Arduino Uno plus ZIF socket

Tinkering ini bisa jadi tergolong pada proyek “ya karena saya bisa” (just because I can). Sekalipun masih tetap bermanfaat, utak-atik ini lebih merupakan kesenangan dan keisengan.

Gambar 1.

Gambar 2.

 

Arduino (dan sistem yang kompatibel dengannya) sebenarnya terdiri dari dua bagian yang utuh menjadi satu. Di satu bagian adalah hardware, perangkat keras, berupa papan Arduino. Di satu bagian lain adalah software (perangkat lunak), yang juga terdiri dari dua bagian yaitu firmware/bootloader yang terdapat di papan Arduino dan bagian lain adalah Arduino IDE yang dipakai oleh pengguna untuk menyusun program yang akan dimasukkan ke mikrokontroler (papan Arduino). Umumnya Arduino IDE-lah yang lebih dikenal sebagai bagian software.

Karena itu papan Arduino dapat dipakai tanpa mempergunakan bootloader [1] dan sistem masih berfungsi dengan baik. Misalnya pada Arduino Mega, Arduino Uno, Arduino Nano, dan Arduino Micro, pengguna bisa langsung menggunakan mikrokontroler AVR dari keluarga ATmega. Pengguna bisa mempergunakan header untuk port ISP/ICSP untuk melakukan pemrograman μC tanpa bantuan bootloader untuk melakukan pemrograman melalui USB port.

Dari Gambar 2, bisa dilihat bahwa kabel pita/kabel pelangi dihubungkan semi permanen ke ICSP port di papan Arduino agar dapat memudahkan proses pemrograman dengan perangkat keras pemrogram seperti USBasp. Dengan demikian papan Arduino Uno bisa juga difungsikan sebagai papan untuk memprogram mikrokontroler Atmel AVR ATmega328P tanpa bootloader Arduino.

Berikutnya adalah mengenai ZIF socket. Pada Gambar 1 dan Gambar 2, bisa dilihat ZIF (Zero Insertion Force) [2] adalah benda berwarna hijau tempat IC mikrokontroler dipasang. ZIF memudahkan pengguna untuk memindahkan dan memasang kembali IC. Jadi, untuk mempergunakan papan Arduino Uno sebagai papan mikrokontroler tanpa bootloader Arduino, soket ZIF sebenarnya tidak diperlukan. Itu sebabnya di awal saya sebut utak-atik ini sebagai “just because I can”.  Tetapi, lagi, ZIF memudahkan jika saya hendak mengganti IC yang sedang diprogram. Segala yang mempermudah dan mempercepat proses layak untuk dipertimbangkan untuk dimiliki atau dibuat.

 

Footnotes    (↵ returns to text)

  1. Not using a bootloader: If you want to use the full program space (flash) of the chip or avoid the bootloader delay, you can burn your sketches using an external programmer. ~Arduino.cc
  2. Stands for “Zero Insertion Force.” ZIF is a type of CPU socket on a computer motherboard that allows for the simple replacement or upgrade of the processor. Processors that use a ZIF socket can easily be removed by pulling a small release lever next to the processor and lifting it out. The replacement processor is then placed in the socket and secured by pushing the lever in the opposite direction — hence the phrase, “zero insertion force.” I suppose there is some force required to push the lever, but it is significantly less than non-ZIF sockets, which require special tools to force the processor out. ~techterms.com

DST-51 + USBasp

Papan DST-51 V3.7 adalah papan sistem mikrokontroler yang saya beli dulu sekali saat beralih dari arsitektur MCS-51 ke arsitektur AVR. Itu saat sebelum era booming sistem papan Arduino di pasaran lokal. Beberapa tahun ini, papan itu jarang dipakai. Sampai hari ini saya coba menggunakannya kembali dengan USBasp. Pekerjaan “terbesarnya” hanya membeli lem pada kabel pelangi (header) dan mengurutkan ISP Port di papan itu.

Gambar 1. Koneksi papan DST-51 ke laptop melalui USBasp dan USB hub

ISP PORT pinATmega16 pinFungsi pinWarna kabel
131GndHitam
230VccPutih
3---
4---
5---
6---
7---
86MOSICokelat
97MISOMerah
108SCKOranye
119ResetKuning

Gambar 2. Hubungan kabel pada ISP PORT di papan DST-51

Gambar 3. Hubungan kabel ke konverter ISP 10 pin ke 6 pin

Gambar 4. Hubungan kabel ke konverter ISP 10 pin ke 6 pin

Image result for (ISP | ICSP) adapter 10 6Gambar 5. ISP 6 pin dan 10 pin [sumber]

Image result for atmega16 pinoutGambar 6. ATmega16/32 & Arduino pinout [sumber]

Gambar 7. Uji membaca ATmega16 menggunakan AVRDUDE

Graphical User Interface untuk upload program Atmel AVR

Seperti yang sudah disebutkan pada post terdahulu, perintah pada AVRDUDE dapat diberikan langsung melalui terminal di sistem GNU/Linux (misalnya Ubuntu atau Mint). Tetapi ada kalanya cara point-and-click lebih menarik, lebih menyenangkan atau bahkan mempermudah. Di sistem Microsoft Windows maupun GNU/Linux terdapat beberapa GUI (Graphical User Interface) yang bisa dipergunakan. Di sistem Windows terdapat lebih banyak program GUI yang saya temukan daripada GUI untuk GNU/Linux.

Salah satu yang dapat bekerja baik di sistem Windows maupun GNU/Linux adalah AVRDUDESS. Blog untuk avrdudess (termasuk program untuk di-download) ada di link ini. Sedangkan kode sumber program ada di GitHub.

Sebagai contoh akan saya pakai untuk memprogram sistem papan ATtiny2313A dan ATmega8, keduanya mikrokontroler produksi Atmel (saat saya menulis halaman ini perusahaan itu telah beberapa waktu yang lalu dibeli oleh Microchip)

Yang pertama adalah uji coba menggunakan papan ATtiny2313A. Papan ini saya buat sebelum sistem papan Arduino banyak tersedia dengan harga yang relatif sudah murah seperti sekarang ini. Selain mikrokontroler ATtiny2313A papan itu saya buat berisi LED dan pushbutton. Waktu itu lumayan untuk mempelajari AVR sekaligus engingat kembali cara merancang PCB sederhana.

Gambar 1.

Di Gambar 1 dapat dilihat beberapa tombol pilihan untuk mengoperasikan AVRDUDE melalui AVRDUDES. Pertama, pastikan terlebuh dahulu bahwa perangkat programmer yang kita pilh sudah benar-benar sesuai dengan perangkat keras yang kita pakai. Dalam hal ini saya menggunakan USBasp. Kedua pilihlah Bit Clock yang sesuai, sebab beberapa sistem target tidak dapat merespon dengan baik jika diatur terlalu cepat. Kurangi frekuensi jika target dilaporkan tidak merespon dengan baik. Tiga, pilihan opsi -e untuk melakukan penghapusan dapat dipakai untuk beberapa skenario. Misalnya untuk sekadar menghapus program pada μC target tanpa mengisi ulang program. Bisa juga dipakai untuk memastikan bahwa isi sebelumnya benar-benar telah terhapus. Saya menemui beberapa papan yang akan beberapa kali mengalami kesalahan jika tidak diperintah dengan opsi ini.

Empat, perhatikan tulisan perintah untuk avrdude. Inilah perintah manual yang akan dieksekusi yang berasal dari pilihan yang dilakukan oleh pengguna melalui bantuan GUI avrdudess. Perhatikan opsi -B ditulis dengan cara berbeda, berkebalikan dari pilihan via GUI pada langkah dua. Lima, tekan tombol detect untuk secara otomatis mendeteksi tipe mikrokontroler yang sudah terhubung di programmer. Tombol ini juga saya pakai untuk mencoba kondisi sistem pemrograman, apakah sudah terhubung dengan baik dan apakah μC dalam kondisi baik dan siap untuk diprogram. Enam, yang saya tandai dengan kotak berwarna merah itu berfungsi untuk mengetahui konfigurasi fuse pada μC. Di sistem Atmel AVR fuse memegang peranan penting, dan kesalahan pada pengaturannya seringkali membuat μC tidak lagi mudah untuk diprogram (perlu perangkat berbeda untuk fuse reset).

Gambar 2.

Hasil eksekusi program terlihat di Gambar 3, pin: PB2, PB3, PB4, PB5.

Gambar 3. Papan ATtiny2313A

Pengoperasian avrdudess (Gambar 4) untuk sistem papan ATmega8 tidak berbeda dari sebelumnya (Gambar 1). Berbeda dengan ATmega328P yang memiliki memori program sebesar 32 KB, ATmega8 hanya memiliki 8 KB, sekalipun secara fisik keduanya sama. Di pasaran lokal Indonesia (saat saya menulis ini) harganya sudah tidak jauh berbeda, selilish sekitar lima ribu rupiah.

Gambar 4.

Hasil eksekusi terlihat pada Gambar 5; LED pada PC0, PC1, PC2, PC3, PC4, PC5.

Gambar 5.

Visual Studio Code dan PlatformIO

Beberapa waktu lalu saya sempat membuat catatan pengenalan tentang PlatformIO. Saat itu PlatformIO dikombinasikan dengan text editor Atom. Untuk kali ini saya akan memperkenalkan kombinasi antara PlatformIO dengan Visual Studio Code. Berbeda dengan Sublime Text, VSCode benar-benar gratis, bebas pakai seperti Atom. VS Code tersedia untuk sistem Windows, GNU/Linux maupun Mac.

PlatformIO memungkinkan pengguna untuk melakukan pemrograman terhadap mikrokontroler Atmel AVR. Bahkan lebih dari itu, ada banyak sistem lain selain AVR yang semakin mudah untuk diprogram dengan bantuan PlatformIO. Berikut saya kutip dari PlatformIO IDE for VSCode:

The next generation integrated development environment for IoT

PlatformIO is an open source ecosystem for IoT development.
Cross-platform build system and unified debugger. Remote unit testing and firmware updates.

Atmel AVR & SAM, Espressif 8266 & 32, Freescale Kinetis, Intel ARC32, Lattice iCE40,
Maxim Integrated MAX32, Microchip PIC32, Nordic nRF51, Nordic nRF52, NXP LPC, Silicon Labs EFM32, ST STM32,
TI MSP430 & Tiva, Teensy, Arduino, ARM mbed, libOpenCM3, ESP8266, etc.

Features

  • Cross-platform code builder without external dependencies to a system software:
    • 400+ embedded boards
    • 20+ development platforms
    • 10+ frameworks
  • PIO Remote™
  • PIO Unified Debugger
  • Unit Testing
  • C/C++ Intelligent Code Completion
  • C/C++ Smart Code Linter for rapid professional development
  • Library Manager for the hundreds popular libraries
  • Multi-projects workflow with multiple panes
  • Themes support with dark and light colors
  • Serial Port Monitor
  • Built-in Terminal with PlatformIO Core tool (pio, platformio)

Proses instalasi PlatformIO untuk VSCode cukup mudah, ikuti saja urutan langkah pada Gambar 1.

../_images/platformio-ide-vscode-pkg-installer.pngGambar 1. Instalasi [sumber]

Gambar 2.

Untuk memulai suatu proyek dengan PlatformIO, pengguna perlu membuka suatu direktori/folder dalam file system agar semua file proyek bisa disimpan. Pengguna bisa membuat folder baru dari aplikasi file browser tersendiri di luar VSCode, atau membuka folder yang sudah ada lalu mencari tempat untuk membuat folder yang baru dari dalam VSCode dengan menggunakan Open Folder (Gambar 2).

Gambar 3.

Setelah pengguna memilih sebuah folder untuk proyek (entah folder yang sudah ada atau yang baru dibuat), selanjutnya pengguna bisa membuat file atau folder baru. Caranya  seperti tampak pada Gambar 3, pilih icon yang sesuai (silakan hoover mouse di atas icon untuk mengetahui).

Gambar 4.

Awal pembuatan proyek yang akan menempatkan file-file di dalam folder dimulai dengan menekan Crtl+Shift+P, lalu memilih menu yang sesuai seperti pada Gambar 4. Yang lebih mudah adalah dengan menggunakan shortcut keys Ctrl+Alt+I.

Gambar 5.

Di Gambar 5 terlihat bahwa pengguna bisa memilih mikrokontroler atau sistem papan yang sesuai setelah PlatformIO menyelesaikan proses inisialisasi. Di bar bagian bawah akan muncul tulisan Selecting a board – PlatformIO Project initialization….

Gambar 6.

Pengaturan tentang bagaimana PlatformIO membantu pengguna di atur di dalam file platformio.ini seperti pada Gambar 6. Pengguna dapat memilih untuk menggunakan framework seperti bootloader dari Arduino atau mengakses langsung mikrokontroler. Dengan cara itu pengguna/pemrogram dapat memilih dari banyak mikrokontroler tanpa perlu/harus menggunakan framework.

Pertama pengguna memilih platform yang ingin dipergunakan, misalnya untuk mikrokontroler Atmel AVR di PlatformIO platform dinamai sebagai atmelavr. Berikutnya adalah framework, sebagai contoh adalah Arduino. Jangan khawatir, pengguna tidak perlu mempergunakan (mengaktifkan)  framework jika memang tidak diinginkan. Ini hanyalah cara PlatformIO untuk mengorganisasi prosesor (mikrokontroler) dan sistem. Setelah platform dan framework berikutnya pengguna memilih board. Contoh adalah boards dari Adafruit, Arduino, EnviroDIY adan SparkFun, yang untuk masing-masing papan (board) diberi nama pengenal yang berbeda. Jika ingin membaca keterangan mengenai boards berdasar pada platform atmelavr, silakan baca halaman di link ini. Sedangkan jika ingin membaca boards yang diurutkan dalam framework yang sama (sebagai contoh Arduino) maka bisa dibaca di link ini.

Jika pengguna ingin memprogram mikrokontroler ATmega328P, maka dapat memilih board mana saja yang menggunakan mikrokontroler tersebut. Contohnya boards dari Adafruit: metro, protrinket5; dari Arduino: diecimilaatmega328, miniatmega328, nanoatmega328, pro8MHzatmega328, uno; dari SparkFun: uview. Kesemuanya bisa dipilih karena mempergunakan mikrokontroler yang sama sesuai keperluan (ATmega328P). Jika akan menggunakan pemrograman murni dengan GCC C (cara pure AVR), opsi framework di dalam file platformio.ini dapat dihapus atau dijadikan sebagai komentar.

Jadi seperti pada Gambar 5, pengguna yang ingin memprogram ATmega32 dapat memilih board mightycore32,  dari MCUdude. MightyCore adalah core atau bootloader untuk framework Arduino yang ditujukan untuk dipergunakan pada mikrokontroler seperti ATmega16, ATmega32 dan ATmega8535. Seperti terlihat pada Gambar 6, framework Arduino bisa tidak dipakai (opsinya dijadikan komentar) sehingga pengguna langsung memprogram μC dalam bahasa C (dengan compiler GCC).

Gambar 7.

Setelah selesai tahap inisialisasi, folder scr masih kosong. Pengguna perlu membuat setidaknya satu file sumber (main.c) dengan cara memilih menu New File seperti pada Gambar 7.

Gambar 8.

Pada Gambar 8 diperlihatkan jika pengguna melakukan klik untuk membuka file main.c maka kode bisa ditulis di dalam workspace.

Gambar  9.

Perhatikan bahwa proses build berhasil dilakukan walaupun frekuensi mikrokontroler dalam program pada Gambar 9 diatur sebesar 40 MHz untuk Atmega32 yang memiliki frekuensi CPU maksimum sebesar 16 MHz. Karena itu kecuali kesalahan syntax, pemrogram masih perlu sangat berhati-hati dan mengandalkan diri sendiri. Modifikasi kode untuk contoh dalam file main.c sebagai berikut.

Gambar  10. Modifikasi untuk mikrokontroler ATmega16

Gambar 10 menampilkan proyek yang baru untuk ATmega16 dengan dasar kode yang sama dengan proyek untuk ATmega32 (Gambar 8). Penyesuaian dilakukan untuk frekuensi kerja mikrokontroler sehingga pengaturan untuk penundaan (delay) akan tepat.

Gambar  11. Hasil upload dengan avrdude dan usbasp

PlatformIO di VS Code juga mendukung proses upload kode ke mikrokontroler target, dengan menggunakan avrdude seperti terlihat pada Gambar 11. Uji coba dengan μC Atmel AVR ATmega16 berhasil dengan baik (Gambar 12).

Gambar  12. Uji upload dengan Atmega16 + LED

Gambar  13. Upload dengan Eclipse IDE sebagai pembanding

Gambar  14.

Proses uploading dengan avrdude tidak selalu berhasil dengan lancar. Kadang-kadang terjadi kegagalan dengan beberapa pesan kesalahan. Hal ini terutama terjadi karena masalah komunikasi dengan target. Gambar 13 memperlihatkan proses uploading menggunakan avrdude yang diatur dari konfigurasi internal di Eclipse. Cara ini bisa dipakai sebagai pembanding untuk menentukan sumber kesalahan. Gambar 14 memperlihatkan cara yang lebih ringan daripada cara pada Gambar 13. Di GNU/Linux seperti Ubuntu atau Mint pengguna cukup membuka terminal dan mengetik perintah sebagai berikut:

avrdude -p m16 -P usb -c usbasp -B 10

Perintah ini akan menghasilkan keluaran seperti pada Gambar 14. Salah satu sumber kegagalan upload program adalah karena kecepatan pengiriman data. Solusinya adalah dengan mencoba mengatur kecepatan dengan opsi -B. Semakin besar nilainya, maka akan semakin rendah frekuensinya. Di Gambar 14 terlihat untuk -B 10, frekuensi SCK diatur menjadi 93750 Hz. Pengguna bisa mencoba-coba dari nilai -B yang besar kemudian secara bertahap dikurangi.

Opsi lain adalah -v, yaitu verbose yang berfungsi memberikan keterangan lebih banyak saat perintah avrdude dieksekusi.

avrdude -p m16 -P usb -c usbasp -B 10 -v

Opsi -e berguna untuk memberi perintah penghapusan chip. Ini berguna karena beberapa kali terjadi kesalahan akibat avrdude gagal melakukan pemeriksaan ulang kode program yang sudah diunggah ke mikrokontroler. Di dalam file platformio.ini opsi -e saya cantumkan untuk lebih menjamin keberhasilan proses upload kode.

avrdude -p m16 -P usb -c usbasp -B 10 -e

Perintah upload kode sebenarnya juga bisa dilakukan dengan menggunakan CLI pada terminal. Cukup gunakan opsi -U dan nama program.

avrdude -p m16 -P usb -c usbasp -B 10 -U flash:w:firmware.hex

Untuk lebih mudahnya, lakukan pemanggilan dari dalam direktori/folder yang sama dengan letak file *.hex.

Gambar  15.

Gambar  16. Build dan upload untuk Atmel ATmega328P

Gambar 16 menunjukkan PlatformIO dapat dipakai untuk memprogram mikrokontroler Atmel ATmega328P tanpa framework.  Kode program tidak jauh berbeda, hanya seperti modifikasi yang terdahulu, perlu menyesuaikan setting frekuensi kerja dari CPU (mikrokontroler). Isi file platformio.ini untuk memprogram mikrokontroler ATmega328P tanpa bootloader Arduino:

Gambar  17. Pemrograman mikrokontroler ATmega328P dengan memanfaatkan papan Arduino Uno

Gambar 17 menampilkan cara memprogram ATmega328P dengan menggunakan papan Arduino UNO. Perlu diingat, hanya karena menggunakan papan Arduino Uno tidak berarti pemrograman dilakukan dengan menggunakan Arduino sebagaimana normalnya (menggunakan port USB). Perhatikan bahwa di dalam file konfigurasi platformio.ini, baris framework = arduino dijadikan komentar sehingga tidak akan ikut dieksekusi. Artinya framework berupa bootloader Arduino tidak akan dipakai dalam pemrograman ini. Bahkan isi (termasuk bootloader Arduino) dari mikrokontroler ATmega328P telah dihapus semuanya sebelum diisi program yang baru.

Gambar  18. Upload untuk ATtiny2313A

Gambar  19. Papan latih dengan mikrokontroler ATtiny2313A

Gambar 18 dan Gambar 19 menunjukkan pemanfaatan PlatformIO untuk melakukan pemrograman pada mikrokontroler Atmel AVR ATtiny2313A. Cara yang sama berlaku untuk banyak mikrokontroler yang lain. Pengguna bahkan bisa langsung memprogram mikrokontroler tanpa mempergunakan framework/bootloader seperti dari Arduino, Adafruit atau SparkFun. Khusus untuk mikrokontroler keluarga Atmel AVR keterangan lebih rinci mengenai pemrogramannya dengan PlatformIO bisa dibaca di halaman ini. Untuk keluarga STM32 bisa dibaca di halaman ST STM32, demikian seterusnya untuk masing-masing keluarga prosesor.

http://foros.giltesa.com/otros/arduino/fc/docs/pinout/uno.jpgGambar  20. Arduino Uno pinout [sumber]

Dalam Gambar 20 sebagai contoh terlihat bahwa sesungguhnya papan Arduino Uno R3 terdiri dari mikrokontroler ATmega328P sebagai komponen utama. Gambar pinout seperti ini memudahkan pengguna untuk mencari padanan saat hendak langsung mengakses pin/port tanpa bantuan framework/bootloader. Misalnya, jika biasanya LED indikator di Arduino Uno diakses melalui pin 13 maka dapat dilihat bahwa sesungguhnya pin itu adalah pin PB5 dari μC ATmega328P.

Konfigurasi seperti ini dapat dicari untuk sistem yang lain sehingga akses langsung ke pin/port bisa dilakukan tanpa menggunakan bootloader/framework.