Разработка на развойна платка за K1986BE1QI (авиация)

Преди няколко години се запознах с руските микроконтролери от Миландер. Беше 2013 г., когато инженерите бурно обсъждаха първите резултати от Федералната целева програма „Развитие на електронна компонентна база и радиоелектроника“ за 2008-2015 г. По това време контролерът K1986BE9x (ядро Cortex-M3) вече беше пуснат, а контролерът 1986BE1T (ядро Cortex-M1) току-що се появи. В пластмасовия корпус LQFP-144 той имаше обозначението K1986BE1QI (авиация) в документацията, а на самия чип обозначението MDR32F1QI. На уебсайта на производителя има суфикс „avia“, тъй като има интерфейси, специфични за самолетната индустрия (ARINC 429, MIL_STD_1553).

Изненадващо, по време на разпространението на тези контролери, компанията Milander подготви комплекти за отстраняване на грешки и библиотека от подпрограми за работа с периферни устройства, „но без никакви допълнителни гаранции или задължения по отношение на коректността на библиотеката“. Библиотеката е подобна на Standard Peripheral Library от STMicroelectronics. Като цяло всички ARM контролери, изградени върху ядрото Cortex-M, имат много общи неща. Поради тази причина запознаването с новите руски контролери протече бързо. А за тези, които са закупили брандирани комплекти за отстраняване на грешки, е предоставена техническа поддръжка по време на употреба.

Комплект за отстраняване на грешки за микроконтролер 1986BE1T, © Milander

С течение на времето обаче започнаха да се появяват „детски болести“ на нови микросхеми и библиотеки. Тестовите примери на фърмуера работеха без видими проблеми, но със значителни модификации се появиха сривове и грешки. Първата „лястовица“ в моята практика бяха необясними повреди в работата на CAN контролера. Година по-късно беше открит проблем с модула на контролера 1986BE1T (авиационен) от ранна ревизия MKIO (мултиплексен канал за обмен на информация). Като цяло всички ревизии на тези микроконтролери до 2016 г. бяха с ограничена употреба. Отидоха много време и нерви за идентифициране на тези проблеми, чието потвърждение вече може да се намери в списъци с грешки (Errata).

Неприятна особеност беше, че беше необходимо да се работи и да се справят с грешки не на платки за отстраняване на грешки, а на прототипни платки на устройства, които бяха планирани за серийно фабрично производство. Обикновено там нямаше нищо освен JTAG конектора. Свързването с логически анализатор беше трудно и неудобно и обикновено нямаше светодиоди или екрани. Поради тази причина в главата ми се появи идеята да създам моя собствена дъска за отстраняване на грешки.

От една страна, на пазара имаше маркови комплекти за отстраняване на грешки, както и прекрасни платки от компанията LDM-Systems от Зеленоград. От друга страна, цените на тези продукти са стряскащи, а базовата функционалност без разширителни карти не отговаря на очакванията. Платка със запоен контролер и пин конектор не ме интересува. А по-интересните табла са скъпи.

Платка за разработка MILANDR LDM-HELPER-K1986BE1QI-FULL, © LDM Systems

Фирма Миландер има уникална ценова политика и маркетинг. Така че е възможно да получите безплатни проби от някои микросхеми, но това е достъпно само за юридически лица и е свързано с бюрократично търсене. Като цяло микросхемите в металокерамичен корпус са злато в буквалния и преносен смисъл. Например, контролер 1986BE1T струва от 14 до 24 хиляди рубли в Москва. Чипът за статична памет 1645RU6U струва от 15000 1986 рубли. И това е редът на цените за всички продукти. В резултат на това дори специализирани научни институти с държавна поръчка пестят пари и избягват подобни цени. Микросхемите в пластмасов корпус за граждански цели са значително по-евтини, но не се предлагат от популярни доставчици. В допълнение, качеството на микросхемите в пластмасов корпус, струва ми се, е по-лошо от „златните“. Например, не можах да стартирам контролера K1BE128QI на 40 MHz, без да увелича параметъра за латентност на светкавицата. В същото време температурата на този контролер се покачи до 50-1986C. Но контролерът 1BE128T („златен“) стартира на XNUMX MHz без допълнителни настройки и остана студен. Той наистина е добър.

„Златен“ микроконтролер 1986BE1T, (c) Миландер

Имах късмет, че микроконтролер в пластмасов корпус все още може да бъде закупен на дребно от LDM Systems и всички диаграми на платките са свободно достъпни. Лошото е, че в сайта на снимката на контролера се вижда маркировка, че това е 4-та ревизия от 2014 г., т.е. с дефекти. Дълго мислих дали да купя или да не купя. Така минаха няколко години...

Идеята за създаване на дъска за отстраняване на грешки не е изчезнала никъде. Постепенно оформих всички изисквания и обмислих как да го разположа на една дъска, така че да е компактна и не скъпа. В същото време поръчах липсващите компоненти от китайците. Не бързах за никъде - направих всичко за себе си. Китайските доставчици са пословично небрежни - трябваше да поръчвам едно и също нещо от различни места, за да получа всичко необходимо. Освен това някои от чиповете памет се оказаха използвани - явно запоени от развалени устройства. Това се върна да ме преследва по-късно.

Купуването на микроконтролер Milander K1986BE1QI (въздух) не е лесна задача. В същия магазин Chip and Dip, в секцията „Артикули за поръчка“, намерих само K1986BE92QI за 740 рубли, но не ми подхождаше. Единственият вариант е да закупите не-прясна ревизия от LDM-Systems за 2000 рубли. Тъй като не можах да намеря заместител никъде другаде, реших да купя това, което имах. За моя приятна изненада ми продадоха чисто нов контролер, произведен декември 2018 г., ревизия 6+ (1820). Но сайтът все още има стара снимка и към момента на писане контролерът не е наличен...

Микроконтролер K1986BE1QI (авиационен) в технологична опаковка, (c) Снимка от автора

Основни технически характеристики на моята платка за отстраняване на грешки MDB1986 следното:

• вграден дебъгер-програматор, съвместим с J-Link и CMSIS-DAP;
• статична памет 4Mbit (256k x 16, 10 ns);
• чип флаш памет 64Mbit, Winbond 25Q64FVSIG;
• RS-232 интерфейс трансивър с RTS и CTS линии;
• интерфейси и конектори за Ethernet, USB, CAN;
• MAX7 7221-сегментен дисплей контролер;
• щифтов конектор за работа с MKIO (MIL_STD_1553) и ARINC429;
• фототранзистор Everlight PT17-21C;
• пет цветни светодиода, бутон за нулиране и два потребителски бутона;
• захранването към USB порта е 5 волта;
• размери на печатната платка 100 х 80, мм

Платките от серията STM-Discovery ми харесаха, защото имат вграден програмист-дебъгер - ST-Link. Марковият ST-Link работи само с контролери от STMicroelectronics, но преди няколко години стана възможно да актуализирате фърмуера в ST-Link и да получите SEGGER J-Link OB (вграден) Debugger. Законово има ограничение за използване на такъв дебъгер само с платки на STMicroelectronics, но всъщност потенциалът не е ограничен. По този начин, разполагайки с J-Link OB, можете да имате вграден програмист-дебъгер на платката за отстраняване на грешки. Отбелязвам, че продуктите на LDM-Systems използват конвертора CP2102 (Usb2Uart), който може само да мига.

STM32F103C8T6 микроконтролери, реални и не толкова реални, (c) Снимка от автора

Така че беше необходимо да се купи оригиналният STM32F103C8T6, тъй като собственият фърмуер няма да работи правилно с клонинга. Усъмних се в тази теза и реших да пробвам контролера CS32F103C8T6 на китайската фирма CKS. Нямам оплаквания за самия контролер, но собственият фърмуер на ST-Link не работи в него. J-Link работи частично - USB устройството беше открито, но програмистът не изпълняваше функциите си и постоянно напомняше, че е „дефектно“.

Грешка при стартиране на дебъгера на неоригинален контролер

Не бях доволен от това и първо написах фърмуера за мигане на светодиода и след това внедрих заявката IDCODE, използвайки JTAG протокола. Програматора ST-Link, който имах на платката Discovery и програмата ST-Link Utility минаха без проблем CS32F103C8T6.Накрая се убедих, че платката ми работи. За моя радост целевият контролер K1986BE1QI (авиационен) весело издаде своя IDCODE чрез линията TDO.

Осцилограма на TDO сигнална линия с кодиран IDCODE отговор, (c) Снимка от автора

Така че SWD портът беше полезен за отстраняване на грешки в самия дебъгер и проверка на IDCODE

Имаше вариант с дебъгер CMSIS-DAP (порт за достъп за отстраняване на грешки). Изграждането на проект от източници на ARM не е лесна задача, взех проекта от X893, и след това опитах DAP42. За съжаление Keil uVision замръзна и не иска да работи с тях. В резултат на това замених чипа за отстраняване на грешки с патентован STM32F103C8T6 и никога повече не се върнах към този проблем.

Успешна работа на вградения дебъгер J-Link STLink V2

Когато всички ключови компоненти на бъдещата развойна платка бяха налични, влязох в Eagle CAD и открих, че те не са в библиотеката с елементи. Нямаше къде да отида - трябваше да ги нарисувам сам. В същото време направих места за монтаж на памет, HanRun конектор за Ethernet и добавих рамки за резистори и кондензатори. Файлът на проекта и библиотеката с компоненти могат да бъдат намерени в моя GitHub.

Схематична диаграма на развойната платка MDB1986

Платката се захранва от 5 волтов DC източник, получен от USB порта. На платката има общо два USB Type-B порта. Единият е за програмиста, вторият е за контролера K1986BE1QI. Платката може да работи от един от тези източници или и от двата едновременно. Най-простото регулиране на натоварването и защита на електропровода се изпълняват с помощта на диоди на Шотки във верига D2 и D3 (SS24). Също така на диаграмата можете да видите самовъзстановяващи се предпазители F1 и F2 при 500 mA. Сигналните линии на USB порта са защитени от USBLC6-2SC6 диоден модул.

Веригата за дебъгер-програматор на ST-Link е известна на мнозина; тя може да бъде намерена в документацията за платки STM32-Discovery и други източници. За първоначалния фърмуер на ST-Link/J-Link-OB/DAP клонинг (по избор) извадих линиите SWDIO (PA13), SWCLK (PA14), GND. Много хора използват UART за фърмуер и са принудени да дърпат BOOT джъмперите. Но намирам SWD за по-удобен и този протокол позволява отстраняване на грешки.

Почти всички компоненти на платката се захранват от 3.3 волта, които идват от регулатора на напрежение AMS1117-3.3. За потискане на електромагнитни смущения и токови удари се използват LC филтри от кондензатори и дросели от серията BLM31PG.

Отделно си струва да споменем драйвера за 7-сегментен дисплей MAX7221. Според спецификацията препоръчителното захранване е от 4 до 5.5 волта, а високото ниво на сигнала (логично) е минимум 3.5 V (0.7 x VCC), при захранване от 5 V. За контролера K1986BE1QI (авиационен) изходът на логическа единица съответства на напрежение от 2.8 до 3.3V. Очевидно има несъответствие между нивата на сигнала, което може да попречи на нормалната работа. Реших да захранвам MAX7221 на 4V и да намаля нивата на сигнала до 2.8V (0.7 x 4 = 2.8). За да направите това, диод D4 (RS1A или FR103) е инсталиран последователно в захранващата верига на драйвера. Общият спад на напрежението е 0.9V (диод на Шотки 0.3V и диод 0.6V) и всичко работи.

Повечето портове на микроконтролера K1986BE1QI (авиационен) са съвместими със сигнали до 5V. Следователно няма проблем с използването на CAN трансивър MCP2551, който също работи на 5V. Чипът MAX232 е обозначен като RS-3232 трансивър на диаграмата, но всъщност използвах SN65C3232D от Texas Instruments, т.к. работи от 3.3V и осигурява скорост до 1Mbit/s.

Платката съдържа 4 кварцови резонатора - един за дебъгера (8 MHz) и три за целевия микроконтролер K1986BE1QI (авиационен) с честоти 32.768 kHz, 16 MHz, 25 MHz. Това са необходими компоненти, т.к Параметрите на вградения RC осцилатор са в широк диапазон от 6 до 10 MHz. За работата на вградения Ethernet контролер е необходима честота от 25 MHz. По някаква причина уебсайтът на Milandra (може би по погрешка) посочва, че пластмасовата кутия няма Ethernet. Но ще разчитаме на спецификация и факти.

Важен стимул за създаването на моя собствена развойна платка беше възможността да работя с външна системна шина EBC (external bus controller), която по същество е паралелен порт. Микроконтролерът K1986BE1QI (самолет) ви позволява да свързвате и работите с външни чипове с памет и периферни устройства, например ADC, FPGA и др. Възможностите на външната системна шина са доста големи – можете да работите с 8-битова, 16-битова и 32-битова статична RAM, ROM и NAND Flash. За да чете/записва 32-битови данни, контролерът може автоматично да извърши 2 съответни операции за 16-битови чипове и 8 операции за 4-битови чипове. Очевидно 32-битова I/O операция ще бъде завършена най-бързо с 32-битова шина за данни. Недостатъците включват необходимостта програмата да работи с 32-битови данни, а платката ще трябва да постави 32 песни.

Статични RAM чипове, използвани (познайте кой е дефектен)

Балансирано решение е използването на 16-битови чипове памет. Случайно имах на склад чипове на Integrated Silicon Solutions Inc. (ISSI IS61LV25616AL, 16 x 256k, 10 ns, 3.3V). Разбира се, компанията Milander разполага със собствени статични чипове с памет серия 1645RU, но са твърде скъпи и недостъпни. Като алтернатива има пин-съвместим Samsung K6R4016V1D. По-рано споменах, че микросхемите се оказаха използвани и копието, което инсталирах, първоначално даде повреди и хаотични стойности в 15-ия ред за данни. Отне няколко дни, за да открия хардуерни грешки и толкова по-голямо е чувството на удовлетворение, когато смених повредения чип с работещ. Както и да е, скоростта на работа с външна памет оставя много да се желае.

Външна шина и режим StandAloneМикроконтролерът K1986BE1QI (самолет) има уникален режим StandAlone, който е предназначен за директен външен достъп до Ethernet и MKIO контролери (MIL_STD_1553) чрез външна шина, като ядрото е в състояние на нулиране, т.е. не се използва. Този режим е удобен за процесори и FPGA, които нямат Ethernet и/или MKIO.
Схемата на свързване е както следва:

• шина за данни MCU(D0-D15) => SRAM(I/O0-I/O15),
• адресна шина MCU(A1-A18) => SRAM(A0-A17),
• контролен MCU(nWR,nRD,PortC2) => SRAM (WE,OE,CE),
• SRAM(UB,LB) са свързани или изтеглени към земята чрез резистор.

Линията CE е свързана към захранването чрез резистор; щифтовете за вземане на проби от MCU байта (BE0-BE3) не се използват. Под спойлера предоставям кода за инициализиране на портовете и контролера на външната шина.

Инициализиране на портове и EBC контролер (външен контролер на шина)

void SRAM_Init (void)
{
	EBC_InitTypeDef          EBC_InitStruct = { 0 };
	EBC_MemRegionInitTypeDef EBC_MemRegionInitStruct = { 0 };
	PORT_InitTypeDef         initStruct = { 0 };

	RST_CLK_PCLKcmd (RST_CLK_PCLK_EBC, ENABLE);

	PORT_StructInit (&initStruct);
	//--------------------------------------------//
	// DATA PA0..PA15 (D0..D15)                   //
	//--------------------------------------------//
	initStruct.PORT_MODE      = PORT_MODE_DIGITAL;
	initStruct.PORT_PD_SHM    = PORT_PD_SHM_ON;
	initStruct.PORT_SPEED     = PORT_SPEED_FAST;
	initStruct.PORT_FUNC      = PORT_FUNC_MAIN;
	initStruct.PORT_Pin       = PORT_Pin_All;
	PORT_Init (MDR_PORTA, &initStruct);	
	//--------------------------------------------//
	// Address PF3-PF15 (A0..A12), A0 - not used. //
	//--------------------------------------------//
	initStruct.PORT_FUNC      = PORT_FUNC_ALTER;
	initStruct.PORT_Pin       = PORT_Pin_4  | PORT_Pin_5  |
	                            PORT_Pin_6  | PORT_Pin_7  |
	                            PORT_Pin_8  | PORT_Pin_9  |
								PORT_Pin_10 | PORT_Pin_11 |
	                            PORT_Pin_12 | PORT_Pin_13 |
								PORT_Pin_14 | PORT_Pin_15;
	PORT_Init (MDR_PORTF, &initStruct);	
	//--------------------------------------------//
	// Address PD3..PD0 (A13..A16)                //
	//--------------------------------------------//
	initStruct.PORT_FUNC      = PORT_FUNC_OVERRID;
	initStruct.PORT_Pin       = PORT_Pin_0 | PORT_Pin_1 |
	                            PORT_Pin_2 | PORT_Pin_3;
	PORT_Init (MDR_PORTD, &initStruct);	
	//--------------------------------------------//
	// Address PE3, PE4 (A17, A18)                //
	//--------------------------------------------//
	initStruct.PORT_FUNC      = PORT_FUNC_ALTER;
	initStruct.PORT_Pin       = PORT_Pin_3 | PORT_Pin_4;
	PORT_Init (MDR_PORTE, &initStruct);	
	//--------------------------------------------//
	// Control PC0,PC1 (nWE,nOE)                  //
	//--------------------------------------------//
	initStruct.PORT_FUNC      = PORT_FUNC_MAIN;
	initStruct.PORT_Pin       = PORT_Pin_0 | PORT_Pin_1;
	PORT_Init (MDR_PORTC, &initStruct);	
	//--------------------------------------------//
	// Control PC2 (nCE)                          //
	//--------------------------------------------//
	initStruct.PORT_PD        = PORT_PD_DRIVER;
	initStruct.PORT_OE        = PORT_OE_OUT;
	initStruct.PORT_FUNC      = PORT_FUNC_PORT;
	initStruct.PORT_Pin       = MDB_SRAM_CE;
	PORT_Init (MDR_PORTC, &initStruct);	

	//--------------------------------------------//
	// Initialize EBC controler                   //
	//--------------------------------------------//
	EBC_DeInit();
	EBC_StructInit(&EBC_InitStruct);
	EBC_InitStruct.EBC_Mode             = EBC_MODE_RAM;
	EBC_InitStruct.EBC_WaitState        = EBC_WAIT_STATE_3HCLK;
	EBC_InitStruct.EBC_DataAlignment    = EBC_EBC_DATA_ALIGNMENT_16;
	EBC_Init(&EBC_InitStruct);
	
	EBC_MemRegionStructInit(&EBC_MemRegionInitStruct);
	EBC_MemRegionInitStruct.WS_Active   = 2;
	EBC_MemRegionInitStruct.WS_Setup    = EBC_WS_SETUP_CYCLE_1HCLK;
	EBC_MemRegionInitStruct.WS_Hold     = EBC_WS_HOLD_CYCLE_1HCLK;
	EBC_MemRegionInitStruct.Enable_Tune = ENABLE;
	EBC_MemRegionInit (&EBC_MemRegionInitStruct, EBC_MEM_REGION_60000000);
	EBC_MemRegionCMD(EBC_MEM_REGION_60000000, ENABLE);

	// Turn ON RAM (nCE)
	PORT_ResetBits (MDR_PORTC, MDB_SRAM_CE);
}

Микроконтролерът в пакета LQFP-144 и паметта в пакета TSOP-44 имат много свързани изводи и заемат много място на печатната платка. Имайки опит в решаването на оптимизационни проблеми в областта на икономиката, за мен беше очевидно, че е необходимо първо да се поставят тези микросхеми на дъската. В различни източници съм срещал хвалебствени отзиви за CAD TopoR (топологичен рутер). Изтеглих пробната версия и успях да експортирам проекта си от Eagle CAD там едва след като премахнах почти всички компоненти. За съжаление програмата TopoR не ми помогна да разположа дори 10 елемента на дъската. Първо всички компоненти бяха поставени в ъгъл и след това подредени по ръба. Не бях доволен от тази опция и дълго време трасирах платката ръчно в познатата среда на Eagle CAD.

Важен елемент от печатната платка е ситопечатът. Платката за разработка трябва да има не само етикети за електронните компоненти, но и всички конектори трябва да бъдат етикетирани. На гърба на платката поставих таблици с функциите на портовете на контролера (основен, алтернативен, заменен, действителен). Поръчах производството на печатни платки в Китай от известния офис на PCBWay. Няма да го хваля, защото качеството е добро. Те могат да се справят по-добре, с по-строги толеранси, но срещу такса.

Произведени печатни платки MDB1986, (c) Снимка от автора

Трябваше да запоявам компонентите „на колене“ с 40-ватов поялник и припой POS-61, защото рядко запоявам, 1-2 пъти годишно и пастата за запояване беше изсъхнала. Също така трябваше да сменя китайския контролер CS32F103 с оригиналния STM32F103 и след това да заменя паметта. Като цяло сега съм напълно доволен от резултата, въпреки че все още не съм проверил работата на RS-232 и CAN.

Платката за отстраняване на грешки MDB1986 работи - свети и затопля, (c) Снимка от автора

На уебсайта на Milandra можете да намерите достатъчно образователни материали за обучаващи контролери серия 1986BE9 (ядро Cortex-M3), но за микроконтролера K1986BE1QI (авиационен) не виждам нищо там. След като разгледах публикуваните там материали, ръководства и лабораторни работи за университети, се радвам, че в цялата страна се обучават кадри за работа с руски контрольори. Повечето учебни материали подготвят за работа с I/O портове, таймери, ADC, DAC, SPI, UART. Използват се различни IDE среди за разработка (Keil, IAR, CodeMaster). Някъде програмират с CMSIS регистри, а някъде с MDR Library. Ресурсът трябва да бъде споменат Стартирайте Milandr, който съдържа много статии от практикуващи програмисти. И, разбира се, не трябва да забравяме Форум на Миландра.

Мислех за МиландраМикроелектрониката се развива в Русия и компанията Миландер играе важна роля в този процес. Появяват се нови интересни микроконтролери, например 1986BE81T и Elektrosila с интерфейси SpaceWire и MKIO (същите като в 1986BE1 и, вероятно, със същите проблеми) и др. Но обикновените студенти, учители и строителни инженери не могат да си купят такива микросхеми. Това означава, че инженерната общност няма да може бързо да идентифицира грешки и проблеми с този чип. Струва ми се, че първо е необходимо да се произведат микросхеми в пластмасов корпус, да се раздадат на всички заинтересовани страни и след апробация (лат. approbatio - одобрение, признаване) от специалисти, те могат да подготвят ревизия в металокерамичен корпус с защита от всички вредни фактори. Надявам се в близко бъдеще ВСИЧКИ да бъдем доволни от новите проекти, обявени на изложенията.
Платката за отстраняване на грешки, която разработих, може да бъде повторена, модифицирана и използвана от всеки в образователния процес. Първо, направих дъската за себе си, но се получи толкова добре, че Реших да споделя с всички.

K1986BE1QI (въздух) е много интересен контролер с уникални интерфейси, който може да се използва в университетите за обучение на студенти. Мисля, че след коригиране на установените грешки в контролера и преминаване на сертификационни тестове, контролерът ще лети в истинския смисъл на думата!

Източник: www.habr.com