自製Arduino

在這一章節，我們將教你如何自製一塊Arduino板。

隨著你的專案變得越來越複雜，Arduino原本只有20個的腳位可能會變得不夠用，而程式也會變得越來越複雜，越來越難以除錯。現在普遍的解決方案是將功能分開，不同的功能由不同的MCU實現，例如馬達集成編程器、驅動和調速，姿態傳感器集成MCU和計算姿態等。當需要讀取傳感器數據或控制馬達時，主程式只需要與其他的MCU溝通，而不需要參與底層複雜的計算和控制。這方面，樂高機械人做得非常成熟，樂高機械人的傳感器和制動器都是透過I²C溝通的，而近年的教育機械人廠家，例如大彊，則是透過更穩定的CAN BUS溝通。

要將功能模組化，就需要學會如何自製Arduino板。

自製Arduino1. 甚麼是bootloader？2. 燒錄bootloaderStep 1Step 2Step 33. (option)自製專用燒錄器4. 自製Arduino4.1 繪劃線路圖4.2 設計電路板5. 上傳程式5.1 FTDI TTL SerialConverter上傳器5.2 可拆IC的UNO板

1. 甚麼是bootloader？

想像一下，你有一台電腦，作業系統就像是控制整個電腦運作的大腦。它負責管理和分配電腦的資源，例如處理器、記憶體和硬碟等。同樣地，Arduino的bootloader就像是它的小腦，專門負責控制Arduino板子的啟動和執行。

當你開機時，作業系統會載入到電腦的記憶體中，並確保所有必要的程式和資源都正確地被載入和初始化。這樣你才能使用電腦進行各種任務，如瀏覽網頁、運行程式等。同樣地，Arduino的bootloader會在開機時載入到Arduino板子的記憶體中，並確保你的程式碼能夠正確地被載入和執行。

簡單來說，作業系統和bootloader都是負責控制和管理電腦（或Arduino板子）的重要程式，讓它們能夠正常運作並執行你想要的操作。要燒錄bootloader，有幾種方法。我們將在接下來的章節中詳細介紹。

一般要燒錄程式到MCU，都需要專門的燒錄器，例如下圖是專門燒錄Atmel系列(即Arduino UNO)的AVR MKII，另外還有專門燒錄STM32的ST-LINK。

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Arduino UNO的ICSP其實就是用來燒錄程式的。

但我們平常「上傳」程式到 Arduino UNO ，又為何不需要透過ICSP和燒錄器呢？

當我們「上傳」程式到 Arduino UNO 時，我們實際上是在 Arduino 的 bootloader 上運行程式。

Bootloader 就像是一個小型的作業系統，它允許我們通過串口（Serial Port）將程式碼上傳到 Arduino 板上。當我們上傳程式碼時，程式碼是被燒錄到微控制器的 Flash 記憶體中的。

然後，當 Arduino 板啟動時，Bootloader 會運行並檢查是否有新的程式需要加載。如果有，它會加載並運行該程式。所以，我們可以說，我們的程式碼被「燒錄」到了 Arduino 板上，並且是在 Bootloader 的控制下運行的。

所以我們自製Arduio板，首先要為Arduino的核心，燒錄bootloader，否則就要預留ICSP插頭，為自製的板先燒錄bootloader後才能使用。

2. 燒錄bootloader

要燒錄bootloader有好幾種方法：

使用AVR USB tiny ISP燒錄；
使用AVR 下載器;
使用其他Arduino板燒錄。

最容易的話，當然是第3種方法，不需額外再購買其他零件，這是第3種方法官方的教程。但我跟著這個方法，從沒試過成功，再加上我需要燒錄還沒焊接的Atmega328 IC，想找一個更簡單的方法。

後來我找到這個方法。以下是我整理過後的介紹。

Step 1

首先找一塊Arduino UNO板，先將Atmega_Board_Programmer程式上傳。

Step 2

將Arduino UNO的腳位，跟著以下的接線，接到目標Atmega328的腳位上。


x
1
Arduino Uno      Target Uno (Atemga328)
2

3
D10 (SS)            Reset
4
D11 (MOSI)          D11
5
D12 (MISO)          D12
6
D13 (SCK)           D13
7

8
Gnd                 Gnd
9
+5V                 +5V

可以根據上圖的pinout，找到目標UNO的D11, D12, D13, Reset, +5V和GND

Step 3

開啟Arduino的序列埠監測器（Serial Monitor），就會見到以下介面：


xxxxxxxxxx
1
1
Type 'L' to use Lilypad (8 MHz) loader, or 'U' for Uno (16 MHz) loader ...

按下U選擇UNO，


xxxxxxxxxx
13
1
Atmega chip programmer.
2
Written by Nick Gammon.
3
Entered programming mode OK.
4
Signature = 0x1E 0x95 0x0F 
5
Processor = ATmega328P
6
Flash memory size = 32768 bytes.
7
LFuse = 0xFF 
8
HFuse = 0xDE 
9
EFuse = 0xFD 
10
Lock byte = 0xCF 
11
Bootloader address = 0x7E00
12
Bootloader length = 512 bytes.
13
Type 'G' to program the chip with the bootloader ...

如果接線沒有錯誤，成功讀取到目標的Atmega328 IC的話，就會讀到型號、signature等資訊，接著根據指示，按G，


xxxxxxxxxx
16
1
Erasing chip ...
2
Writing bootloader ...
3
Committing page starting at 0x7E00
4
Committing page starting at 0x7E80
5
Committing page starting at 0x7F00
6
Committing page starting at 0x7F80
7
Written.
8
Verifying ...
9
No errors found.
10
Writing fuses ...
11
LFuse = 0xFF 
12
HFuse = 0xDE 
13
EFuse = 0xFD 
14
Lock byte = 0xCF 
15
Done.
16
Type 'C' when ready to continue with another chip ...

這時就會自己清洗IC，自動燒入bootloader和核對，見到上面的文字，即燒錄已經成功。

3. (option)自製專用燒錄器

為了方便的燒錄，我買了一個TQFP-32轉DIP-32的轉換器，

跟據上圖的引腳轉換和Atmega328原始腳位與Arduino UNO的腳位配置，自製了一個燒錄器，具體線圖如下：

由於要燒錄的Atmega328不是一個完整的Arduino板，所以除了跟據上述Step 2的接線外，還要為這顆要燒錄的Atmega328，加上晶振和電容電阻等基本配置。

為方便大家使用，也為我這個燒錄器未來更加專業，我順便設計了一塊Arduino shield。

這塊shield，除了有TQFP-32轉DIP-32轉換器的引腳，也預留了空的TQFP-32引腳，如果只是間中需要燒錄，不想買TQFP-32轉DIP-32轉換器的話，就可以用膠紙將Atmega328固定在引腳上，燒錄後就可以把它取下。

Gerber生產檔在這裡： PCB v3_2023-11-17.zip

4. 自製Arduino

在這一節中，我們會配合上一章自製PCB板，用覆銅板和蝕刻劑自己蝕刻一塊WS2812的全彩燈環，當然，如果你有興趣，也可以將設計檔轉成Gerber檔，交給代工廠製作，詳情可參考這一章。

4.1 繪劃線路圖

為了方便快速設計，可以將常用的線路，打包成design block，這樣下次再使用時，就可以快速拉入，不用每次重覆繪圖同一線路。

先下載這個檔案： pro mini atmega328.dbl 。這是我劃好的Arduino Pro Mini線路。Pro Mini跟UNO一樣都是做用Atmega328作為核心，唯一分別是Pro Mini沒有了Serial通訊的部分，需要額外的上載器為Arduino通訊和上傳程式。但只要燒錄UNO的bootloader，就可以當成UNO使用。

在Fusion360中，開啟New Eelctronics Design，找到Insert Design Block，就能匯入剛下載的design block。

這個design block包含了降壓用的7805、13號引腳的built-in LED和一些穩壓電容，如果我們直接接5V火牛作為輸入的話，就不需要降壓，所以首先將降壓的部分和built-in LED刪除。接著輸入add，在wirepadlibrary中，找到SMD5加入電路中，分別接上+5V和GND如右圖。

接著在SparkFun-LED中，找到WS2812_5050，將WS2812_5050的DO接上下一顆的DI，串成12顆，供上電源，記得第一顆的DI接在Arduino的D6。

最後為D2腳加入一顆40-xx按鍵。完成後記得做一次ERC，可以將上圖的這些Warnings都選Approve。

4.2 設計電路板

先打開grid，將單位轉成mm，每一格為2.54mm
將電路板的綠色尺寸線，設定成75mmx75mm的正方形。(可以直接對著綠線，按滑鼠右鍵，選取Properties，直接輸入座標)
對著40-xx按鍵零件，按滑鼠右鍵，直接輸入座標，放置到(37.5 37.5)
先群選12顆ws2812 LED，輸入arrange，就可以跟據上圖的設定，一次過排序所有LED成環形
其他零件可以任意放置，但要注意四件事：
1. 晶振零件Y1和R7電阻必須盡量接近Atmega328的7和8引腳
2. TP1至TP6為程式上傳用的引腳，需要順序排成一直線，間隔為2.54mm(100mil)
3. +5V和GND的wirepad為電源輸入，放在其中一個角位。
4. 你可能要花點時間和心力，想一想零件的排序，怎樣才減少過孔
打開drc，跟據上一章的指示，將線寬設定成0.5mm、間距設定成0.2mm，最小鑽孔設定成0.9mm，由於Atmega328原本的間距就已經大於0.5mm，所以首先要將設計規則定成0.2mm，手動佈線所有Atmega328的引腳

之後再次開啟drc，將間距重新設定成0.5mm，之後就可以自動佈線。佈線不難，但要將過孔盡量減少就十分困難，最後我將所有ws2812 LED都轉了180度，穩壓電容和開關指示LED都搬到左下角，TP1至TP6轉了180度，才能將過孔控制在2個。
最後我用show功能，將+5V和GND都顯示出來觀察，由於GND要經過全部LED轉一個圈才到達Atmega328，而LED是十分耗電的，為防到達Atmega328時電壓下降，我額外在GND輸入的wirepad旁，加了一個過孔，

最後劃polygon後，我開啟drc將間距設定成1mm，令polygon不要太密，增加製作的成功率。
製作部分與上一章一樣，在此就不再重覆了。

5. 上傳程式

在家/在校自製的話，由於線路本身較複雜，間距又少，失敗率都比較高，條件許可的話我建議可代工生產。如果代工的話，可參考之前章節，而design rules也不用特別設成0.5mm線寬和間距，一般工廠設定可參考這裡。

焊接成功後，就可以上傳程式測試，由於你的arduino板是沒有上傳器的，所以需要額外的上傳器，你可以在網上找到FTDI TTL Serial Converter上傳器，或者可以用一塊可拆IC的UNO板。

5.1 FTDI TTL SerialConverter上傳器

將Arduino的TP1至TP6，如下表接至上傳器


xxxxxxxxxx
1
1
自製Arduino             上傳器
2
TP1     +5V     <-->    ---
3
TP2     GND     <-->    GND
4
TP3     +5V     <-->    +5V
5
TP4     RX      <-->    TX
6
TP5     TX      <-->    RX
7
TP6     DTR     <-->    DTR

之後就可以按照一般Arduino UNO的上傳流程上傳了。

5.2 可拆IC的UNO板

上述是首選，如果手邊突然沒有上傳器的話，可以找一塊可拆IC的UNO板，先將主IC用一字批輕輕取出(小心IC腳會彎)。

之後可根據下表按線：


x
1
自製Arduino           已拆IC Arduino
2
TP1     +5V     <-->    ---
3
TP2     GND     <-->    GND
4
TP3     +5V     <-->    +5V
5
TP4     RX      <-->    RX(0)
6
TP5     TX      <-->    TX(1)
7
TP6     DTR     <-->    RESET

之後就可以按照一般上傳流程進行。