VT100

Каскады на Q1-Q4 сделаны как-то глупо, транзисторы всё время открыты.
Что за энкодеры применены?
И вообще - зачем "святые оптрончики", если они не делают гальваническую развязку?

Помимо ARM, такой трюк можно сделать и с микроконтроллерами MCS51. Очень занятно получается с контроллерами серий FX производства Infineon/Cypress - загружая программу через USB.

Подавляющее большинство производимых ИМС - соответствуют документации на них. Написано "минус 40 °С" - так и есть.
Куда больше зависит от прокладки между клавиатурой с одной стороны и firmware + hardware с другой.

Только ещё снизить частоту SPI. ЕМНИП, не более ¼ тактовой частоты контроллера. Видать - чуток не хватает.

"Смешались в кучу кони, люди..."
Если нужно отлаживать программу микроконтроллера - достаточно IDE для соответствующей архитектуры. Спускаться на уровень логических элементов и тригнеров - ни к чему.
Если разрабатывать сам микроконтроллер - потребуется что-то вроде Quartus, Vivado, Mentor и т.п. В них оспользуются т.н. "языки описания аппаратуры" - Verilog, VHDL, System C.
А если надо симулировать взаимодействие программы МК с внешними схемами - там и Proteus можно и многое ещё.

Опишите задачу подробнее.

А также - пройти сертификацию. Ибо "вмешательство в конструкцию ТС".

ИМХО, весь high tech, где могут быть востребованы такие навыки, это:
- производство военки (и "давления не сведущих в теме военных на разработку до бюрократии и невозможности использовать адекватные современные компоненты." - это не только придурь, но и необходимость);
- телекоммуникационного оборудования (включая software defined radio);
- измерительного, промышленного и медицинского оборудования;
- и разработка чипов (худо-бедно, но их и разрабатывают и производят - как в РФ, так и на "не санкционных" foundry за рубежом).
Всякие попытки вписываться в "бытовуху" (привет, Соноф) - в той или иной мере обречены ввиду наличия Китая и остальной ЮВА.

По специальности не работаю (спасибо 90-м), но держусь близко. И pet'ы.

Главное - правильная схемотехника и отлов кривых алгоритмов. Контроллер (и прочая комплектация) - не выше 2..3-го места.

Если схема соединений с ЖКИ и его скетч "неизменны", то можно "расшарить" цифровые выводы между ЖКИ и RTC. Пока линия !EN в "1" все остальные линии, задействованные для обмена с ЖКИ, можно использовать для других целей.

Если есть какой-нибудь "USB-шнурок" на FT232 - наверное подойдёт AVReal или AVRdude.

Ну и не забывать, что и у стабилитрона и у TL431 "перегиб" характеристики не резкий.

Оптимум, КМК, правка прошивки ECU.

Исследовать USBASP на предмет "выдать на свободный пин некую частоту для разлочки ошибочно установленного режима тактирования", подать эту частоту на вход XTAL1 и перепрограммировать Fuse bits. При необходимости - снизить частоту обмена на шине SPI.
Или поискать "AVR fuse bit doctor".

Для верного решения недостаточно вводных - токи нагрузки, желаемая эффективность (КПД и время работы при заданной ёмкости аккумулятора).

А 1117 конечно не будет работать, т.к. требует для работы минимальное падение вход-выход в 1.25 В, ЕМНИП.

Да, embedded уже начат.
Держать глаза и уши открытыми. Профильные фирмы могут сидеть прямо в здании ВУЗа. "Купцы" могут на кафедру зайти или регулярно посещать ВУЗ. Электронные карты иногда могут дать наводку на фирму недалеко от дома/ВУЗа (что-б далеко не бегать).
Частники - интереснее и прибыльнее, госы - могут дать опыт "бумажной" работы (нормоконтроль и всякое такое) или стать "прививкой" от самих себя или хорошей строчкой в резюме.
Как-то так...

На мой взгляд - можно сделать всё (с внешней микросхемой Ethernet MAC), кроме звука.
Возможность "утоптать" и звук - надо исследовать с временными диаграммами в руках и может потребоваться сильная оптимизация ПО (ассемблерные вставки).

Можно попробовать вариант с подсовыванием BSDL-файла для этой ИМС (см. сайт Microchip/Atmel) в программу JAM Player от Altera/Intel на манер, описанный тут: www.awce.com/avrjtag.htm
Предварительно, конечно, следует прозвонить - действительно ли это разъём JTAG от этой ПЛИС.