Borg16

         

Borg16 Release status: Stable [box doku]
Description	Ein 256-LED Displaycontroller
Author(s)	Various, Tunix, (Suschman)
Last Version	2.0 ()
Platform	AVR (ATmega32)
Download	Software: Github Hardware: SVN browse

„Stable“ befindet sich nicht in der Liste (experimental, beta, stable, obsolete, unknown) zulässiger Werte für das Attribut „Pr status“.

About

Der Borg16 basiert auf Andrés originalem 16×16-Borg und umfasst eine professionell hergestellte Platine zur Ansteuerung von 256 LEDs. Üblicherweise sind diese als eine Matrix von 16x16 LEDs angeordnet, aber auch andere Formate sind möglich. Sie verfügt über eine serielle Schnittelle und einen Anschluss für einen Joystick im 9-Pin Atari-Standard. Zusätzlich bietet die Platine Platz für einen CAN-Bus-Controller oder ein RMF12-Funkmodul zur Vernetzung.

Die Borgware-2D kann die LEDs mit vier Helligkeitsstufen ansteuern. Es existiert bereits eine breite Palette an Spielen, Demos und Testprogrammen. Der Simulator ermöglicht zudem die Entwicklung neuer Software auch ohne die Hardware. Die Leerplatine samt Bauteile für den Borg16 gibt es im Labor als Bausatz zu kaufen.

Tunix hat auf den Labortagen 2012 einen Vortrag über den Borg16 gehalten. Manche Informationen in dem folgenden Video sind allerdings mittlerweile veraltet, daher ist es sinnvoller, die aktualisierten Folien weiter unten zu Rate zu ziehen.

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• Folien des Vortrages (fehlerbereinigt und aktualisiert auf den Stand von November 2014)
• Video: Borg16 - Getting started
• vorgefertigte Firmware-Images mit und ohne seriellen Bootloadern (bitte die Hinweise beachten)

Aufbau

Borg16v1

Die ursprüngliche Borg16-Platine von 2006 mit optionaler CAN-Unterstützung und ausschließlich bedrahteten Bauteilen. Mittlerweile vergriffen.

Bestückungsliste

Position	Bauteil	Wert	Bemerkung
C1	Elektrolyt-Kondensator	330µF
C2	Keramik-Kondensator	100nF
C3	Keramik-Kondensator	100nF
C4	Keramik-Kondensator	100nF	wird nicht bestückt
C5	Keramik-Kondensator	100nF
C6	Keramik-Kondensator	18pF
C7	Keramik-Kondensator	18pF
COL	Wannenbuchse 16pol.
D1	Kleinsignal-Diode 1N4148
D2	Gleichrichter-Diode 1N4004
IC1	Treiber-IC UDN2981AN
IC2	Treiber-IC UDN2981AN
IC3	Schieberegister-IC 74HCT164N
IC4	Schieberegister-IC 74HCT164N
IC5	ATMEGA32
ISP	Stiftleiste. 2×5
JOY	Sub-D9 Male
LED1	LED 5mm grün
LED2	LED 5mm rot
PWR	Hohlsteckerbuchse
R01-R16	Vorwiderstände		siehe Text
R17	Kohleschichtwiderstand	10kΩ
R18	Kohleschichtwiderstand	10kΩ
R19	Kohleschichtwiderstand	10kΩ
R20	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
R21	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
R22	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
R23	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
R24	Kohleschichtwiderstand	33kΩ
RESET	Kurzhubtaster
ROW	Wannenbuchse 16pol.
RS232	Sub-D9 Female
T01-T16	MOSFET IRLD024
T17	NPN-Transistor BC547B
T18	NPN-Transistor BC547B
X1	Schwingquarz (HC49/U)	16 MHz
CAN	Stiftleiste 1×3		optional
IC6	CAN-Controller MCP2510P		optional
IC7	CAN-Transceiver MCP2551P		optional

Borg16v2

Die aktuelle Borg16-Platine von 2009, die optional auch ein RFM12-Funkmodul aufnehmen kann. Aus Platzgründen bedürfen die (optionalen) CAN-Bauteile nun der SMD-Bauform. Die restlichen Komponenten sind wie gehabt bedrahtet. Noch in großer Stückzahl erhältlich.

Bestückungsliste

Position	Bauteil	Wert	Bemerkung
C1	Elektrolyt-Kondensator	470µF
C2	Keramik-Kondensator	100nF
C3	Keramik-Kondensator	100nF
C4	Keramik-Kondensator	100nF	wird nicht bestückt
C5	Keramik-Kondensator	100nF
C6	Keramik-Kondensator	22pF
C7	Keramik-Kondensator	22pF
COL	Wannenbuchse 16pol.
D1	Kleinsignal-Diode 1N4148
D2	Gleichrichter-Diode 1N4004
IC1	Treiber-IC UDN2981AN
IC2	Treiber-IC UDN2981AN
IC3	Schieberegister-IC 74HCT164N
IC4	Schieberegister-IC 74HCT164N
IC5	ATMEGA32
ISP	Stiftleiste. 2×5
JOY	Sub-D9 Male
LED3	LED, 3mm, gelb, diffus
PWR	Hohlsteckerbuchse
R01-R16	Vorwiderstände		siehe Text
R18	Kohleschichtwiderstand	10kΩ
R19	Kohleschichtwiderstand	10kΩ
R20	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
R21	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
R26	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
RESET	Kurzhubtaster
ROW	Wannenbuchse 16pol.
RS232	Sub-D9 Female
T01-T16	MOSFET IRLD024
T17	NPN-Transistor BC547B
T18	NPN-Transistor BC547B
X1	Schwingquarz (HC49/U)	16 MHz

Optionale Borg16v2 CAN-Bestückungsliste:

Position	Bauteil	Wert	Bemerkung
CAN	Stift- oder Sockelleiste 1×3
IC6	CAN-Controller MCP 2515-I/SO		SMD, Rückseite der Platine
IC7	CAN-Transceiver MCP 2551-I/SN		SMD, Rückseite der Platine
LED1	LED 5mm grün
LED2	LED 5mm rot
R17	Kohleschichtwiderstand	10kΩ
R22	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
R23	Kohleschichtwiderstand	1kΩ
R24	SMD-Widerstand	33kΩ	SMD, Rückseite der Platine

Optionale Borg16v2 RFM12-Bestückungsliste

Position	Bauteil	Wert	Bemerkung
ANT	ca 17,5cm Kabel
IC8	RFM12-Chip
R25	Kohleschichtwiderstand	10kΩ

Die RFM12 und CAN Optionen schliessen sich leider gegenseitig aus, es geht immer nur eines von beidem!

Bausatz

Diesen Bausatz kannst du im Labor kaufen.

Reicheltliste

Hier gibt es die Teileliste (inkl. Reichelt Warenkorb), CAN und RFM12 sind optional.

Bestückung

Die Bestückung der Platine läuft, wenn du schon einmal einen Bausatz zusammengelötet hast, nach dem bekannten Schema ab. Sollte dies dein erstes Bauprojekt sein, empfiehlt es sich das Tutorial von Microcontroller.net zu lesen. Um die gröbsten Anfängerfehler zu vermeiden, sind hier nochmal die grundlegendsten Vorgehensweisen beim Löten zusammengefasst.

Löthinweise für Anfänger

Für Lötanfänger ist es sinnvoll, bleihaltiges Lot zu verwenden, da es bei der Verarbeitung etwas tolerantere Temperatur- und Zeitfenster hat. Zudem lassen sich bei bleihaltigem Lot gelungene Lötverbindungen an ihrem Glanz erkennen, wohingegen matte Lötverbindungen kalte Lötstellen anzeigen. Bleifreies Lot erzeugt immer matte Lötstellen, was die optische Unterscheidung zwischen guten oder schlechten Lötverbindungen erschwert.

Dünner Lötdraht mit 0,5mm Dicke lässt sich einfacher dosieren als Drähte mit 0,75mm oder gar mehr. Steht eine temperaturgereregelte Lötstation zur Verfügung, so ist diese auf etwa 340°C einzustellen.

Niemals versuchen, Lot von der Lötspitze auf einen Pin oder ein Pad abzustreifen, da dort bereits alles an Flussmittel verdampft ist, was ursprünglich im Lötdraht enthalten war. Solches Lot oxidiert sofort, wodurch es breiartig, matt und schlecht leitend wird, ein Garant für kalte Lötstellen. So etwas gehört auf den Abstreifschwamm, nicht auf die Platine.

Stattdessen mit der sauberen Lötspitze Pad und Bauteilpin für etwa ein bis zwei Sekunden gleichmäßig erhitzen und dann den Lötdraht zuführen, und zwar dem Pin oder dem Pad, nicht direkt der Lötspitze, da sich die Flussmittelseele sonst zu schnell verflüchtigt. Sobald das Pad und der Pin vollständig vom Lot umflossen sind, Lötkolben und Draht von der Lötstelle nehmen.

Empfohlene Reihenfolge

Generell fängt man mit den flachsten Bauteilen an und arbeitet sich nach und nach zu den nächstgrößeren Bauteilen vor. Folgende Reihenfolge hat sich bewährt:

• die Widerstände R18 bis R21 und R26 (die Widerstände R1 bis R16 sind die Vorwiderstände und nicht im Bausatz enthalten, da abhängig von den LEDs; aber falls Ihr die schon habt könnt Ihr auch mit denen anfangen)
• sofern vorhanden, der Sockel für den Mikrocontroller (IC5)
• Treiber-ICs (IC1 und IC2) und Schieberegister-ICs (IC3 und IC4)
• falls kein Sockel zum Einsatz kommt, der Mikrocontoller (IC5)
• Achtung: die ICs entsprechend der im Bestückungsdruck markierten Einkerbung orientieren, einen falsch eingelöteten IC wieder zu entfernen ist aufwändig und belastet sowohl die Bauteile als auch die Platine
• die Zeilentreiber in Form der IRLD024-MOSFETs (T1 bis T16); deren großer Doppelpin zeigt dabei in Richtung der Wannenstecker
• Gleichrichterdiode 1N4007 (D2) für den Verpolungsschutz, der Ring muss in Richtung des Strichs auf dem Bestückungsdruck zeigen
• Schwingquarz mit 16 MHz (X1)
• die Kondensatoren 22pF (C6, C7) und 100nF (C2, C3, C5); C4 wird nicht bestückt
• gelbe 3mm LED (LED3), den abgeflachten Kragen entsprechend dem Bestückungsdruck orientieren
• die Diode 1N4148 (D1) wird stehend festgelötet, dabei zeigt der schwarze Ring auf dem Bauteil in Richtung des Strichs auf dem Bestückungsdruck; Vorsicht beim Biegen der Beinchen, da das Glasgehäuse dieser Diode schnell bricht
• die beiden BC547B-Transistoren (T17 und T18)
• Reset-Taster (RESET)
• die ISP-Steckerleiste (ISP)
• die beiden Wannenstecker an ROW und COL; Pin 1 dieser Stecker ist mit einem aufgeprägten Dreieck markiert, bitte entsprechend dem Bestückungsdruck orientieren
• Hohlsteckerbuchse (PWR)
• die Sub-D Anschlüsse (JOY und RS232), der Stecker (männlich) an JOY, die Buchse (weiblich) an RS232
• der Elektrolyt-Kondensator mit 470µF (C1); bitte auf die Polung achten und den am Kondensatorgehäuse mit einem Minus markierten Pin nicht in den Pluspol der Platine stecken (im Bestückungsdruck mit einem + markiert)

LED Matrix

Die Zeilen bilden jeweils eine gemeinsame Kathode, die Spalten jeweils eine gemeinsame Anode. Bei einer korrekt aufgebauten Matrix (Draufsicht von vorne) liegen die "Pin 1"-Leitungen der Spalten und Zeilen in der rechten oberen Ecke (von hinten drauf geschaut also links oben). Die Borgware kann einen spiegelverkehrten Aufbau mittels der Option Borg Hardware/Borg16 port setup/reverse cols in Software ausgleichen. Dies kostet allerdings Rechenzeit, was sich u.a. in langsameren Plasma-Animationen zeigt. Besser gar nicht erst falsch verdrahten.

Sofern ihr die Matrix direkt aus den Beinchen der LEDs aufbauen wollt, empfiehlt es sich, die Zeilen zuerst zu verlöten, da die Kathoden kürzer sind. Die Spalten mit den längeren Anoden lassen sich dann leichter über die Zeilen hinweg verlegen, ohne einen Kurzschluss zu verursachen.

Für den Bau des eigentlichen Displays eignen sich LEDs beliebiger Größe (zB. 3mm, 5mm, 10mm Durchmesser) und Farbe. Nur blaue und weiße LEDs haben eine zu hohe Dropout-Spannung, wer sie unbedingt verwenden will muss die Steuerung mit 6V betreiben. Wichtig ist es, nicht zu sparsam zu sein und LEDs mit 400mcd Helligkeit oder mehr zu verwenden, keine low-cost oder preiswerte Standardware. Diese verkraften die hohen Pulsströme nicht und leuchten sehr dunkel.

(Hier Beispielliste möglicher Led-Widerstand Kombinationen eintragen - WIP)

• Osram 3mm Kingbright Amberfarben - 22 Ohm ??
• Osram 5mm Kingbright Rot (Reichelt Bestellnummer "LED 5-4500 RT") - 12 Ohm
• Osram 10mm Kingbright Rot (Reichelt Bestellnummer "LED 10-4500 RT") - 12 Ohm

LED Vorwiderstand berechnen

Über die Treibertransistoren gehen ca. 1,5 bis 2V (U_Treiber) verloren. Die Spannung über den Vorwiderstand kann also mit
U_R = U_Betrieb - U_Treiber - U_LED berechnet werden.
Beispiel: Wir gehen von einer Betriebsspannung von 5V aus. Rote LEDs haben einen Spannungsabfall von 2V, an den Treiberbausteinen fallen ebenfalls 2V ab.
U_R = 5V - 2V - 2V = 1V
Der Vorwiderstand berechnet sich nun nach dem Ohm'schen Gesetz R=U/I. Für einen LED-Pulsstrom von 100mA:
R = 1V / 0,1A = 10Ω
Da die LEDs mit 1/16 Einschaltdauer (6,25% Duty Cycle) bei ca. 134Hz angesteuert werden, kann man ihnen ruhig Überstrom geben. Das Datenblatt sagt genaueres dazu, wieviel erlaubt ist. Alle LEDs sollten mindestens 50mA vertragen können. Die Schaltung kann mit passendem Vorwiderstand Pulse von bis zu 120mA erzeugen. Dann muss das Netzteil aber auch knapp 2A (16×120mA) liefern können.
Im Falle blauer oder weißer LEDs veträgt die Schaltung auch eine Betriebsspannung von 6V, damit die LEDs strotz der Spannungsabfälle über die Treiber noch ihre 3,5V bekommen. Noch höher sollte man die Versorgungsspannung aber nicht machen, weil sonst der Mikrokontrolller oder andere Teile leiden könnten.

Zum Berechnen des Widerstandes gibt es auch einen praktischen Vorwiderstandsrechner.

Gehäuseideen

• Ikea Bilderrahmen RIBBA in der Größe 50x50x4.5 cm
• LEDs auf Lochrasterplatinen verlöten und milchtransparentes Plexiglas mit Distanzhülsen befestigen (der André-Borg ist so gebaut)
• Marcus hat eine detaillierte Bauanleitung für seinen RainbowBorg geschrieben
• Tunix hat eine detaillierte Bauanleitung für den CTDO-Borg geschrieben

Plexiglas gibt es beim stegplattenshop.com (kostenloser Zuschnitt!) in Castrop-Rauxel oder bei Ebay, Handelsbezeichnung "PLexiglas XT Opal Weis" in unterschiedlichen Graden an Lichtdurchlässigkeit. Etwas teurer ist der Plexiglas-Shop von Evonik, der allerdings auch ausgefallenere Materialien wie das schwarze 9H04-truLED-Plexiglas führt.

Günstige LEDs in verschiedenen Farben und Größen gibt es bei www.easyseller24.de. Es handelt sich dabei um B-Ware (siehe Marcus' Bauanleitung für Details), allerdings ist die Qualität der LEDs für einen Borg gemeinhin ausreichend.

Wer für seine Gehäusekonstruktion eine Trägerplatte für die LEDs benötigt und diese nicht selber fräsen möchte, kann sich im Baumarkt nach gelochten Faserplatten (MDF oder HDF) umschauen. Selbst wenn der Lochdurchmesser für die jeweiligen LEDs nicht ausreicht, lassen sich solche Platten relativ einfach nachbohren, da das Anzeichnen entfällt und sich der Bohrer wegen der bestehenden Löcher einfacher ansetzen lässt. Auch kann sich ein Blick bei Händlern von Akustikplatten lohnen, die u.a. die Fertigung von gelochten Platten nach Maß anbieten, was sie sich dann aber auch entsprechend bezahlen lassen.

Programmieren

Der Borg16 lässt sich ganz normal über die ISP-Schnittstelle mit STK200-Belegung programmieren, wie sie üblicherweise bei USBasp-Programmiergeräten zu finden ist. In der Draufsicht der Platine ist Pin 1 für den ISP rechts oben, sofern die Anschlüsse PW, JOY und RS232 zu einem selbst zeigen.

Bei erstmaliger Inbetriebnahme eines ATMega muss der SLOW-Jumper (J3) des USBasp gesetzt sein. Dies hängt damit zusammen, dass ein ATMega im Auslieferungszustand zunächst mit einem internen Taktgeber von 1 MHz arbeitet und der USBasp die Daten sonst zu schnell über die ISP-Schnittstelle übertragen würde. Bei USBasp-Varianten ohne SLOW-Jumper hilft die zusätzliche Angabe der Option '-B 4' in avrdude. Sobald der externe Taktgeber über die Fuses (siehe unten) konfiguriert ist, sind der SLOW-Jumper oder die besagte Option nicht mehr notwendig.

Fuses

Ein fabrikneuer ATmega-Mikrocontroller bedarf vor der ersten Verwendung einer einmaligen Konfiguration, damit er mit der restlichen Hardware der Borg16-Platine harmoniert. Dies geschieht über sogenannte Fuses, als Bytes ausgelegte Werte, deren Bits bestimmte Eigenschaften des Controllers beeinflussen. Wir unterscheiden zwischen der lfuse, der hfuse und bei den ATMega*4-Controllern zusätzlich der efuse, die sich mit Hilfe eines Programmiergerätes ändern lassen. Die genaue Bedeutung der einzelnen Fuse-Werte lässt sich aus dem Datenblatt des jeweiligen Mikrocontrollers entnehmen. Konkret stellen wir bei den ATmegas folgendes ein:

• Nutzung eines externen Schwingquarzes mit 16 MHz
• EEPROM-Inhalte bleiben beim Flashen erhalten
• Bootloader nutzen (optional)
• Bootloadergröße von 512 Words (1024 Bytes)
• serielle Programmierung über ISP-Schnittstelle zulassen
• Brown-out Detection bei ca. 4,3 Volt, damit der Controller bei Unterspannung den Betrieb einstellt, bevor er Quatsch macht

Die folgenden beiden Tabellen geben die richtigen Fuse-Werte für alle derzeit auf dem Borg16 unterstützten Mikrocontroller an. Welche Tabelle die richtige ist, hängt davon ab, ob zum Progammieren des Boards ausschließlich ein Programmiergerät oder die serielle Schnittstelle zum Einsatz kommen soll, wobei letztere einen seriellen Bootloader benötigt.

Ohne Bootloader (Firmware wird ausschließlich über ein Programmiergerät übertragen)

Controller	lfuse	hfuse	efuse	avrdude-Befehl für USBasp (Copy-Paste)
ATmega32	0x2f	0xc5	-	avrdude -c usbasp -p m32 -U lfuse:w:0x2f:m -U hfuse:w:0xc5:m
ATmega644	0xe7	0xd7	0xfc	avrdude -c usbasp -p m644 -U lfuse:w:0xe7:m -U hfuse:w:0xd7:m -U efuse:w:0xfc:m
ATmega644P	0xe7	0xd7	0xfc	avrdude -c usbasp -p m644p -U lfuse:w:0xe7:m -U hfuse:w:0xd7:m -U efuse:w:0xfc:m
ATmega1284	0xe7	0xd7	0xfc	avrdude -c usbasp -p m1284 -U lfuse:w:0xe7:m -U hfuse:w:0xd7:m -U efuse:w:0xfc:m
ATmega1284P	0xe7	0xd7	0xfc	avrdude -c usbasp -p m1284p -U lfuse:w:0xe7:m -U hfuse:w:0xd7:m -U efuse:w:0xfc:m

Mit Bootloader (Firmware wird auch über die serielle Schnittstelle übertragen)

Controller	lfuse	hfuse	efuse	avrdude-Befehl für USBasp (Copy-Paste)
ATmega32	0x2f	0xc4	-	avrdude -c usbasp -p m32 -U lfuse:w:0x2f:m -U hfuse:w:0xc4:m
ATmega644	0xe7	0xd6	0xfc	avrdude -c usbasp -p m644 -U lfuse:w:0xe7:m -U hfuse:w:0xd6:m -U efuse:w:0xfc:m
ATmega644P	0xe7	0xd6	0xfc	avrdude -c usbasp -p m644p -U lfuse:w:0xe7:m -U hfuse:w:0xd6:m -U efuse:w:0xfc:m
ATmega1284	0xe7	0xd6	0xfc	avrdude -c usbasp -p m1284 -U lfuse:w:0xe7:m -U hfuse:w:0xd6:m -U efuse:w:0xfc:m
ATmega1284P	0xe7	0xd6	0xfc	avrdude -c usbasp -p m1284p -U lfuse:w:0xe7:m -U hfuse:w:0xd6:m -U efuse:w:0xfc:m

Wer tiefer in die Materie einsteigen möchte: Der Fuse-Calculator von Engbedded kann die hexadezimalen Werte der Fuses in sprechende Namen übersetzen. Die dort verwendeten Bezeichnungen lassen sich dann bequem im Datenblatt des jeweiligen Controllers nachschlagen.

Vorgefertigte Firmware-Images

Wer sich nicht zutraut, die Borgware-2D selber zu kompilieren oder die neu gebaute Hardware einfach nur schnell mit einer fertigen Firmware testen möchte, kann sich das passende Image aus diesem ZIP-Archiv (Stand 12.10.2014) heraussuchen. Dort finden sich Images für den ATmega32, ATmega644(P) und den ATmega1284(P). Wir weisen an dieser Stelle darauf hin, dass diese Images nur mit Standardversionen des Borg16 funktionieren, die Matrix also wie oben beschrieben korrekt verdrahtet ist (Koordinate [0,0] rechts oben) und ein Quarz mit 16 MHz verwendet wird. Diese Images enthalten keinen CAN- oder RFM12-Support. Bevor es jemand versucht: Die Images sind nicht für den André-Borg und auch nicht für die Borg-Jacke geeignet.

Das Archiv enthält neben den normalen Borgware-2D-Images auch solche mit integriertem seriellen Bootloader, die wir manuell erstellt haben. Wird die Firmware ausschließlich mit einem Programmiergerät wie dem USBasp übertragen, genügen die normalen Images. Soll die Firmware hingegen zukünftig über die serielle Schnittstelle aktualisiert werden, muss mit einem Programmiergerät initial ein Image mit seriellem Bootloader auf den Chip programmiert werden. In den Fuses ist dieser gegebenenfalls einzuschalten. Danach ist das Programmiergerät nicht mehr nötig und es lassen sich normale Images ohne integrierten Bootloader (dieser kann sich ja nicht selbst überschreiben) über die serielle Schnittstelle übertragen. Dazu wartet der Controller nach einem Reset für zwei Sekunden auf eine serielle Verbindung (19200 Baud).

Siehe auch den Abschnitt über serielle Bootloader weiter unten.

Flashen der Firmware mit dem USBasp-Programmiergerät

Dieser Abschnitt geht davon aus, dass bereits ein Firmware-Image mit dem Namen image.hex im aktuellen Verzeichnis vorliegt. Ein solches Image lässt sich mit Hilfe eines eines USBasp-Programmiergerätes folgendermaßen flashen:

Controller	avrdude-Befehl
ATmega32	avrdude -c usbasp -p m32 -U f:w:image.hex
ATmega644	avrdude -c usbasp -p m644 -U f:w:image.hex
ATmega644P	avrdude -c usbasp -p m644p -U f:w:image.hex
ATmega1284	avrdude -c usbasp -p m1284 -U f:w:image.hex
ATmega1284P	avrdude -c usbasp -p m1284p -U f:w:image.hex

Dies weißt avrdude an, als Programmiergerät "-c" einen USBasp zu verwenden, als Target "-p" einen ATmega32/644/644P/1284/1284P anzunehmen und eine Speicheroperation "-U" im Flash-ROM "f" durchzuführen, und zwar das Schreiben "w" des Inhalts von "image.hex".

Wird die Firmware direkt mit dem USBasp auf den ATmega übertragen, geht ein eventuell zuvor aufgespielter Bootloader verloren. Das liegt daran, dass das Flash-ROM beim Programmieren über die ISP-Schnittstelle komplett gelöscht wird und in einer frisch kompilierten Borgware 2D kein Bootloader enthalten ist. Dementsprechend ist der Bootloader-Support in den Fuses gegebenenfalls zu deaktivieren. Eine Ausnahme sind die weiter oben beschriebenen, von uns bereitgestellten Images. Dort gibt es Varianten, die wir manuell mit einem zusätzlichen Bootloader versehen haben, so das die Firmware auch nach Nutzung eines Programmiergerätes noch über die serielle Schnittstelle aktualisiert werden kann.

Serieller Bootloader

Der hintere Teil des Flash-ROMs kann per Fuse für einen Bootloader reserviert werden, der nach einem Reset direkt gestartet wird. Er kann dann bei Bedarf die eigentliche Firmware von anderen Quellen wie der seriellen Schnittstelle nachladen und im vorderen Teil des Flash-ROMs abspeichern, ansonsten springt er direkt in die eigentliche Firmware.

In der AVR109 Application Note beschreibt Atmel ein Protokoll zum Programmieren von AVR-Controllern über die serielle Schnittstelle. Dieses Protokoll wird von vielen AVR-zentrischen Werkzeugen (u.a. von avrdude) unterstützt. Unter Zuhilfenahme eines entsprechenden Bootloaders verhält sich der Borg16 dann selbst wie ein serielles Programmiergerät. Mit einem normalen Verlängerungskabel (1-zu-1) oder USB-RS232-Wandler lässt sich das Board dann neu programmieren.

In früher angebotenen Bausätzen haben wir den Foodloader auf dem Mikrocontroller vorinstalliert. Leider ist besagter serieller Bootloader nicht mehr mit neueren Versionen des GNU-C-Compilers kompatibel (Compiler-Fehler bzw. Build sprengt die Größe von 512 Words). Als Alternative empfehlen wir den AVRProg Boot 0.85 von Martin Thomas et al. Die Quellen gibt es hier. Zu dessen Konfiguration sei auf die mitgelieferte Dokumentation und auf den Borg16-Vortrag verwiesen. Durch Verwendung dieses Bootloaders steht der Firmware 1 Kilobyte weniger auf dem Flash-ROM zur Verfügung.

Ein leerer Controller (bzw. ein Controller ohne Bootloader) muss zunächst mittels eines Programmiergeräts über die ISP-Schnittstelle mit einem Bootloader-Image programmiert werden. Ebenfalls sind die Fuses entsprechend anzupassen.

Das Überspielen der Firmware über die serielle Schnittstelle mit 19200 Baud am Beispiel von avrdude:

Controller	avrdude-Befehl
ATmega32	avrdude -c avr109 -b 19200 -P serialdev -p m32 -U f:w:image.hex
ATmega644	avrdude -c avr109 -b 19200 -P serialdev -p m644 -U f:w:image.hex
ATmega644P	avrdude -c avr109 -b 19200 -P serialdev -p m644p -U f:w:image.hex
ATmega1284	avrdude -c avr109 -b 19200 -P serialdev -p m1284 -U f:w:image.hex
ATmega1284P	avrdude -c avr109 -b 19200 -P serialdev -p m1284p -U f:w:image.hex

serialdev ist auf den Namen der verwendeten seriellen Schnittstelle zu setzen (z.B. /dev/ttyS0, /dev/ttyUSB0 oder COM1). Damit diese Befehle funktionieren, muss der Mikrocontroller den Bootloader ausführen. In den von uns bereitgestellten Images tut er das nach einem Reset für 2 Sekunden. Dies ist natürlich eine etwas knappe Zeitspanne, um einen avrdude-Befehl abzusetzen. Bequemer ist, mit der UART-Shell einen Reset-Befehl zu senden (siehe dort). Im Gegensatz zur Verwendung eines Programmiergerätes wird das Flash-ROM beim seriellen Update nicht komplett gelöscht und der Bootloader bleibt erhalten (warum sollte er sich auch selber löschen). Daher werden bei dieser Übertragungsart auch keine speziellen Images mit einem eigenen Bootloader benötigt.

Noch ein Hinweis: Fuses lassen sich nicht über den seriellen Bootloader einstellen, dafür ist nach wie vor ein Programmiergerät nötig.

Shell auf der seriellen Schnittstelle

Der Borg16 stellt über die serielle Schnittstelle eine kleine Shell bereit, sofern im Menuconfig die Option Borg-Hardware/Borg16-port-setup/UART-Support angewählt ist (in den Borgware-2D-Versionen ab September 2014). Die Schnittstellenparameter sind standardmäßig folgendermaßen eingestellt:

• 19200 Baud
• 8 Datenbits
• keine Parität
• 1 Stoppbit
• keine Flusskontrolle

Sofern sich (unter Linux) der USB-Konverter unter /dev/ttyUSB0 befindet, kann der Nutzer die Shell folgendermaßen erreichen:

screen /dev/ttyUSB0 19200

Windows-Benutzer können PuTTY verwenden. Dort unter der Kategorie Session den Connection Type Serial anwählen. Anschließend in der Kategorie Serial die oben angegebenen Parameter eintragen.

In beiden Fällen öffnet sich eine Minimal-Shell, die so minimal ist, dass sie keine Cursor-Tasten und auch keine History unterstützt. Backspace ist möglich, Ctrl-L überträgt die aktuelle Eingabe erneut und Ctrl-U löscht die derzeitige Eingabe. Dies ist nützlich, falls die UART beim Einstöpseln des Kabels irgendwelche Zeichen erkennt und man sicher gehen möchte, dass nur die Zeichen den Borg erreichen, die man explizit eingetippt hat.

Folgende Befehle nimmt die Borgware-2D über die serielle Schnittstelle entgegen:

Befehl	Bedeutung
erase	Löscht das EEPROM und damit den Reset-Counter sowie alle Tetris-Hi-Scores.
help	Gibt die akzeptierten Befehle aus.
mode n	Wechselt in den Modus (gleich Animation) mit der Nummer n (von 0-255). Wird n weggelassen, zeigt die Konsole die aktuelle Modusnummer an.
msg text	Gibt text als einen von rechts nach links scrollenden Text aus.
next	Springt zur nächsten Animation.
prev	Springt zur vorherigen Animation.
reset	Startet den Borg neu; nützlich, um eine neue Firmware zu flashen.
scroll text	Wie msg, nur das die Texte in der BorgTextAnim-Sprache geschrieben sein müssen.
test n	Gibt das Testmuster mit der Nummer n aus. 0≤n≤3 schaltet alle Pixel in der Helligkeitsstufe n ein. n=4 zeichnet ein horizontales Streifenmuster, n=5 ein vertikales.

Ist der Borg16 mit einem seriellen Bootloader ausgestattet, läßt sich mit der UART-Shell bequem von der Eingabeaufforderung aus ein Reset auslösen und unmittelbar danach der serielle Flashvorgang starten (hier am Beispiel von Linux mit der seriellen Schnittstelle an /dev/ttyUSB0):

stty -F /dev/ttyUSB0 19200

echo -e "\x15reset" >/dev/USB0 && avrdude -c avr109 -P /dev/ttyUSB0 -b 19200 -p atmega32 -U f:w:image.hex

Das "\x15" im echo-Befehl (Option -e nicht vergessen) ist gleichbedeutend mit einem Ctrl-U, so das der Zeichenpuffer garantiert leer ist, bevor der "reset"-Befehl übertragen wird.

Modusnummern

Hier sind die Modusnummern und ihre Bedeutung für den mode-Befehl aufgelistet:

Nr.	Modus
1	Lauftext
2	Spriale
3	diagonale Linien
4	Snake-Demo
5	Schachbrett
6	Kaminfeuer
7	CAN-Zeitanzeige (nur im Bochumer Labor mit CAN-Bus sinnvoll)
8	Matrix
9	Zufallsrauschen
10	Fallende Spielfiguren
11	Game Of Life
12	Fliegende Punkte
13	Breakout-Demo
14	Animationen von Martin Herweg
15	rotierendes Moiré-Muster
16	CAN-Zeitanzeige, 2. Slot (nur im Bochumer Labor mit CAN-Bus sinnvoll)
17	Langton's Ameise
18	Labor-Logo
19	hypnotisierende Kröte
20	Labortage MMXI "Operating Out Of Spec"-Logo
21	Fairydust-Rakete
22	Plasma
23	pulsierende Ringe
24	schwarzes Loch
25	schimmernde Rechtecke
26	DNA
31	Test: Helligkeitsstufe 1
32	Test: Helligkeitsstufe 2
33	Test: Helligkeitsstufe 3
35	Test: Farbpalette
36	wandernde Zeile
37	wandernde Spalte
38	wandernde Spalte (bidirektional)
39	wandernde Zeile (birektional)
253	Sprung zu Modus 1
254	Spielmenü (ACHTUNG: Solange das Menü läuft ist kein Moduswechsel möglich.)
255	Abschalten der Anzeige (ACHTUNG: Dieser Modus kann nur über die Kommandos mode, next und prev verlassen werden.)

Üblicherweise ist nicht jeder Modus in der Firmware konfiguriert. Wird beim mode-Befehl eine nicht vergebene bzw. nicht konfigurierte Modusnummer angegeben, springt die Borgware einfach zum nächsten verfügbaren Modus.

Während der Anzeige des Menüs bzw. während eines Spiels ist kein Moduswechsel möglich.

Troubleshooting

Der Borg16 lässt sich nicht mit dem USBasp-Programmiergerät ansprechen, avrdude meldet immer "programmer is not responding".

• Bei fabrikneuen ATmegas sicherstellen, dass beim erstmaligen Setzen der Fuses entweder der Slow-Jumper des USBasps eingeschaltet ist oder die avrdude-Befehlszeile zusätzlich die Option "-B 4" enthält.
• Sicherstellen, dass die Pfostenbuchse des Programmierkabels richtig herum in den ISP-Steckplatz der Platine gesteckt ist.
• Wird die Borg16-Platine ausreichend mit Spannung versorgt? Entweder ein passendes Netzteil an der Borg16-Platine anschließen oder Stromversorgung des USBasps per Jumper zuschalten (aber nicht beides gleichzeitig). Bei einem Netzteil sicher stellen, dass auch wirklich 5 Volt herauskommen.
• Sitzt der Mikrocontroller ordentlich in seinem Sockel? Der ATmega muss direkt auf dem Sockel aufliegen, darf sich nicht bewegen lassen und sich auch nicht an einer Seite abheben. Alle Pins müssen gerade im Sockel stecken (keine Knicke).
• Mikrocontroller falsch herum eingesetzt? Das kann im Eifer des Gefechts schneller passieren, als einem lieb ist. Falls die Kerbe des Chips nicht entsprechend dem Bestückungsdruck orientiert ist, Platine umgehend vom Strom trennen und den ATmega richtig herum einsetzen.
• Tritt der Fehler erst seit dem letzten Setzen der Fuses auf, wurde möglicherweise ein falscher Taktgebertyp eingestellt. Am einfachsten ist es, den Mikrocontroller in eine Entwicklungsplatine einzusetzen, die einen passenden Taktgeber bereit hält und dort die Fuses zu korrigieren. Falls der erwartete Typ des Taktgebers "External Clocksource" ist, lässt sich auch mit Hilfe eines zweiten Mikrocontrollers (z.B. Arduino) ein Taktsignal an einem Port-Pin erzeugen, der wiederum mit dem XTAL1-Pin des Borg16-ATmegas verbunden werden muss. Ist der Borg16-ATmega daraufhin ansprechbar, auch hier sofort die Fuses korrigieren.
• Mikrocontroller defekt? Falls der Controller auch in anderen Platinen versagt, ist Ersatz gefragt.
• Mikrocontroller funktioniert woanders aber nicht in der Borg16-Platine? Sofern nicht der Taktgeber die Ursache ist, nach kalten Lötstellen suchen.

Das Programmieren mit dem USBasp ist sehr langsam.

• Slow-Jumper gesetzt? Dieser ist nach dem Einstellen der (korrekten!) Fuses nicht mehr notwendig.
• Taucht eine Option "-B 4" (oder auch eine andere Zahl als 4) im avrdude-Kommando auf? Auch diese Option ist nach dem setzen der Fuses unnötig.

Die Firmware startet mittendrin unerwartet neu, bleibt stehen oder stürzt mit wildem Geflacker ab.

• Handelt es sich um selbst kompilierte/modifizierte Firmware? Wenn ja, einmal mit unserer vorgefertigten Firmware prüfen, ob wirklich ein Hardware-Problem vorliegt.
• Ist das Netzteil richtig dimensioniert? Je nach verbauten LEDs muss das Netzteil Ströme von bis zu 2A (bei 120mA pro LED) liefern können, ohne das die Versorgungsspannung absinkt. Fällt die Spannung unter 4,3V (bzw. 4,0V bei ATmega32), hält die Brownout-Detection den Prozessor an und startet ihn neu, sobald die Spannung wieder hoch genug ist. Da dabei alle LEDs abgeschaltet werden, ist die Unterspannungssituation meist umgehend vorbei, was den Eindruck eines spontanen Neustarts erweckt.
• Ist die Firmware mit CAN- und/oder RFM12-Support kompiliert worden, obwohl keine dieser Optionen auf der jeweiligen Borg16-Platine verbaut ist? Dies führt meist direkt beim Start zu komischen Abstürzen mit wirrem Geflacker. In dem Fall entweder die Firmware ohne CAN- bzw. RFM12-Support kompilieren oder die vorgefertigte Borg16-Firmware nehmen.
• Etwas im der Menuconfig-Tool geändert und vor dem ersten Kompilieren make clean vergessen? Das Buildsystem erkennt nicht immer, welche Dateien neu kompiliert werden müssen, wenn Einstellungen im Menuconfig-Tool geändert werden. Ein make clean stellt sicher, dass alles noch mal neu kompiliert wird.
• Möglicherweise ist ein zusätzlicher Abblockkondensator am ATmega-Controller notwendig. Auf den meisten Platinen funktionieren die ATmega-Controller einwandfrei. Allerdings kommt es bei manchen Kombinationen von Controllern, Platinen, Netzteilen und LED-Matrizen vor, dass die Versorgungsspannung des Controllers so stark schwankt, dass kein dauerhafter stabiler Betrieb gewährleistet ist. Typischerweise stürzt die Firmware dann während der Spiral- oder Lagerfeueranimation ab. ATmega644P-Controller sind anfälliger für dieses Problem als andere ATmega-Typen. In so einem Fall hilft es, auf der Rückseite der Platine einen zusätzlichen Keramikkondensator mit 100nF zwischen Pin 10 und 11 des ATmega-Controllers zu löten. Die Beinchen des Keramikkondensators sollten dabei so kurz wie möglich sein, damit er seine volle Wirkung entfalten kann.

Joysticks

Fix zusammengebasteltes Selbstbau-Gamepad

Verwendung finden Joysticks nach dem 9-Pin Atari Standard der 80er, z.B vom C64, Amiga, Atari ST, Atari VCS 2600. Gut und extrem robust sind die "Competition Pro" Joysticks. Gibt es noch recht häufig auf dem Flohmarkt. Wurden aber auch noch mal neu produziert von Speedlink als Competition Pro Retro, zu bekommen unter anderem bei Vesalia (aber anscheinend derzeit nicht). Eine Alternative ist bspw. ein Gamepad.

Die Spielecontroller sind digital und ziehen den jeweiligen Pin auf GND (siehe hier für Belegung), insofern geht das auch sehr schnell auf einer kleinen Lochrasterplatine.

Ferner ist die Nutzung einer Funkfernbedienung als Joystick möglich (in Arbeit).

Software

Den Quellcode für die Software gibt es bei Github. Für genauere Informationen siehe den Borgware-2D-Artikel.

Module

Spiele

• Tetris — das altbekannte Tetris, mit Highscore-Liste
• Bastet Tetris — gibt dir immer den gerade unpassendsten Stein (angelehnt an Bastet)
• First Person Tetris — nicht der Stein dreht sich, sondern das Spielfeld
• Snake — Du spielst das bekannte Spiel "Snake" auf dem Borg.
• LaborInvaders — ein Spaceinvaders Clone
• Breakout — ein Breakout-Clone, ähnlich Arkanoid

Animationen

• AutoSnake — hier spielt die Snake mit sich selber
• AutoBreakout — Breakout als Animation
• GameOfLife — Conways Spiel des Lebens
• Langtons Ameise - eine Simulation von [Langtons Ameise]
• Laborlogo — ein scrollendes Laborlogo
• Hypnotoad — ALL GLORY TO THE HYPNOTOAD!
• Matrix — Follow the white rabbit…
• Kaminfeuer — es wärmt in kalten Nächten
• Zufallsgenerator — nach etwas Getüftel tut es der Zufallsgenerator recht gut, dies kann man hier betrachten
• Laufschrift — ein frei programmierbarer Scrolltext, nutzt BorgTextAnim
• Counter — der Counter zählt die Neustarts der Platine hoch
• Testprogramme
  • Wechselndes Schachbrettmuster
  • Wandernde Linien mit Helligkeitswechsel
  • Spirale

MCUF-Schnittstelle

Peter hat ein MCUF-Modul geschrieben (zu finden im svn). Damit steht die Fülle der Blinkenlight-Apps für den Borg offen. Mit Hilfe von BlinkenOutput kann man über das serielle Interface MCUF-Pakete an den Borg schicken.

ich hab das ganze mit meinem 2m-Aufblas-Borg unter Mac OS X zum Laufen gebracht.

meine Kommandos dafür:

./BlinkenOutput  -d /dev/tty.usbserial -s 115200,N,8,1
./BlinkenSend  -i ../examples/static.bml -l 0 

wichtig: die MCUF-Pakete müssen als Graustufenwerte 8bit (0-255) festgelegt werden (header im .bml-file: <blm width="16" height="16" bits="8" channels="1"> )

Downloads

• Schaltplan
• vorgefertigte Firmware-Images mit und ohne seriellen Bootloadern (bitte die Hinweise beachten)

Bestellen

Es sind noch einige Borg16V2 Platinen vorhanden. Stückpreis liegt bei 14 Euro.
Bei interesse melde dich einfach auf der Mailingliste, oder komm vorbei :-).

Mailingliste

• Webinterface: http://www.das-labor.org/mailman/listinfo/borg16
• Anmelden: Mail an borg16-request@das-labor.org mit "subscribe" im body.
• Für Fragen, Diskussion, Mailorder, und den ganzen Rest.

Links im Netz

Hier sind ein paar Links zu Webseiten die sich mit dem Borg16 beschäftigen, hier und da gibt es spannende Software für das Display zu entdecken...

• http://hansmi.ch/hardware/borg16
• http://blog.blinkenarea.org/index.php/2008/10/17/blinken-in-the-air/
• http://www.werkzeugh.at/?p=283
• http://www.mikrocontroller.net/topic/147689
• http://wiki.ctdo.de/projekte/borg16