设计一个电路，用来验证微控制器内部保险丝的重要性

最近我在一个项目中遇到了一个问题，即MCU在上电后无法执行程序。原因是保险丝的问题!

和微控制器打交道很有趣，直到它们停止工作!

最近，我正在处理一个工业电路。在测试过程中，该电路和MCU运行完全正常。于是，我设计了PCB板，并从JLCPCB订购了它。收到后，我将代码上传到MCU并进行了基本的测试。整个电路运行得非常顺利!(需要注意的是，在这次基础测试中，我是使用台式电源为PCB供电的。)

但使用PCB上的降压模块(5V@20A)供电后，MCU似乎就停止工作了!无论我尝试多少次复位或重启电路，MCU都无法运行。所有的电压、连接和代码都完全正常。

更奇怪的是，使用外部台式电源为PCB供电时却完全没问题!起初我以为是降压模块的问题，于是将其更换为新的，但问题依旧存在!那么到底是什么原因导致了这个问题?我花了将近两天时间才发现，问题出在微控制器内部不同的保险丝配置上。

这是一个任何人都可能遇到的问题，尤其是当你打算从业余爱好者转型为专业PCB设计师时。

为什么这很重要，保险丝是什么?在这篇Instructables教程中，我将尝试介绍一些基础知识，并说明我是如何最终解决这个问题的。

理论(微控制器系列)

微控制器或MCU是人类最伟大的发明之一，随着半导体技术的进步，现在只需几美分就能买到性能强大的微控制器。

微控制器是一种酷炫的设备，可用于构建各种硬件项目、机器人和嵌入式系统。一个常见且或许最受欢迎的例子是Arduino Uno，它运行在AVR(高级虚拟RISC)家族中的ATMEGA328P芯片上。

对于简单的项目，ATMEGA328PP 可能有些过头;更好的选择是 ATTINY1614。你知道吗?你可以在 Arduino IDE 中使用相同的 Arduino 代码来编程这个芯片。ATTINY1614 更便宜、更小巧，且有 14 个引脚。

ATtiny1614 在 AVR AVR 家族中表现出色，原因如下：

•支持通过UPDI(统一程序与调试接口)进行单线代码上传

•它内置一个20 MHz振荡器(也可外接振荡器)

•拥有16KB闪存(用于代码)、2KB SRAM(用于程序)和256字节EEPROM(用于非易失性存储)。

•可适用于镍镉电池(工作电压1.8V至5.5V)

•12 个可编程通用引脚(GPIO)

•ADC、定时器、USART、SPI、I2C，以及更多功能

有了这些优点，我使用它来构建电路就再自然不过了。

更多理论——FUSES

即使你非常喜欢微控制器，但缺乏深入的知识也可能导致奇怪的行为、生产延迟以及大量调试时间的浪费。

例如微控制器内部的保险丝。保险丝是硬件层面的简单配置位，可以理解为埋在微控制器内部的开关，具有非易失性(断电后不会丢失信息)，且在编程过程中其状态不会改变。

他们做什么?

Fuse 设定了一些芯片硬件的关键方面，例如

•确定微控制器是使用内部振荡器还是外部振荡器?

•设置低电平检测器的阈值，当供电电压低于该阈值时，微控制器将被复位。

•将复位引脚配置为通用输入输出(GPIO)。

•上电到代码执行延迟。

•锁定芯片。

•以及更多。

ATtiny1614上有多个保险丝，具体为8个：

•0x00 WDTCFG(看门狗配置)

•0x01 BODCFG(BOD配置)

•0x02 OSCCFG(振荡器配置)

•0x04 TCD0CFG(定时器计数器类型D配置)

•0x05 SYSCFG0(系统配置0)

•0x06 SYSCFG1(系统配置1)

•0x07 附加(应用程序代码结束)

•0x088 启动结束

•0x0AA 锁位(UPDI的锁位)

但我们将具体探讨两个保险丝：

•在 0x01，即 BODCFG(棕矮探测器配置)

•在 0x06 处，即 SYSCFG1(系统配置 1(启动时间设置))

别再理论了，让我们来看看这些保险丝和我的头痛有什么关系!

罪魁祸首

PCB由一个65W的适配器供电。该适配器提供20V、65W的电源。这20V电压通过红色圆圈标示的20A开关式降压模块降至5V，该5V电压为MCU及其他电路供电。

为了查明之前提到的问题，我将示波器探头连接到MCU的电源引脚上，以测量引脚之间的电压变化。电源开启后，电压迅速达到5V。如图(第二张图)所示，最终输出为平稳稳定的5V，噪声和失真非常小，那么这是怎么回事呢?

如果我们放大(第三张图片)，可以看到输出需要一段时间才能达到满电压(5V)。大约是8到10毫秒，一个非常短的脉冲，但正是它起了主要作用!

为什么这很重要?现在我们来谈谈重点——位于0x06位置(偏移)的保险丝，也就是SYSCFG1或系统配置1的保险丝。

什么是系统配置1保险丝?

它设置启动时间，基本上是在电源开启后选择代码执行的起始时间。这正是导致我PCB出现奇怪问题的保险丝。可配置的取值如下：

•价值 --- 描述

•0x0 --- 0 毫秒

•0x1 --- 1毫秒

•0x2 --- 2 毫秒

•0x3 --- 4 毫秒

0x4 --- 8 毫秒

•0x5 --- 16毫秒

•0x6 --- 32毫秒

•0x7 --- 64 毫秒

我不太确定制造商设置的默认值是多少，但一些资料指出是4到8毫秒。这意味着代码执行在板子上电后仅延迟4毫秒才开始。在此期间，电源电压需要非常稳定。在我的情况下，电压达到稳定的5伏所需的时间过长(大约10到12毫秒)。

这与欠压检测器(保险丝)共同导致了一个不稳定状态，即使供电电压正常，IC也无法执行程序。

要解决这个问题，我们只需将系统配置中的1个保险丝改为一个更高的值。我将保险丝设置为0x05，这对应的是16毫秒的启动时间。

要更改 ATtiny1614 的 0x06 熔断器，请在 platformio.ini 中使用以下代码：

现在，ATtiny 在开始执行代码前需要等待至少 16 毫秒。而在这一段时间内，我的电源电压已经稳定到 5V。

经过彻底测试后，该漏洞已消除，IC运行正常。

另一个实用的保险丝

什么是欠压检测器?

欠压检测器是微控制器内置的安全功能，可持续监测供电电压。当电压低于安全阈值时，BOD(欠压检测)会将ATtiny芯片保持在复位状态，从而保护IC的闪存和EEPROM免受损坏。在ATtiny1614中，BOD寄存器位于地址0x01。

如果查看数据表中的可用BOD电平，共有8个可配置的BOD电平：

•0x0(1.80V)

•0x1(2.15V)

•0x2(2.60V)

•0x3(2.95V)

•0x4(2.20V)

•0x5(3.70V)

•0x6(4.00V)

•0x7(4.30V)

我认为MCU默认的BOD电平是4.3V，这意味着MCU只能在5V系统中正常工作。这没问题，但MCU的工作电压最低可低至1.8V!因此，即使在1.8V下，芯片也应能正常运行。

但因为BOD设置为4.3V，所以你不能将芯片用于运行在例如3.3V的电路中!这意味着，如果你给ATtiny1614供电3.3V，而BOD电平被设置为4.2V，IC就会进入复位状态，无法正常使用!

只需将保险丝从0x7改为0x4，就能让MCU在更低的电压下正常工作。这真是个值得学习的巧妙方法!

要更改 ATtiny1614 的 0x01 熔断器，请在 platformio.ini 中使用以下代码

我使用了二进制值(0b00000101)，因为BOD具备其他功能，例如单次/连续监测。改变BOD电压只需使用该二进制值的前三位。

如何在微控制器上烧毁保险丝

更换保险丝并非由代码(C或C++程序)直接完成，而是需要使用外部编程器，例如jtag2updi或USB转TTL。要进行编程或更改保险丝设置，请按照电路图所示连接线路。

保险丝应在代码上传前或上传过程中设置。若要使用Arduino IDE更改保险丝，请按以下步骤操作：

•使用正确的核心：您需要确保在您的 IDE 中安装了现代且兼容的板载软件包，例如 GitHub 上的 megaTinyCore。

•在IDE中配置：在Arduino IDE中，使用工具菜单选择所需的时钟频率、工作电压(BOD)和引脚分配。

•烧录跳线：在您的IDE中点击“烧录引导加载程序”。尽管ATtiny1614不使用标准的引导加载程序，但此特定命令是IDE用来安全地将跳线字节写入芯片的机制。

我经常在 VS Code 中使用 PlatformIOIO 进行嵌入式项目开发。因此，以下是用于上传代码的 platformio.ini.ini 配置文件，以及 ATtiny1614 的 FUSE 设置。

本文编译自hackster.io