ICSP - In Circuit Serial Programming

ICSP - Allgemeines
Wie funktioniert ICSP?
Low Voltage Programming
Was ist beim Entwurf ICSP-tauglicher Schaltungen zu beachten?
Das ICSP-Kabel

universeller ICSP-Adapter für PICs/dsPICs DIL-Gehäuse
ICSP-ICD-Adapter

ICSP-Adapter für PIC10F2xx-Typen

ICSP-Adapter für PIC12F/16F/18F-Typen

ICSP-Adapter für dsPICs

ICSP-Adapter für SMD-PICs

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ICSP - Allgemeines

Das Prinzip des Brennens im separaten Brenner stößt spätestens bei PICs im SMD-Gehäuse an seine Grenzen. Hier gibt es nämlich keine geeigneten Schaltkreisfassungen. (Marco wies mich darauf hin, das es sehrwohl Adapter-Fassungen gibt, dass aber schon die 8-Pin-Version 189,-€ kostet. Man kann sich allerdings mit einer Bastellösung behelfen, oder aber es auch auf die Spitze treiben, und mit viel Fleiß und Geschick einen SMD-Adapter selber basteln, wie "Lardz" bewiesen hat.) Alle meine Brenner besitzen aber eine 5-polige Buchsenleiste, die mit "ICSP" beschriftet ist. Die bietet eine Lösung: das Brennen des PIC in seiner Anwendungsschaltung - In Circuit Serial Programming (ICSP).

Außerdem lassen sich alle möglichen zusätzlichen IC-Sockel über den ICSP-Steckverbinder an den Brenner anschließen, und damit dann auch z.B. PICs im DIL-8 oder PLCC-44-Gehäuse brennen.

Wie funktioniert ICSP?

Auch wenn der PIC beim Brennen mit allen Pins in der Fassung des Brenners steckt, elektrisch sind mit dem Brenner nur 5 Pins verbunden. Das ist möglich, da der PIC mit Hilfe einer seriellen Datenübertragung programmiert wird - dem In Circuit Serial Programming (ICSP).

Dazu benötigt man:

1. eine Leitung für die +12V-Programmierspannung
2. eine Leitung für die +5V-Betriebsspannung
3. eine Masseleitung
4. eine Datenleitung
5. eine Taktleitung

Um in den Programmiermodus zu gelangen, wird zunächst die 5V-Betriebsspannung eingeschaltet und die Pins MCLR, RB6 und RB7 mit Masse verbunden. Dann wird MCLR schnell von Masse auf die Programmierspannung von 12 V gezogen. Dabei müssen RB6 und RB7 noch auf Masse gehalten werden.

Danach kann der Brenner den PIC über die Pins RB6/RB7 auslesen und neu programmieren.

An der ICPS-Buchse stehen also alle Signale zur Verfügung, um einen PIC zum Programmieren an den Brenner anzuschließen. Ein  Beispiel für die Nutzung der ICPS-Buchse  sind Adapter, mit dem eine zusätzliche Schaltkreis-Fassung an einen beliebigen Brenner angeschlossen werden kann, wenn dieser über die ICPS-Buchse verfügt.

Die Hauptanwendung der ICPS-Verbindung ist aber eine andere: Das Brennen eines PIC, der bereits in seine Anwendungsschaltung eingebaut ist.

Dazu verfügt die Leiterplatte der Anwendungsschaltung des PIC auch über eine ICPS-Buchse. Brenner und Anwenderschaltung werden über ein 5-poliges Kabel miteinander verbunden, und der PIC wird "zuhause" gebrannt. Das lästige Umstecken des PIC zwischen Anwendungsschaltung und Brenner entfällt, und das komfortable Brennen von PICs im SMD-Gehäuse wird überhaupt erst möglich.

Low Voltage Programming

Das oben beschriebene Verfahren benötigt zum Brennen die relativ hohe Spannung von 12V. Deshalb wird es high-voltage-programming (HVP) genannt. High-voltage-programming ist das Standardverfahren.

Einige PICs unterstützen zusätzlich das low-voltage-programming (LVP). Dabei erzeugt der PIC die benötigte Programmierspannung intern selbst. Es werden keine 12V zum Brennen benötigt. Alle LVP-PICs beherrschen aber auch das HVP. Um dem PIC zu Begin des Programmierens mitzuteilen, welches Verfahren benutzt wird, ist eine zusätzliche Leitung im Interface nötig. Diese Leitung trägt den Namen PGM und geht in der Regel am PIC zum Pin RB3.
Wurde ein PIC im LVP-Mode gebrannt, dann ist das PGM-Pin (z.B. RB3) vom PIC nicht mehr verwendbar, es ist dann für den normalen PIC-Betieb blockiert. Man erkauft sich die einfachere Programmierung also mit dem Verlust eines I/O-Pins. Aus diesem Grunde bevorzuge  ich HVP.
 

Um in den HVP-Mode zu gelangen, wird PGM auf low (0V) gehalten, und MCLR von low (0V) auf Vpp (12V) umgeschaltet.

Um in den LVP-Modus zu gelangen, wird zuerst PGM  und danach MCLR auf high (5V) gelegt.

Versucht  man nun mit dem oben beschriebenen 5-Leitungs-ICSP-Anschluß (in dem PGM ja nicht vorkommt) den PIC in den HVP-Mode zu schalten, wärend versehentlich das PGM-Pin aus der Anwenderschaltung high Pegel bekommt, dann programmiert man den PIC versehentlich im LVP-Mode. Das fällt erst auf, wenn später das PGM-Pin des PIC nicht als I/O-Pin funktioniert.
Aus diesem Grunde ist es nötig, bei allen LVP-fähigen PICs das PGM-Pin wärend des Brennens auf low-Pegel zu halten.
Erfahrungsgemäß ist es unproblematisch, wenn das Pin gar nicht beschaltet ist. Das ist der Fall, wenn man den PIC im Brenner brennt. Aber gerade bei ICSP-Programmierung kann es leicht vorkommen, das in der Anwendungsschaltung PGM versehentlich high erhält.

Tip:
Wärend des Brennens kann man eine Konfigurationsoption wählen, die LVP deaktiviert. Danach geht der PIC immer in den HVP-Mode, unabhängig vom Pegel an PGM. Ich empfehle, diese Option zu nutzen. Selbst wenn man dann beim ersten Brennen versehentlich im LVP-Mode ist, löst dann ein zweiter Brennvorgang alle Probleme. Bei diesem geht der PIC dann automatisch in den HVP-Mode (, wenn beim ersten Brennen LVP korrekt deaktiviert wurde).

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Was ist beim Entwurf ICSP-tauglicher Schaltungen zu beachten?

Programmierspannung MCLR/Vpp Dieser Anschluß ist am schwierigsten. Meine Brenner ziehen dieses Pin über einen Widerstand auf Masse, oder auf +12V. In der Anwenderschaltung wird dieses Pin mit einem Hochziehwiderstand auf 5V gehalten, oder mit einem Resettaster kurzfristig auf Masse gelegt. Das der Reset-Taster beim Brennen keinesfalls gedrückt werden darf ist damit klar!! Schwierig ist aber auch der Hochziehwiderstand. Beim Brennen trennt nur dieser Widerstand die 5-V-Versorgung der Anwendungsschaltung von den 12V des Brenners. Hier muss deshalb eine Diode vor Schäden durch Überspannung schützen. Der 5V-Hochziehwiderstand muß deutlich größer sein (mindestens 20 X) als der Widerstand, der im Brenner das MCLR-Pin mit Masse verbindet. Ansonsten kann der Brenner MCLR nicht sauber auf Masse ziehen.  Wird ein Brenner5 verwendet, sollte der Hochziehwiderstand etwa 20kOhm betragen. Bei den alten Brennern 1&3 sollte ein 200 kOhm großer Widerstand zwischen dem Reset/MCLR-Pin und +5V eingesetzt werden.

Sind neben dem PIC noch andere Bauelemente mit der 5-V-Versorgung der Anwendungsschaltung verbunden, würde der Brenner bei Brennen die gesamte Anwendungsschaltung in Betrieb nehmen. Bei größeren Schaltungen könnte das den Brenner überlasten. Eine Entkopplung mit Shottky-Dioden oder ein Jumper in der +5V-Leitung trennen dann besser die beiden potentiellen 5-V-Quellen.
Wird mit einer Shottky-Diode entkoppelt, dann ist die Vdd des PICs im Normalbetrieb ca. 0,2V kleiner als Vdd der restlichen Schaltung. Meist ist das unkritisch, aber wenn Vdd z.B. als positive Referenzspannung des ADC verwendet wird, kann es zu Meßwertverfälschungen des ADC kommen. In diesem Fall ist ein Jumper der Diode vorzuziehen.

Größere PICs besitzen mehrere Vdd-Pins. Zum Programmieren sind alle diese Pins untereinander zu verbinden, was in der Anwenderschaltung in der Regel ohnehin gegeben ist.

Masseverbindung Vss
Das ist die einzige unkritische Verbindung. Normalerweise wird die Masse des Brenners direkt mit der Masse des PIC und damit auch mit der Masse der Anwenderschaltung verbunden.
Größere PICs besitzen mehrere Vss-Pins. Zum Programmieren sind alle diese Pins untereinander zu verbinden, was in der Anwenderschaltung in der Regel ohnehin gegeben ist.

Takt- und Datenleitung PGC (RB6) und PGD (RB7)
Wer in der Anwendungsschaltung auf diese beiden Pins verzichten kann, sollte sie exclusiv der ICSP-Schnittstelle zur Verfügung stellen. Werden die beiden Pins aber benötigt, sollten sie mit der ICSP-Buchse direkt, aber mit dem Rest der Schaltung über Widerstände von wenigstens 1 kOhm verbunden werden. Ist so ein 1 kOhm Widerstand für die Applikationsschaltung zu groß, helfen nur noch Jumper, die vor dem Brennen geöffnet werden müssen, um den PIC von der restlichen Schaltung zu trennen.

Das ICSP-Kabel

Natürlich gibt es auch andere Lösungen, um ein Übersprechen auf die CLK-Leitung zu vermeiden, z.B. kann man die CLK-Leitung vom restlichen Kabel getrennt verlegen, wie es im Foto vom DIL-40-Adapter zu sehen ist. Man kann auf die Masseleitung zwischen Vdd und DATA auch verzichten, ihre Funktion erfüllt ja auch die Masse zwischen DATA und CLK. Wer High-endig baut, verwendet vielleicht ein 10-poliges Flachbandkabel, in dem jede zweite Leitung auf Masse liegt .....
Da will ich keine weiteren Vorschriften machen, hauptsache CLK ist vor Einstreuungen geschützt.

Wer diese einfache Regel mißachtet, wird feststellen, daß schon die Autodetect-Funktion meiner Brennersoftware nicht funktioniert. Vom Brennen ganz zu schweigen.

Wie lang darf ein ICSP-Kabel eigentlich sein?
Es sollte so lang wie nötig und so kurz wie möglich sein. Wer nur einen zusätzlichen Sockel adaptieren will, kommt mit 10 cm aus. Für ICSP sollten 20 cm auch genügen. Wenn CLK ordentlich geschirmt ist, sollte aber auch 1/2 Meter kein Problem sein. Zu lange Kabel und Kabel ohne jede CLK-Schirmung führen immer wieder zu Brenn-Problemen.

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universeller ICSP-Adapter für alle PICs/dsPICs im DIL-Gehäuse

In diesem Adapter lassen sich alle PICs im DIL Gehäuse (8..40 Pins) am Brenner8 oder Brenner5 programmieren. Dazu müssen allerdings die 5 ICSP-Steuerleitung manuell mit Drahtbrücken mit den richtigen Pins des 40-poligen Testsockels verbunden werden.   Der Adapter eignet sich hervorragend zum Aufbau auf einer Streifenleiterplatte (Foto 170 kByte) Stromlaufplan Bestückungsplan Layout (600 dpi) Handbuch mit allen Anschlussvarianten (270 kByte) english Handbook (215 kByte)

Mein Prototyp ist auf einer Streifenleiterplatte aufgebaut, und hat keinen ICD-Anschluß sondern nur mein Standard-ICSP-Kabel. Dieses Foto zeigt den Adapter an einem Brenner5. In diesem Fall wird er benutzt, um einen dsPIC30F3012 mit Hilfe der Brennsoftware dsProg zu brennen. Natürlich funktioniert das auch am Brenner8 und Brenner9 mit der Software US-Burn.

ICSP-ICD-Adapter

Viele Test-Platinen von Microchip (z.B. der universelle Programmieradapter) haben eine ICD-Buchse zum Anschluß von Brenner oder In-Circuit-Debugger. Dabei handelt es sich im Prinzip um einen ICSP-Anschluß. Allerdings benutzt Microchip hier einen 6-poligen Westernstecker. Am Brenner oder Debugger (z.B. ICD2) befindet sich ebenfalls eine Westernbuchse, allerdings mit spiegelbildlicher Pinbelegung. Aus diesem Grunde müssen Brenner und Testplatine mit einem Cross-over-Kabel verbunden werden. Ein einfaches Adapterkabel, das die Pins 1..5 des Westernsteckers auf einen 5-polige Steckerleiste verbindet, stellt die Verbindung zwischen meinem Standard-ICSP-Anschluß und dem Microchip-ICD-Anschluß her. Damit kann z.B. der Brenner5 (ab Rev.7e) PICs auf Microchip-Testplatinen brennen, oder der ICD2 von Microchip kann PICs auf meinen Testplatinen brennen und debuggen. Allerdings muß die 5-polige Steckerleiste dabei in meinen Brenner genau andersherum eingesteckt werden, wie in meine Testplatinen: sprut-Brenner -> Microchip-Testplatine Microchip-ICD2 -> sprut-Testplatine Der Adapter kann auch zum Anschluß des PICkit2 und des BFMP an Microchip-Testplatinen verwendet werden. Die Benutzung des sechsten Pins ist dabei nicht nötig.

ICSP-Adapter für 6-pin 12-Bit-Kern-PICs im DIL-8-Gehäuse

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Die eigentlich 6-pinnigen PIC10F20x werden auch in einem 8-pin-DIL-Gehäuse geliefert, bei dem 2 Pins nicht belegt sind. Für diese PICs passt der weiter unten beschriebene Adapter nicht. Einen elektrisch passenden DIL-8-Sockel, um die 12-Bit-Kern- PIC10F20x im niedlichen DIL-8-Gehäuse zu brennen hat keiner meinen Brennern. Aber an alle  Brenner (Brenner1/2/3/5/8) lassen sich diese Chips  über einen einfachen Adapter an den 5-poligen ICSP-Steckverbinder anschließen, und dann brennen. Dieser Adapter ist NICHT mit dem unten vorgestellten Adapter für normale 8-pin-PICs identisch!

Der nebenstehende Stromlaufplan stellt die Verbindung zwischen dem 5-poligen Stecker und dem DIL-8-Sockel dar. Der Sockel ist in der Draufsicht dargestellt. Wichtig ist die zusätzliche Masseleitung (blau) im Flachbandkabel. Sie schirmt die CLK-Leitung gegen Einstreuungen von den anderen Leitungen (insbesondere DATA) ab.

ICSP-Adapter für PICs im PLCC-44-Gehäuse

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Keiner meiner Brenner hat einen PLCC-44-Sockel, um PIC16F871, PIC16F84(A), PIC16F877(A), PIC16F74 oder PIC16F77 im quadratischen PLCC-44-Gehäuse zu brennen. All diese Chips lassen sich aber über einen einfachen Adapter an den 5-poligen ICSP-Steckverbinder der Brenner1/2/3/5/8 anschließen, und dann brennen.

Der nebenstehende Stromlaufplan stellt die Verbindung zwischen dem 5-poligen ICSP-Stecker und dem PLCC-44-Sockel dar. Der Sockel ist so dargestellt, daß man von unten auf die Lötpins schaut. Wichtig ist die zusätzliche Masseleitung (blau) im Flachbandkabel. Sie schirmt die CLK-Leitung gegen Einstreuungen von den anderen Leitungen (insbesondere DATA) ab. Microchip empfiehlt generell alle Vss-Pins und alle Vdd-Pins anzuschließen. Bei mir geht es auch mit nur je einem Pin, wer aber einen Adapter neu baut, kann es ja gleich richtig machen, und der Microchip-Empfehlung folgen.

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ICSP-Adapter für PICs im SO-18-Gehäuse

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Für SMD-Gehäuse wie SO-18 (PIC16F84(A), PIC16F62x) gibt es keine Fassungen, die man auf eine Brennerplatine löten könnte. Auch ein richtiger Adapter läßt sich nicht bauen, aber man kann den Schaltkreis direkt an ein ICSP-Kabel löten. All diese Chips lassen sich damit an den 5-poligen ICSP-Steckverbinder der Brenner1/2/3/5/8 anschließen, und dann brennen. Eleganter wäre es hier natürlich, den PIC in seine Schaltung einzulöten, und dort via ICSP zu brennen. Die Ausführung im nebenstehenden Foto und die einzelnen Leitungsfarben entsprechen nicht den Farben im untenstehenden Stromlaufplan.

Der nebenstehende Stromlaufplan stellt die Verbindung zwischen dem 5-poligen ICSP-Stecker und dem SO-18-Gehäuse da. Der PIC ist in der Draufsicht dargestellt. Beim 20-poligen SSOP-Gehäuse, muß die Beschaltung entsprechend abgeändert werden. Wichtig ist die zusätzliche Masseleitung (blau) im Flachbandkabel. Sie schirmt die CLK-Leitung gegen Einstreuungen von den anderen Leitungen (insbesondere DATA) ab.

Korrektur:

1. Wer bereit ist 200 Euro auszugeben, kann Adapter für SO-Gehäuse käuflich erwerben.
2. Mit viel Geschick ist es doch möglich einen Adapter selber zu bauen (gebaut von "Lardz").

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ICSP-Adapter für PICs im DIL-8-Gehäuse

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Einen separaten DIL-8-Sockel, um die 14-Bit- PIC12F629 und PIC12F675 im niedlichen DIL-8-Gehäuse zu brennen hat von meinen Brennern z.Z. nur der veraltete Brenner1. Der Brenner8 kann diese DIL8-PICs im 40-poligen Testsockel brennen. Der Brenner5 kann ab Rev. 7 DIL-8-PICs in der 18-poligen Fassung brennen. Ältere Brenner5 lassen sich übrigens einfach modifizieren, um in der 18-poligen Fassung neben 18-poligen PICs auch 8-polige PICs brennen zu können. An alle anderen Brenner (Brenner2/3/5) lassen sich diese Chips aber über einen einfachen Adapter an den 5-poligen ICSP-Steckverbinder anschließen, und dann brennen.

Der nebenstehende Stromlaufplan stellt die Verbindung zwischen dem 5-poligen Stecker und dem DIL-8-Sockel dar. Der Sockel ist in der Draufsicht dargestellt. Wichtig ist die zusätzliche Masseleitung (blau) im Flachbandkabel. Sie schirmt die CLK-Leitung gegen Einstreuungen von den anderen Leitungen (insbesondere DATA) ab.

ICSP-Adapter für PICs im DIL-40-Gehäuse

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Von meinen Brennern können nur die Brenner3 , Brenner5 und Brenner8 mit einer Fassung für die DIL-40-Gehäuse bestückt werden um PIC16F871, PIC16F84(A), PIC16F877(A), PIC16F74 oder PIC16F77 im DIL-40-Gehäuse zu brennen.  Man kann die aber auch mit preiswerten DIL-28-Sockeln bestückt haben. In diesem Fall, oder wenn man einen Brenner1 oder Brenner2 benutzt, lassen sich DIL-40-PICs über einen einfachen Adapter anschließen und brennen. Das nebenstehende Foto zeigt noch eine alte Version, die nicht in allen Details mit den darunter stehendem Stromlaufplan exakt übereinstimmt.

Der nebenstehende Stromlaufplan stellt die Verbindung zwischen dem 5-poligen ICSP-Stecker und dem DIL-40-Sockel dar. Der Sockel ist in der Draufsicht dargestellt. Wichtig ist die zusätzliche Masseleitung (blau) im Flachbandkabel. Sie schirmt die CLK-Leitung gegen Einstreuungen von den anderen Leitungen (insbesondere DATA) ab. Bei billigen DIL-Fassungen lassen sich die einzelnen Pin-Kontakte oft mit einer Zange herausziehen. Man sollte alle nicht benötigten Kontakte aus der Fassung entfernen, um die Klemmkraft der Fassung klein zu halten. Dann läßt sich der PIC nach dem Brennen wieder leicht aus der Fassung herausziehen. Microchip empfieht generell alle Vss-Pins und alle Vdd-Pins anzuschließen. Bei mir geht es auch mit nur je einem Pin, wer aber einen Adapter neu baut, kann es ja gleich richtig machen, und der Microchip-Empfehlung folgen.

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ICSP-Adapter für ds-PICs

ICSP-Adapter für dsPICs im DIL-40-Gehäuse

Der nebenstehende Stromlaufplan stellt die Verbindung zwischen dem 5-poligen ICSP-Stecker und dem DIL-40-Sockel für eine dsPIC30F dar. Der Sockel ist in der Draufsicht dargestellt. Wichtig ist die zusätzliche Masseleitung (blau) im Flachbandkabel. Sie schirmt die CLK-Leitung gegen Einstreuungen von den anderen Leitungen (insbesondere DATA) ab. Bei billigen DIL-Fassungen lassen sich die einzelnen Pin-Kontakte oft mit einer Zange herausziehen. Man sollte alle nicht benötigten Kontakte aus der Fassung entfernen, um die Klemmkraft der Fassung klein zu halten. Dann läßt sich der PIC nach dem Brennen wieder leicht aus der Fassung herausziehen. Microchip empfieht generell alle Vss-Pins und alle Vdd-Pins anzuschließen. Deshalb habe ich hier auch die Pins 31, 32, 39 und 40 angeschlossen. Mir wurde berichtet, das sich ein PIC nicht brennen ließ, solange Analog-Beriebsspannungs-Pins (39&40) nicht angeschlossen wurden. Leider gibt es zwei unterschiedliche Pinbelegungen für den ICSP-Anschluß an 40-Pin-dsPICs Dieser erste Adapter eignet sich  für folgende (General Purpose and Sensor Family) Typen: dsPIC30F3014 dsPIC30F4013

Wärend dieser Adapter für folgende (Motor Control Family) Typen geeignet ist: dsPIC30F3011 dsPIC30F4011  Die Betriebsspannung wird in beiden Varianten gleich angeschlossen, aber es werden unterschiedliche Pins für die Datenleitung und die Taktleitung verwendet.

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SMD-ICSP-Adapter

Dieser Adapter für SMD-Chips geht auf eine Email zurück, die ich vor geraumer Zeit bekam, die ich aber leider nicht mehr in meinem Email-Archiv finden konnte. PLCC-44-Fassungen sind für Chips mit einem Pinabstand von 1,27mm ausgelegt. Den selben Pinabstand haben auch SMD-PICs im SOIC- bzw. SSOP-Gehäuse.

Man zersägt eine PLCC-44-Fassung so, dass nur noch zwei gegenüberliegende Stege übrig bleiben. Die lötet man dann im geeigneten Abstand auf einer Lochrasterplatine fest. Nun kann man einen SMD-Chip (SOIC, SSOP) "kopfüber" auf die Fassung legen. Durch eine Halterung (z.B. ein Stück Draht wird er etwas nach unten gedrückt, so dass die federnden Kontakte der PLCC-44-Fassung einen sicheren Kontakt herstellen. Auf diese Art und Weise kann man 18-polige und 20-polige Chips an den Brenner anschließen, ohne sie verlöten zu müssen.
Den fertig programmierten PIC kann man der Fassung entnehmen, und dann in seine entgültige Schaltung einlöten.

 

Das Beispielfoto zeigt einen PIC18F1330-E/SO. (anklicken für Detailfoto)

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