimi anni [...così era nel lontano 2007], con la sparizione delle comodissime interfacce seriale e parallela, gli appassionati di elettronica si trovano sempre più in difficoltà nel programmare i microcontrollori; i classici programmatori non funzionano più e di solito si ricorre a convertitori USB-seriale (che però non si possono comandare direttamente ma solo via API, quindi lentamente) o a integrati di interfaccia da aggiungere al programmatore, tipo gli FTDIxxxx, che sostanzialmente appaiono come periferiche seriali o richiedono driver ad hoc. Ma perché non usare i PIC stessi, che hanno l'USB nativo?
Cercando in lungo e in largo non sono riuscito a trovare un programmatore USB che fosse funzionale, gratuito, open source, e così ho deciso di costruirmelo. La filosofia open source consiste nel fornire tutti gli schemi, sorgenti, informazioni utili a costruire e modificare questo programmatore.

Firmware USB e HID (v0.12.0)

Per usare l'interfaccia USB sui PIC è necessario un firmware che implementi una delle classi definite dal consorzio USB o una nuova; io ho scelto la classe HID perché è supportata in modo nativo da tutti i sistemi operativi e quindi non necessita di alcun driver. La velocità è più che sufficiente: in teoria si raggiungerebbero i 64KB/s, ma io ho misurato qualcosa come 20-40 KB/s, comunque sicuramente abbastanza per programmare dispositivi di 1-100KB di memoria.
Come ogni periferica USB anche questa ha un identificativo vid e pid, che di solito si compra dal consorzio USB; io ho ottenuto una coppia gratis da pid.codes: 0x1209&0x5432; sono entrambi configurabili a piacere (previa compilazione), quindi lascio all'utente la scelta.
Il programmatore appare al sistema come una periferica HID che comunica tramite pacchetti di 64 byte scambiati con cadenza di 1ms.
L'implementazione del firmware USB viene da un progetto open source poco noto, scritto da Alexander Enzmann, che io ho modificato e adattato al compilatore C18.
Ho anche scritto una breve guida su come usarlo; per quanto ne so io questo è l'unico firmware open source con supporto HID.
Il programmatore in se è semplicemente un interprete di comandi che pilota direttamente le uscite del micro seguendo un apposito insieme di istruzioni.
Il ciclo di controllo principale aspetta che venga ricevuto un pacchetto via USB, poi comincia a eseguire i comandi specificati occupandosi tra l'uno e l'altro della comunicazione col pc; allo stesso tempo gira la funzione di controllo del regolatore di tensione DCDC, chiamata a intervalli regolari tramite un timer (e un interrupt).
Compilare il tutto richiede solo strumenti gratuti: MPLABX e MCC18 versione studenti, disponibili sfortunatamente solo per il sistema (in)operativo a finestre.
Compilare con SDCC è sicuramente possibile ma richiede qualche modifica al sorgente.
Rilascio il tutto con licenza GPL2.
Qui si trova il progetto MPLABX completo in formato compresso;
qui il firmware compilato in formato hex per 18F2550;
qui compilato per 18F25K50.

Programmi di controllo

La mia idea iniziale era di modificare un software già esistente, ad esempio winpic o picprog, ma mi sono accorto che visto il tipo di comunicazione necessario, basato su pacchetti anziché seriale, non avrei potuto adattarli facilmente, quindi ho dovuto scriverne uno (due) da zero.
Purtroppo, o per fortuna, non essendo un informatico professionista ho tagliato quasi tutto il superfluo: l'interfaccia utente è davvero minima, ci sono sicuramente dei bachi che mi impegno a eliminare, e mancano delle funzionalità come la modifica del codice a posteriori.
Però sono programmi molto snelli, piuttosto veloci, e non occupano la CPU per niente.
Quando possibile la scrittura viene verificata durante la programmazione, altrimenti immediatamente dopo.
Idealmente la versione del programma e del firmware dovrebbe essere la stessa, a parte l'ultimo numero che indica piccoli cambiamenti e correzioni; in generale però ho cercato di non stravolgere il protocollo con le nuove versioni, per cui a parte le novità introdotte in ogni rilascio è quasi sempre possibile usare un programma nuovo con un firmware vecchio e vice versa.
A quanti si chiedono come mai non sia possibile programmare direttamente da MPLAB rispondo che non ci sono difficoltà tecniche, ma la Microchip non rilascia informazioni di pubblico dominio su come farlo; per averle bisogna essere dei produttori commerciali e firmare un contratto di non diffusione, cosa evidentemente impossibile per un progetto open source GPL2.
Vice versa l'integrazione con Piklab è possibile e spero si farà presto; attualmente l'interfaccia per programmatori custom è carente di alcuni parametri indispensabili, ma chi avesse tempo e voglia può certamente modificare il codice e far funzionare il tutto.

Interfaccia grafica GTK, per Linux e Windows (v0.12.2)

OPGUI sfrutta le librerie GTK3, per cui su Windows è necessario installare anche il Runtime Environment GTK3 (64 bit).
La schermata principale del programma:

In breve: i pulsanti sulla barra di comando permettono di leggere, scrivere, caricare e salvare file.
La scheda "Dati" presenta le informazioni su cosa fa il programmatore.
Sulla scheda "Dispositivo" si sceglie il dispositivo da scrivere o leggere e si possono modificare alcune opzioni di programmazione, per esempio la scrittura delle locazioni ID, di calibrazione, l'uso della eeprom ecc.; solo le impostazioni compatibili col dispositivo selezionato vengono prese in considerazione.
Tra le "Opzioni" ci sono: connessione col programmatore, errori ammessi in scrittura, salvataggio dei pacchetti dati trasferiti, uso delle schede di espansione; con la funzione "Test Hardware" e un multimetro è possibile verificare che il circuito stia effettivamente funzionando.
La scheda "I2C/SPI" permette di comunicare con dispositivi generici I2C e SPI; se si utilizza il protocollo I2C bisogna sempre specificare il byte di controllo (e l'indirizzo se diverso da 0); il bit RW viene gestito automaticamente.
Ad esempio per scrivere manualmente 3 byte su una 24xx16 all'indirizzo 64 si scrive: A0 40 1 2 3
Dalla versione 0.7.10 è incluso un debugger ICD per PIC16F, che funziona più o meno come pdb, ma con supporto per file coff.
Su "I/O" si possono controllare manualmente le linee di I/O e le alimentazioni.
Con "Utility" si può convertire le singola linea di un file HEX in dati e vice-versa.
Non è previsto alcun programma di installazione; è sufficiente scaricare l'eseguibile e avviarlo.
Il programma scrive e legge file hex8 e hex32, e anche file binari per le memorie seriali.
Le lingue supportate sono Italiano e Inglese; per introdurre altre lingue bisogna generare il file languages.rc (opzione -langfile) e modificarlo a piacimento; il codice della lingua è prima delle rispettive stringhe, tra parentesi quadre [].
All'avvio il programma sceglie la lingua in base a quella del sistema operativo (si può anche forzare tramite l'opzione -lang).
Per abilitare l'accesso al programmatore su Linux vedi il capitolo Accesso all'hardware sotto Linux.
Per maggiori informazioni scarica la guida all'uso di OpenProg e Opgui o vedi la guida al codice.
Compilazione (opzionale): bisogna avere installato le librerie GTK, GCC e i vari maketools (MinGW/MSYS su Windows) e digitare:
> make
Successivamente per installare (su Linux, ma non è obbligatorio):
> make install
Scarica il programma ... o i sorgenti

Interfaccia per linea di comando (Linux e Windows, v0.12.0)

OP è un eseguibile da linea di comando; la versione Windows non ha bisogno di installazione.
Si aspetta una periferica USB con vid&pid=0x1209:0x5432, se non specificato altrimenti.
Scrive e legge file hex8 e hex32 e anche binari per le memorie seriali.
Con l'opzione --HWtest e un multimetro è possibile verificare che il circuito stia effettivamente funzionando.
E' possibile comunicare via I2C e SPI con dispositivi generici diversi dalle memorie; nel caso I2C bisogna specificare byte di controllo e indirizzo (o indirizzi) anche per una lettura; il bit RW viene gestito automaticamente.
Nel caso di problemi o per pura curiosità si possono salvare tutti i dati scambiati col programmatore, tramite l'opzione -l; per qualche strano motivo per specificarne il parametro opzionale bisogna usare -l=<file> (chissà perché, sarà un baco della libreria getopt?)
Il supporto multilingue comprende Italiano e Inglese; si può ampliare generando e modificando il file languages.rc.

Un errore frequente è specificare il nome del dispositivo con lettere minuscole invece che maiuscole:
si scrive 16F628, non 16f628
Per abilitare l'accesso al programmatore su Linux vedi il capitolo Accesso all'hardware sotto Linux.
Compilazione (opzionale): è presente un makefile, quindi per compilare bisogna avere installato GCC e i vari maketools (MinGW/MSYS su Windows) e digitare:
> make
Successivamente per installare (su Linux, ma non è obbligatorio):
> make install
Per maggiori informazioni vedi la guida al codice.
Ho incluso anche l'utility Hid_test, che spedisce e riceve un pacchetto (64 byte) alla volta; può essere utile per fare qualche esperimento; in teoria ci si potrebbe addirittura scrivere uno script di programmazione.

Scarica i sorgenti

Accesso all'hardware sotto Linux

Su Linux i programmi si interfacciano col dispositivo /dev/hidrawX (/dev/usb/hiddevX prima della 0.11.2) e hanno bisogno dei diritti di lettura/scrittura su quel dispositivo; è anche possibile specificarlo manualmente.
Ad esempio si può dare l'accesso a tutti con:
>sudo chmod a+rw /dev/hidraw1
Per evitare di doverlo fare ogni volta e abilitare permanentemente un utente alla lettura si può procedere come segue (su Ubuntu e altre distribuzioni basate su Debian, verificare per le altre):
autenticarsi come root; creare un file /etc/udev/rules.d/10-openprogrammer.rules
nel caso si voglia abilitare un gruppo di utenti scrivervi:
   KERNEL=="hidraw[0-9]", ATTRS{idProduct}=="5432", ATTRS{idVendor}=="1209", GROUP="<gruppo>", SYMLINK+="openprogrammer"
in cui <gruppo> è uno dei gruppi a cui appartiene l'utente (per un elenco digitare "groups", utilizzare un gruppo adeguato e se necessario aggiungere l'utente al gruppo scelto ("addgroup <utente> <gruppo>").
oppure, nel caso si vogliano abilitare tutti gli utenti, cambiare solo i permessi di lettura:
   KERNEL=="hidraw[0-9]", ATTRS{idProduct}=="5432", ATTRS{idVendor}=="1209", MODE="0664", SYMLINK+="openprogrammer"
riavviare udev per applicare le modifiche:
> udevadm control --reload-rules
> udevadm trigger
Ora, ogni volta che il sistema vede il programmatore, il corrispondente /dev/hidrawX avrà i permessi giusti e verrà creato anche un link /dev/openprogrammer

Se collegando il programmatore non appare la periferica /dev/hidrawX (e il LED non lampeggia a 1 Hz) è sufficiente eseguire alcune volte lsusb per forzare l'enumerazione da parte del sistema, eventualmente staccando e riattaccando il cavo.

Interfaccia grafica MFC (non più aggiornata: v0.9.1)

OpenProg è scritto in VisualC++ 6.0 usando MFC.
Sono implementate solo le funzioni base di programmazione; è stata la prima interfaccia grafica del progetto, ma ora lo sviluppo procede solo su OP/OPGUI.
Ha il solo vantaggio di funzionare senza alcuna libreria aggiuntiva.
Scarica il programma ... o i sorgenti (progetto Visual Studio 6)

Come fare per ...

Cancellare un dispositivo: ogni dispositivo viene cancellato prima della programmazione; se comunque si volesse cancellarlo basterebbe scrivere un file hex con dati validi (<0xFF) oltre lo spazio di memoria.
Per esempio, per i PIC12-16 il file sarebbe così:
:020000040000FA
:0144010000BA
:00000001FF
E per i PIC18:
:020000040002F8
:020000000000FE
:00000001FF

Altro metodo: OPGUI si avvia con i buffer di memoria pieni di 0xFF; basta quindi scrivere senza prima caricare alcun file.

Cambiare Configuration Word dei PIC: Le Config Word sono di norma specificate nel file hex, ma si possono forzare per i PIC 10-12-16-18 tramite le opzioni del dispositivo (o da linea di comando).
In alternativa si può cambiare il sorgente e ricompilare; oppure bisogna modificare il file hex; per i PIC16 i dati si trovano all'indirizzo 0x2007, che nel file corrisponde a 0x400E; l'ultimo byte della riga in questione è il checksum, calcolato come complemento a 2 della somma dei byte della riga.
Per esempio:
:02400E00xxxxCC con xxxx nuovo valore e CC checksum

Cambiare la configurazione degli Atmel AVR: contrariamente ai PIC, che mappano la configurazione nella memoria programma e quindi nel file hex, gli Atmel AVR devono essere configurati a mano, scrivendo il valore desiderato dei byte di Fuse/Lock tra le opzioni del dispositivo; non è detto che sia necessario cambiare la configurazione di fabbrica di tutti i byte, dipende dall'applicazione.

Risolvere l' "errore di sincronizzazione" con gli AVR: Una possibile causa è la velocità troppo elevata della SPI in relazione a quella della CPU; la frequenza interna deve infatti essere > 4 x frequenza SPI
Le innumerevoli impostazioni dei dispositivi potrebbero comportare che la CPU veda un clock anche molto basso; il (nuovo) algoritmo di comunicazione varia automaticamente la velocità SPI in modo da entrare comunque in Program Mode.
Naturalmente più è bassa la velocità più si allungherà il tempo di lettura/scrittura; per velocizzare le operazioni si potrebbe scrivere un file vuoto insieme con una configurazione ad alta velocità, e successivamente scrivere (velocemente) il vero file con le impostazioni finali.
In alcuni dispositivi è possibile impostare frequenze estremamente basse (16 kHz), fuori dalla portata dell'algoritmo normale; in questo caso l'opzione "scrivi Fuse Low @3 kHz" riesce a scrivere il byte Fuse Low; basta quindi specificare un valore che riporti la frequenza a valori accettabili, e successivamente scrivere nel modo normale.
La seconda possibile causa è che la programmazione seriale è stata disabilitata: questo può essere fatto solo usando un programmatore parallelo, e lo stesso è necessario per riabilitarla.
La terza causa è che in configurazione con risuonatore esterno il piedino X2 non è libero di muoversi; nel caso si usi l'espansione AVR assicurarsi che X2 non sia a massa.

Verificare che un dispositivo sia vuoto: basta leggerlo ed esaminare i dati; vengono mostrate solo le righe con dati <0xFF, quindi se non sono visualizzati dati il dispositivo è vuoto.

Verificare la corretta scrittura su un dispositivo: tutti gli algoritmi di scrittura eseguono una verifica dei dati, alcuni durante la scrittura stessa, altri dopo; se il programma riporta 0 errori significa che effettivamente non ci sono stati errori.
Se comunque si volesse fare una ulteriore verifica basterebbe rileggere dal dispositivo e confrontare i dati, tenendo presente che non tutti i bit sono sempre implementati; per esempio i PIC16 vengono organizzati in word di 14 bit, quindi anche se nel sorgente viene indicato 0xFFFF questo viene scritto come 0x3FFF; inoltre le Config Word hanno spesso dei bit fissi a 0 (che quindi non sono verificati).

Leggere l'area riservata: quasi tutti i PIC hanno un'area di memoria oltre le Config Word che è riservata per test di produzione o calibrazione; per esaminarla basta abilitare la relativa opzione prima della lettura; nei PIC24-30-33 viene letta anche l'area di memoria executive.

Usare correttamente i valori di calibrazione e OscCal: in alcuni dispositivi (es. i 12F5xx) il valore di calibrazione dell'oscillatore interno è scritto (in fabbrica) all'ultimo indirizzo della memoria programma e anche in una locazione di riserva oltre l'area ID; dopo una cancellazione i programmi ripristinano il primo col valore di riserva a meno che non venga specificato altrimenti; le altre opzioni sono: usare il valore salvato prima della cancellazione (che di norma coincide con quello di riserva, a meno che uno dei due non sia stato cambiato prima), usare il valore indicato nel file .hex.
E' inoltre possibile sovrascrivere il valore di riserva con quanto specificato nel file .hex, abilitando l'opzione "programma ID e BKosccal"; in questo caso verranno scritte anche le locazioni ID, se specificate nel file.
Invece per sovrascrivere le locazioni di calibrazione bisogna usare l'opzione "programma Calib1 e 2"

Dispositivi supportati

Il programmatore è stato provato su un numero ristretto di dispositivi (quelli che posseggo e altri provati da alcuni utenti) indicati in neretto; gli altri sono supportati ma non collaudati; comunque, considerando che per ogni famiglia di dispositivi almeno uno è stato verificato, dovrebbero funzionare tutti senza problemi.
Chi avesse la possibilità di verificarne la funzionalità è pregato di farmelo sapere.
Ugualmente chi avesse bisogno di ampliare il supporto o scrivesse altri algoritmi può contattarmi.
Nota bene:
I PIC serie LF sono usati come quelli F;
gli Atmel AVR con vari suffissi sono raggruppati se usano lo stesso algoritmo, es. ATmega8 e ATmega8A;
le memorie EEPROM comprendono tutte le versioni con VDDmax=5V, es. 242LC56, 24AA256, ecc.;
le EEPROM 93xx richiedono 2 algoritmi diversi, per la serie 93S e per le altre, indicate come 93x (le 93xA hanno organizzazione a 8 bit);
le memorie SPI Flash richiedono un adattatore LV (vedi gli schemi elettrici).

Supporto in lettura e scrittura:
10F200, 10F202, 10F204, 10F206, 10F220, 10F222, 10F320, 10F322,
12C508, 12C508A,12C509, 12C509A, 12F508, 12F509, 12F510, 12F519,
12F609, 12F615, 12F617, 12F629, 12F635, 12F675, 12F683,
12F752, 12F529T39, 12F529T48,
12F1501, 12F1571, 12F1572, 12F1612, 12F1822, 12F1840,
16F505, 16F506, 16F526, 16F527, 16F54, 16F57, 16F570, 16F59,
16F610, 16F616, 16F627, 16F627A, 16F628, 16F628A, 16F630, 16F631, 16F636, 16F639, 16F648A, 16F676, 16F677, 16F684, 16F685, 16F687, 16F688, 16F689, 16F690,
16F707, 16F716, 16F72, 16F720, 16F721, 16F722, 16F722A, 16F723, 16F723A, 16F724, 16F726, 16F727, 16F73, 16F737, 16F74, 16F747, 16F753, 16F76, 16F767, 16F77, 16F777, 16F785,
16F818, 16F819, 16C83, 16F83, 16F83A, 16C84, 16F84, 16F84A, 16F87, 16F870, 16F871, 16F872, 16F873, 16F873A, 16F874, 16F874A, 16F876, 16F876A, 16F877, 16F877A, 16F88, 16F882, 16F883, 16F884, 16F886, 16F887,
16F913, 16F914, 16F916, 16F917, 16F946,
16F1454, 16F1455, 16F1459, 16F1503, 16F1507, 16F1508, 16F1509, 16F1512, 16F1513, 16F1516, 16F1517, 16F1518, 16F1519, 16F1526, 16F1527, 16LF1554, 16LF1559, 16F1574, 16F1575, 16F1578, 16F1579, 16F1613, 16F1614, 16F1615, 16F1618, 16F1619, 16F1703, 16F1704, 16F1705, 16F1707, 16F1708, 16F1709, 16F1713, 16F1716, 16F1717, 16F1718, 16F1719, 16F1764, 16F1765, 16F1768, 16F1769, 16F1773, 16F1776, 16F1777, 16F1778, 16F1779, 16F1782, 16F1783, 16F1784, 16F1786, 16F1787, 16F1788, 16F1789, 16F1823, 16F1824, 16F1825, 16F1826, 16F1827, 16F1828, 16F1829, 16F1847, 16LF1902, 16LF1903, 16LF1904, 16LF1906, 16LF1907, 16F1933, 16F1934, 16F1936, 16F1937, 16F1938, 16F1939, 16F1946, 16F1947,
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16F17114, 16F17115, 16F17124, 16F17125, 16F17126, 16F17144, 16F17145, 16F17146, 16F17154, 16F17155, 16F17156, 16F17174, 16F17175, 16F17176,
16F18013, 16F18014, 16F18015, 16F18023, 16F18024, 16F18025, 16F18026, 16F18044, 16F18045, 16F18046, 16F18054, 16F18055, 16F18056, 16F18074, 16F18075, 16F18076,
16F18114, 16F18115, 16F18124, 16F18125, 16F18126, 16F18144, 16F18145, 16F18146, 16F18154, 16F18155, 16F18156, 16F18174, 16F18175, 16F18176,
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16F19155, 16F19156, 16F19175, 16F19176, 16F19185, 16F19186, 16F19195, 16F19196, 16F19197,
18F04Q40, 18F04Q41, 18F05Q40, 18F05Q41, 18F06Q40, 18F06Q41, 18F14Q40, 18F14Q41, 18F15Q40, 18F15Q41, 18F16Q40, 18F16Q41,
18F242, 18F248, 18F252, 18F258, 18F442, 18F448, 18F452, 18F458, 18F1220, 18F1230, 18F1320, 18F1330, 18F13K22, 18F13K50, 18F14K22, 18F14K50, 18F2220, 18F2221, 18F2320, 18F23K20, 18F23K22, 18F2321, 18F2331, 18F2410, 18F24J10, 18F24J11, 18F2420, 18F24K20, 18F24K22, 18F2423, 18F2431, 18F2439, 18F2450, 18F24J50, 18F24K50, 18F2455, 18F2458, 18F24Q71, 18F2480, 18F2510, 18F25J10, 18F25J11, 18F2515, 18F2520, 18F25K20, 18F25K22, 18F2523, 18F2525, 18F2539, 18F25K42, 18F25Q43, 18F2550, 18F25J50, 18F25K50, 18F2553, 18F25Q71, 18F2580, 18F25K80, 18F25K83, 18F2585, 18F2610, 18F26J11, 18F26J13, 18F2620, 18F26K20, 18F26K22, 18F26K42, 18F26Q43, 18F26J50, 18F26K50, 18F26J53, 18F26Q71, 18F2680, 18F26K80, 18F2682, 18F26K83, 18F26Q83, 18F26Q84, 18F2685, 18F27J13, 18F27K42,, 18F27Q43 18F27J53, 18F27Q83, 18F27Q84, 18F4220, 18F4221, 18F4320, 18F43K20, 18F43K22, 18F4321, 18F4331, 18F4410, 18F44J10, 18F44J11, 18F4420, 18F44K20, 18F44K22, 18F4423, 18F4431, 18F4439, 18F4450, 18F44J50, 18F4455, 18F4458, 18F44Q71, 18F4480, 18F4510, 18F45J10, 18F45J11, 18F4515, 18F4520, 18F45K20, 18F45K22, 18F4523, 18F4525, 18F4539, 18F45K42, 18F45Q43, 18F4550, 18F45J50, 18F45K50, 18F4553, 18F45Q71, 18F4580, 18F45K80, 18F4585, 18F4610, 18F46J11, 18F46J13, 18F4620, 18F46K20, 18F46K22, 18F46K42, 18F46Q43, 18F46J50, 18F46K50, 18F46J53, 18F46Q71, 18F4680, 18F46K80, 18F4682, 18F46Q83, 18F46Q84, 18F4685, 18F47J13, 18F47K42, 18F47Q43, 18F47J53, 18F47Q83, 18F47Q84, 18F54Q71, 18F55K42, 18F55Q43, 18F55Q71, 18F56K42, 18F56Q43, 18F56Q71, 18F56Q83, 18F56Q84, 18F57K42, 18F57Q43, 18F57Q83, 18F57Q84,
18F63J11, 18F63J90, 18F64J11, 18F64J90, 18F65J10, 18F65J11, 18F65J15, 18F65J50, 18F65J90, 18F65K80, 18F66J10, 18F66J11, 18F66J15, 18F66J16, 18F66J50, 18F66J55, 18F66J60, 18F66J65, 18F66J90, 18F66J93, 18F67J10, 18F67J11, 18F67J50, 18F67J60, 18F66K80, 18F67J90, 18F67J93, 18F83J11, 18F83J90, 18F84J11, 18F84J90, 18F85J10, 18F85J11, 18F85J15, 18F85J50, 18F85J90, 18F8520, 18F86J10, 18F86J11, 18F86J15, 18F86J16, 18F86J50, 18F86J55, 18F86J60, 18F86J65, 18F86J72, 18F86J90, 18F86J93, 18F8722, 18F87J10, 18F87J11, 18F87J50, 18F87J60, 18F87J72, 18F87J90, 18F87J93, 18F96J60, 18F96J65, 18F97J60,
24F04KA200, 24F04KA201, 24F08KA101, 24F08KA102, 24F16KA101, 24F16KA102, 24FJ16GA002, 24FJ16GA004, 24FJ32GA002, 24FJ32GA004, 24FJ32GA102, 24FJ32GA104, 24FJ32GB002, 24FJ32GB004, 24FJ48GA002, 24FJ48GA004, 24FJ64GA002, 24FJ64GA004, 24FJ64GA006, 24FJ64GA008, 24FJ64GA010, 24FJ64GA102, 24FJ64GA104, 24FJ64GA306, 24FJ64GA308, 24FJ64GA310, 24FJ64GB002, 24FJ64GB004, 24FJ64GB106, 24FJ64GB108, 24FJ64GB110, 24FJ64GC006, 24FJ64GC008, 24FJ64GC010, 24FJ96GA006, 24FJ96GA008, 24FJ96GA010, 24FJ128GA006, 24FJ128GA008, 24FJ128GA010, 24FJ128GA106, 24FJ128GA108, 24FJ128GA110, 24FJ128GA306, 24FJ128GA308, 24FJ128GA310, 24FJ128GB106, 24FJ128GB108, 24FJ128GB110, 24FJ128GB206, 24FJ128GB210, 24FJ128GC006, 24FJ128GC008, 24FJ128GC010, 24FJ128DA106, 24FJ128DA110, 24FJ128DA206, 24FJ128DA210, 24FJ192GA106, 24FJ192GA108, 24FJ192GA110, 24FJ192GB106, 24FJ192GB108, 24FJ192GB110, 24FJ256GA106, 24FJ256GA108, 24FJ256GA110, 24FJ256GB106, 24FJ256GB108, 24FJ256GB110, 24FJ256GB206, 24FJ256GB210, 24FJ256DA106, 24FJ256DA110, 24FJ256DA206, 24FJ256DA210,
24EP32GP202, 24EP32GP203, 24EP32GP204, 24EP32MC202, 24EP32MC203, 24EP32MC204, 24EP64GP202, 24EP64GP203, 24EP64GP204, 24EP64GP206, 24EP64MC202, 24EP64MC203, 24EP64MC204, 24EP64MC206, 24EP128GP202, 24EP128GP204, 24EP128GP206, 24EP128MC202, 24EP128MC204, 24EP128MC206, 24EP256GP202, 24EP256GP204, 24EP256GP206, 24EP256MC202, 24EP256MC204, 24EP256MC206, 24EP512GP202, 24EP512GP204, 24EP512GP206, 24EP512MC202, 24EP512MC204, 24EP512MC206,
24HJ12GP201, 24HJ12GP202, 24HJ16GP304, 24HJ32GP202, 24HJ32GP204, 24HJ32GP302, 24HJ32GP304, 24HJ64GP202, 24HJ64GP204, 24HJ64GP206, 24HJ64GP210, 24HJ64GP502, 24HJ64GP504, 24HJ64GP506, 24HJ64GP510, 24HJ128GP202, 24HJ128GP204, 24HJ128GP206, 24HJ128GP210, 24HJ128GP306, 24HJ128GP310, 24HJ128GP502, 24HJ128GP504, 24HJ128GP506, 24HJ128GP510, 24HJ256GP206, 24HJ256GP210, 24HJ256GP610,
30F1010, 30F2010, 30F2011, 30F2012, 30F2020, 30F2023, 30F3010, 30F3011, 30F3012, 30F3013, 30F3014, 30F4011, 30F4012, 30F4013, 30F5011, 30F5013, 30F5015, 30F5016, 30F6010, 30F6011, 30F6012, 30F6013, 30F6014, 30F6015,
33FJ06GS101, 33FJ06GS102, 33FJ06GS202, 33FJ12GP201, 33FJ12GP202, 33FJ12MC201, 33FJ12MC202, 33FJ16GP304, 33FJ16GS402, 33FJ16GS404, 33FJ16GS502, 33FJ16GS504, 33FJ16MC304, 33FJ32GP202, 33FJ32GP204, 33FJ32GP302, 33FJ32GP304, 33FJ32GS406, 33FJ32GS606, 33FJ32GS608, 33FJ32GS610, 33FJ32MC202, 33FJ32MC204, 33FJ32MC302, 33FJ32MC304, 33FJ64GP202, 33FJ64GP204, 33FJ64GP206, 33FJ64GP306, 33FJ64GP310, 33FJ64GP706, 33FJ64GP708, 33FJ64GP710, 33FJ64GP802, 33FJ64GP804, 33FJ64GS406, 33FJ64GS606, 33FJ64GS608, 33FJ64GS610, 33FJ64MC202, 33FJ64MC204, 33FJ64MC506, 33FJ64MC508, 33FJ64MC510, 33FJ64MC706, 33FJ64MC710, 33FJ64MC802, 33FJ64MC804, 33FJ128GP202, 33FJ128GP204, 33FJ128GP206, 33FJ128GP306, 33FJ128GP310, 33FJ128GP706, 33FJ128GP708, 33FJ128GP710, 33FJ128GP802, 33FJ128GP804, 33FJ128MC202, 33FJ128MC204, 33FJ128MC506, 33FJ128MC510, 33FJ128MC706, 33FJ128MC708, 33FJ128MC710, 33FJ128MC802, 33FJ128MC804, 33FJ256GP506, 33FJ256GP510, 33FJ256GP710, 33FJ256MC510, 33FJ256MC710,
33EP32GP502, 33EP32GP503, 33EP32GP504, 33EP32MC202, 33EP32MC203, 33EP32MC204, 33EP32MC502, 33EP32MC503, 33EP32MC504, 33EP64GP502, 33EP64GP503, 33EP64GP504, 33EP64GP506, 33EP64MC202, 33EP64MC203, 33EP64MC204, 33EP64MC206, 33EP64MC502, 33EP64MC503, 33EP64MC504, 33EP64MC506, 33EP128GP502, 33EP128GP504, 33EP128GP506, 33EP128MC202, 33EP128MC204, 33EP128MC206, 33EP128MC502, 33EP128MC504, 33EP128MC506, 33EP256GP502, 33EP256GP504, 33EP256GP506, 33EP256MC202, 33EP256MC204, 33EP256MC206, 33EP256MC502, 33EP256MC504, 33EP256MC506, 33EP512GP502, 33EP512GP504, 33EP512GP506, 33EP512MC202, 33EP512MC204, 33EP512MC206, 33EP512MC502, 33EP512MC504, 33EP512MC506,
AT90S1200, AT90S2313, AT90S8515, AT90S8535, ATmega48, ATmega8, ATmega88, ATmega8515, ATmega8535, ATmega16, ATmega164, ATmega168, ATmega32, ATmega324, ATmega328, ATmega64, ATmega644, ATmega1284,
ATtiny11, ATtiny12, ATtiny13, ATtiny2313, ATtiny24, ATtiny25, ATtiny26, ATtiny261, ATtiny4313, ATtiny44, ATtiny45, ATtiny461, ATtiny48, ATtiny84, ATtiny85, ATtiny88, ATtiny861,
2400, 2401, 2402, 2404, 2408, 2416, 2432, 2464, 24128, 24256, 24512, 241024, 241025,
25010, 25020, 25040, 25080, 25160, 25320, 25640, 25128, 25256, 25512, 251024,
95010, 95020, 95040, 95080, 95160, 95320, 95640, 95128, 95256, 95512, 95M01, 95M02,
251005, 252005, 254005, 258005, 251605, 25X05, 25X10, 25X20, 25X40, 25X80, 25X16, 25X32, 25X64, 25X128, 25Q40,
93S46, 93x46, 93x46A, 93S56, 93x56, 93x56A, 93S66, 93x66, 93x66A, 93x76, 93x76A, 93x86, 93x86A,
DS2430, DS2431, DS2433, DS28EC20, DS1820,
11010, 11020, 11040, 11080, 11160

supporto in sola lettura:
12C671, 12C672, 12CE673, 12CE674

Importante!! I dispositivi a 3,3V non devono essere usati senza le espansioni a 3,3V, pena danni irreparabili; il programma verifica la presenza di questi adattatori prima di iniziare a programmare, ma ovviamente bisogna fare attenzione a selezionare il dispositivo giusto; i dispositivi a 3,3V sono:
12F1xxx,16F1xxx,18FxxJxx,18FxxKxx,24Fxxx,24Hxxx,33Fxxx.
Alcuni di questi hanno varianti che funzionano anche a 5V; se è necessario programmarli a 5V bisogna usare l'opzione "Non richiedere espansioni LV".
Un altro errore da evitare è inserire i 24F-33F nello zoccolo per 30F, che funziona a 5V.

Protocollo di comunicazione

Nella scelta del protocollo di comunicazione bisogna tenere conto di varie esigenze fra loro spesso contrastanti:
velocità ed efficienza di trasferimento, dimensione del codice, universalità ed espandibilità.
Rispetto a un collegamento seriale, quello USB ha la peculiarità di essere basato su pacchetti dati; si considera che i dati in un pacchetto arrivino contemporaneamente al dispositivo.
Nel caso di periferiche HID non se ne possono spedire più di uno ogni ms, quindi non è possibile gestire le temporizzazioni in maniera diretta come con una seriale, e si devono introdurre dei comandi che, opportunamente espansi dal microcontrollore, ricreano le forme d'onda desiderate.
D'altronde uno degli obiettivi di un programmatore affidabile è quello di essere indipendente dalla velocità del PC e dal suo carico di lavoro, per cui il compito di generare le forme d'onda precise deve ricadere comunque sul microcontrollore.
Dunque esistono a un estremo i programmatori seriali semplici, che ricevono solo comandi per forzare i livelli di tensione: il software sul PC controlla sia le temporizzazioni che l'algoritmo di programmazione, occupando però completamente la CPU e risentendo pesantemente degli altri programmi in esecuzione.
All'opposto i programmatori "intelligenti" generano le temporizzazioni e gestiscono gli algoritmi, ma devono essere aggiornati per supportare nuovi dispositivi; inoltre visto il numero di algoritmi esistenti l'occupazione di memoria sarà alta.
Qui la scelta è caduta su un sistema ibrido: nel firmware sono stati implementati i comandi elementari ICSP (In Circuit Serial Programming), ma gli algoritmi sono gestiti dal software.
Per aumentare la velocità e l'efficienza di trasferimento ci sono alcune istruzioni che corrispondono a comandi ripetuti molto spesso, ad esempio le letture sequenziali, o a combinazioni di istruzioni.
Il vantaggio di questo approccio è che le temporizzazioni sono molto precise perchè gestite dal microcontrollore, ma allo stesso tempo la grande varietà di algoritmi viene implementata nel software e non aumenta la dimensione del codice firmware.
Un ulteriore vantaggio è che una volta verificati i comandi base del firmware tutto lo sviluppo degli algoritmi si può fare su PC, in maniera certamente più veloce e senza dover aggiornare continuamente il firmware.
Per esempio per entrare in program mode col 16F628 e leggere DevID la sequenza sarebbe:

Oltre ai comandi ICSP ci sono istruzioni che permettono di gestire il programmatore, le tensioni di programmazione, imporre ritardi precisi, comunicare via I2C e SPI.
Ogni istruzione dura almeno 40us, dovuti al ciclo di esecuzione dell'interprete; i comandi ICSP sono temporizzati in base ai parametri T1-T2 o a quanto scritto nei documenti Microchip; tutte fanno almeno un eco sul pacchetto di ritorno, eccetto FLUSH che svuota la coda di uscita e la spedisce subito in un pacchetto di 64 byte.
Nel caso non ci siano i parametri richiesti da un comando, viene restituito 0xFE e termina l'esecuzione del pacchetto.
Lo stato della comunicazione USB è segnalato dal LED2: lampeggia a 4 Hz durante l'enumerazione, a 1 Hz quando la comunicazione è normale.
Il LED1 invece segnala quando ci sono istruzioni in esecuzione.
L'elenco completo delle istruzioni:

Schema elettrico (v2.1)

La funzionalità del programmatore dipende da due sezioni distinte: la parte di comunicazione USB e la parte di generazione delle tensioni di programmazione.
Per quanto riguarda la periferica USB sono necessari veramente pochi componenti oltre al micro principale: il quarzo, qualche condensatore, qualche resistenza e il connettore USB tipo B (anche micro-B), tutto come da Application Note della Microchip.
La sezione che si occupa delle ensioni richiede una serie di linee IO digitali, delle alimentazioni selezionabili, e un generatore ad alta tensione implementato con un convertitore DCDC step-up a tensione variabile (Q4, L1, D3), descritto di seguito. Inoltre servono tre transistor per controllare VDDU e VPPU.
Il micro principale è un PIC18F2550 o un 18F25K50, a 28 piedini; nel caso 25K50 non serve il quarzo né C2-C3.
Altro vantaggio del 25K50 è che si può programmare a bassa tensione, quindi basta un programmatore ricavato da un Arduino o un ESP8266.
Invece il 18F2553 differisce per l'ADC a 12 bit e quindi richiede la ricompilazione del firmware.
Volendo usare i modelli a 40 piedini corrispondenti (4550,45K50,4553) bisognerebbe modificare il circuito tenendo fissi gli assegnamenti delle porte; le ulteriori risorse disponibili rimarrebbero inutilizzate.
Lo schema elettrico è disegnato con KiCad; qua sotto il modulo base:

Molti componenti sono opzionali, servono solo per programmare alcuni tipi dispositivi o per agganciare ulteriori schede di espansione: i connettori CONN2-3-4-5-6, le resistenze di protezione R11:23, le resistenze di pull-up I2C R26-27, il pulsante S1, lo zoccolo per memorie I2C.

Elenco componenti:

• U1 quarzo 12Mhz (non necessario quando si usa il 25K50; anche 4, 8, 16, 20 MHz: in tal caso bisogna riconfigurare il divisore nel micro)
• U2 18F2550 o 18F25K50 (anche 2553,4550,45K50,4553, vedi sopra)
• U3 zoccolo 20p.
• U4 zoccolo 8p.
• Q1-Q2 BC557 (o qualsiasi PNP, attenzione al montaggio)
• Q3-Q4 BC547 (o qualsiasi NPN, attenzione al montaggio)
• D1-D2 LED a piacere
• D3 1N4148 (o qualsiasi diodo, meglio se Shottky)
• L1 100µH (tipo resistenza o altro)
• R1 22KΩ
• R2 12KΩ
• R3 100KΩ
• R4:6 10KΩ
• R7 1MΩ
• R8-R9 2.2KΩ
• R10 3.3KΩ
• R11:23 100Ω
• R24-R25 330KΩ
• R26-R27 10KΩ
• C1 22-100µF 25V
• C2-C3 22pF
• C4 >= 220nF
• C5 100nF
• C6 10µF
• C7-C8 100nF
• CONN1 USB tipo B o in alternativa CONN1B1 tipo micro-USB-B
• CONN2-3 connettori a pettine femmina 10 poli
• CONN4-5 connettori a pettine maschio 5 poli
• CONN6 connettore a pettine femmina 3 poli

Nel montaggio bisogna fare attenzione all'orientamento dei transistor: Q1 ha l'emettitore a sinistra, Q2 in alto, Q3 e Q4 a destra.
Un circuito funzionante, una volta connesso al PC, fa lampeggiare il led D2 a 4Hz fino a quando non termina l'enumerazione, e successivamente a 1Hz.
Tramite i due connettori CONN2-3 si possono poi collegare varie schede di espansione:

• per PIC a 28-40 piedini
• per PIC 8-20p. (come sulla scheda base, ma c'è più spazio per montare uno zoccolo ZIF)
• per PIC16-18 a 3,3V (questo adattatore ha anche un regolatore a 3,3V)
• per PIC24-30-33 (questo adattatore ha anche un regolatore a 3,3V)
• per Memorie I2C, SPI, MicroWire
• per Memorie SPI a 3,3V (questo adattatore ha anche un regolatore a 3,3V)
• per ATMEL AVR a 8-14-20-28-40p.

I componenti per le schede di espansione sono indicati nello schema elettrico completo; i diodi possono essere di qualunque tipo; le resistenze TBD non vanno montate.
Sulle schede di espansione consiglio di inserire i pettini di dal lato componenti facendoli spuntare sotto e di lasciare il distanziatore plastico sopra; questo aumenta molto la resistenza meccanica, soprattutto in fase di estrazione.

Dopo il montaggio bisogna verificare il corretto funzionamento eseguendo la funzione "test hardware" nel programma di controllo (OP o OPGUI).
In questa modalità, da eseguire senza dispositivi da programmare, vengono attivate in varie combinazioni le uscite CK, D, PGM, VDDU, VPPU, presenti sui piedini 14-15-12-1-4 di U3 (le tensioni sono riferite a GND, piedino 5). Se la tensione misurata corrisponde a quanto dice il programma vuol dire che il circuito è funzionante.
La tensione VPP può non corrispondere esattamente a quella impostata, e avere errori anche di +-1V; questo è dovuto al fatto che il riferimento di tensione del convertitore DCDC è la VCC stessa, che viene fornita dal cavo USB e può variare da 4.75V a 5.25V; inoltre il partitore R1-R2 può introdurre un ulteriore errore del 5%.
Tra le cause più frequenti di malfunzionamento (vero o presunto) ci sono:
orientamento scorretto dei transistor,
induttanza di valore errato,
difetti nel pcb come corti tra piste o piste aperte,
condensatori staccati o di valore errato,
microcontrollore principale non programmato o programmato male (spesso con config word sbagliata, ovvero con opzione LVP).

Qui si trova il progetto completo.
Questo è invece l'archivio della vecchia versione disegnata con gEDA.

PCB

Il circuito stampato è stato ottimizzato per essere prodotto in casa, quindi usa una sola faccia più alcuni ponticelli sul lato componenti, (inutili ovviamente nel caso PCB a doppia faccia). Le tracce sono piuttosto spesse tranne in alcuni punti critici.
Il connettore micro-USB SMD è consigliato solo se si usa un PCB a doppia faccia.
Per produrlo da un fornitore commerciale ci vogliono i file gerber; nell'archivio degli schemi si trovano anche questi, ma conteneti sia la scheda base che tutte le espansioni. Qualora non servissero tutte si dovrebbero ri-generare i file gerber dopo aver cancellato quello che non serve.
Novità della versione 2.0 è lo spostamento di uno dei connettori di espansione di 50 mil in basso, così da eliminare la possibilità di inserire le espansioni al contrario.
Anche i circuiti stampati (dalla 2.0) sono disegnati con KiCad.
Qui sotto il modulo base:


Chi avesse la pazienza può anche fare a meno dello stampato e montare il tutto su millefori.
Per chi invece volesse il PCB della scheda base già fatto ho creato un progetto shared su PCBWay (ovviamente non obbligatorio!)

Come si usa

La scheda base può ospitare i PIC a 8,14,18,20 piedini (eccetto i 10Fxxx).
Tutti vanno inseriti in U3 allineati al piedino 1 (stesso discorso per i dispositivi nelle schede di espansione):

In U4 vengono ospitate le memorie EEPROM I2C e UNIO.
I dispositivi OneWire (TO92) si connettono su CONN6.
Per i 10Fxxx a 6 o 8 piedini ci vuole un adattatore (non fornito).

Alcuni dispositivi richiedono una tensione massima di 3,3V che viene fornita da un regolatore presente in alcune delle schede di espansione.
Il software verifica la presenza di questi adattatori (che hanno RB1 in corto con RB0) per evitare danni irreparabili.
In alcuni casi (e.g 16F1x o 18F), solo la versione LF ha questa limitazione, ma il controllo sulla 3,3V è presente per tutte le versioni (per sicurezza, visto che la già lunga lista di dispositivi non comprende le varie sotto-versioni di ogni modello).
Nei software è comunque disponibile una opzione per disabilitare questo controllo.

La programmazione "in circuit" (ossia senza staccare il dispositivo dal suo circuito applicativo) si ottiene collegando il connettore ICSP alla scheda applicativa tramite cavo. I dispositivi a 3,3V richiedono una interfaccia ICSP anch'essa a bassa tensione, presente sulle schede di espansione a 3,3V.
Il connettore ICSP-IN del modulo base serve invece per programmare il micro principale senza toglierlo, mediante un altro programmatore.

Le immagini seguenti mostrano dove inserire i dispositivi sulle varie schede:

Come programmare il micro la prima volta?

E' un problema molto interessante, visto che un dispositivo nuovo è vuoto e non funziona come micro principale del programmatore; ci sono varie possibilità:

• farlo programmare da qualcuno che ce ha già un programmatore funzionante o un PICKIT.
• Disponendo di una RS232, costruire un programmatore seriale come il JDM, magari su millefori, e come software winpic o picprog.
• Avendo scelto il 25K50, usare un programmatore basato su Arduino o ESP8266 o simili.
• Ordinarlo pre-programmato dalla MICROCHIP.
• Se proprio non sapete come fare potete contattami e ve lo posso programmare io.

Potrebbe sembrare strano dover costruire un programmatore per farne un altro, ma non c'è modo di comunicare via USB senza firmware; credo però che ne valga la pena, visto che i programmatori seriali non sono molto affidabili, sono lenti, e soprattutto non si possono usare sui nuovi computer.
Un consiglio: assicuratevi di aver programmato bene il dispositivo (tramite verifica); se usate un 2550 evitate assolutamente di abilitare la programmazione LVP (a bassa tensione); questa infatti riserva RB5 per entrare in program mode e RB6-RB7 per comunicare, col risultato che il circuito comunica via USB ma non funziona; ciò in pratica esclude i programmatori a bassa tensione.
Inoltre, visto che attualmente non c'è un bootloader, consiglio di tenere un micro di scorta per caricare le versioni aggiornate del firmware.

Mappa delle risorse e dei connettori:

Qualche foto delle varie schede:

Base + espansione montata:

Dispositivo OneWire (TO92) collegato su una vecchia versione priva di connettore dedicato:

Regolatore DCDC boost

Per generare una tensione Vpp maggiore di 5V bisogna usare un convertitore DCDC a commutazione di tipo boost.
In commercio ne esistono a migliaia, ma seguendo la filosofia del minimo indispensabile ne ho realizzato uno col micro stesso, al modico costo di un transistor e qualche componente passivo.
Caratteristica molto importante richiesta in questo progetto è di poter variare la tensione di uscita durante il funzionamento.
Per tenerla fissa nelle diverse condizioni operative bisogna poi variare la larghezza degli impulsi di commutazione in funzione del valore ottenuto.
In pratica si tratta di realizzare un regolatore con anello di reazione digitale, come illustrato nello schema seguente.



I blocchi di base ci sono tutti: periferica PWM, convertitore A/D, DSP(quasi).
Attualmente il convertitore A/D usa come riferimento l'alimentazione a 5V, quindi l'uscita varia in funzione di questa; è però possibile collegare un riferimento esterno su RA3 e migliorare la precisione. La frequenza di commutazione è 90 kHz, ben oltre la frequenza di taglio del filtro LC in uscita (~2,3 kHz).
Le prestazioni in corrente sono limitate dalle perdite del transistor, del diodo, dell'induttore, ma visto che l'assorbimento del carico è basso si può usare un comunissimo diodo al silicio, un transistor NPN qualsiasi, e un induttore a goccia; per migliorare il comportamento si può optare per un diodo Shottky, tipo BAT41, un transistor più grosso (o un Mosfet) e un'induttanza avvolta in aria.
Rimane da progettare un regolatore (blocco C) opportuno: è meglio lavorare nel dominio s, quindi serve modello alle variazioni del convertitore, cosa che fortunatamente è stata già fatta e si trova un po' dappertutto, ad esempio qui.
Con i componenti scelti il convertitore opera in regime discontinuo, infatti la corrente critica risulta:
Icrit=Vu*T/(16*L)=86 mA
molto al di sopra del consumo effettivo, che supponiamo 1mA.
Parametri di calcolo:
Vi=5
Vu=12.5
D=(vu-vi)/vo
L=100e-6
C=47e-6
I=1e-3
R=12/I
Rl=1.6 (resistenza serie dell'induttore)
T=1/90e3
La funzione di trasferimento risulta:
Il diagramma di Bode è il seguente:

Dunque il sistema sarebbe stabile anche solo chiuso su se stesso, ma avrebbe un errore a regime inversamente proporzionale al guadagno DC.
Per ovviare a questo bisogna inserire un controllore con un polo nell'origine e uno zero più avanti per stabilizzare il tutto.
Ad esempio usando un controllore di questo tipo:
la funzione di trasferimento si modifica come segue:

Si vede che il sistema rimane stabile, con margine di fase ~75º.

Ora per chiudere l'anello di regolazione in digitale bisogna scegliere la frequenza di campionamento.
Questa da un lato limita la banda passante del regolatore, dall'altra viene limitata dalla potenza di calcolo del micro; un periodo di 250us è risultato un buon compromesso.
Convertendo le varie funzioni di trasferimento nel dominio di z con la trasformazione bilineare si ha:
Il regolatore è:
Ricordo che z^-1 rappresenta un ritardo di un ciclo di clock.
Ora c'è da fare i conti con gli errori di quantizzazione e di calcolo.
Il convertitore A/D è a 10 bit e comadato dal Timer2; al termine della conversione viene generato un interrupt e viene eseguita la funzione di regolazione, che ha come uscita il nuovo duty-cycle del generatore PWM, anch'esso a 10 bit.
Sul ramo di ritorno è necessario un partitore in modo da limitare la tensione di ingresso all'intervallo [0,5V]; R1 e R2 hanno questo compito.
Il diagramma del sistema si modifica come segue:


a=12/34

Vu=C'H(Vi-aVu)
Per ritornare al modello precedente moltiplichiamo ambo i membri per a e poniamo il nuovo ingresso a Vi/a; questo semplicemente comporterà una divisione del valore di tensione desiderato.
aC'=C
aC1'=C1
aC2'=C2

Visto che si lavora con rappresentazioni digitali a 10 bit vogliamo passare da D/err a pwm/[err]

[err]=err*1024/5
pwm=D*1024
pwm(1 - z^-1)=[err](5*C1/a - 5*C2/a z^-1)=[err](3.564 - 3.52 z^-1)

E' chiaro che con moltiplicazioni fra interi non si riuscirebbe ad avere una precisione accettabile sui coefficienti; la soluzione più semplice è usare come uscita il risultato diviso per un multiplo di 2 e ricalcolare i coefficienti di conseguenza.
Considerato che il registro pwm è allineato a sinistra risulta semplicissimo dividere per 64, ossia tralasciare gli ultimi 6 bit.

pwm(1 - z^-1)=[err](k1 - k2 z^-1)/64

k1=5C1/a*64=228.12 ~ 228
k2=5C2/a*64=225.25 ~ 225

Di seguito le risposte al gradino del sistema continuo (blu), di quello campionato con controllore ideale (rosso) e di quello con i coefficienti reali (verde); come si vede coincidono tutte.

Il programma di calcolo è Octave (ovviamente open source), utilizzabile senza troppi problemi anche col noto sistema (quasi)operativo a finestre.
Se qualcuno fosse interessato questi sono i listati dei modelli descritti prima.
Il codice effettivo della funzione di controllo è quasi tutto in assembly: questo si è reso necessario per ridurre il tempo di esecuzione; infatti il compilatore C inserisce una chiamata per ogni moltiplicazione (che in questo caso è a 16 bit) con conseguenti salvataggi delle variabili sullo stack; alla fine il tempo di esecuzione arrivava a 50us, ossia una frazione significativa del periodo.
In assembly invece si risparmiano le chiamate e si può fare senza sprechi la moltiplicazione 16x8 bit (visti k1 e k2); alla fine il tempo di esecuzione risulta 12us.  


Qualche forma d'onda:


Transitorio di accensione (12V)


Risposta al variare della tensione regolata (da 8V a 9V)



Risposta al variare del carico (0-1mA e 1mA-0)

Come contribuire

Il modo migliore per contribuire a questo progetto è costruirlo, usarlo, e segnalare eventuali bachi, idee, richieste di supporto.
In particolare rimangono da verificare parecchi dispositivi, vedi supporto.
Chi avesse la pazienza e le conoscenze adatte può anche aggiungere altri algoritmi di programmazione o altri comandi interni.
Oppure se vi avanza un dispositivo non supportato potete spedirmelo in modo che io lo possa provare.
Se trovate il progetto utile e lo usate scrivetemi due righe a , e se l'avete modificato mostratemi il vostro lavoro.
Su SourceForge sono presenti vari forum su cui discutere di questo progetto; oppure potete racccomandarlo o lasciare un commento, spero positivo.

Scarica file

Schema elettrico e circuito stampato: Pdf, archivio completo
Firmware: progetto MPLAB completo o firmware compilato per 18F2550(.hex) oppure firmware compilato per 18F25K50(.hex)
opgui (GTK GUI per Linux & Windows): sorgenti o app Windows
OP (per linea di comando, Linux e Windows)
Guida all'uso di Opgui
Listati per Octave

Cronologia

Link interessanti

Open Programmer su SourceForge
Breve guida al firmware HID
pdb, un semplice debugger ICD per PIC16
openprog_tools, un fork di op/opgui
MSYS2, toolchain ufficiale per windows
GTK3 runtime, librerie grafiche per windows
KiCad
Microchip (e Atmel)
Standard USB 2.0
HID page on USB.org
USB & PIC
Documentazione su hiddev
ICprog
Octave
gEDA project
licenze GNU/GPL
Piklab IDE for PIC microcontrollers
USBPicprog, un altro programmatore open source
Cygwin, un ambiente linux dentro windows

Contatti

Per informazioni o commenti:
Alberto Maccioni  
Cosiglio anche di usare i forum su sourceforge.

Ringraziamenti

Vorrei ringraziare tutti quelli che hanno contribuito alla crescita di questo progetto, in particolare: Anselmo per le problematiche linux/SCM, Sandro per i PCB altamente professionali, Alessandro per la verifica di parecchi dispositivi, Ken per la verifica di parecchi AVR, Luigi per la verifica di memorie OneWire, Mihaly per la verifica di memorie Flash SPI.

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