K1986BE1QI用デバッグボード開発（航空）

数年前、私はMindr社のロシア製マイクロコントローラーを知りました。 2013 年から 2008 年までの連邦目標プログラム「電子部品ベースおよび無線エレクトロニクスの開発」の最初の結果について技術者たちが精力的に議論したのは 2015 年のことでした。 当時、すでに K1986BE9x コントローラー (Cortex-M3 コア) がリリースされており、1986BE1T コントローラー (Cortex-M1 コア) が登場したばかりでした。 彼は、プラスチック製の LQFP-144 ケースの中で、文書では K1986BE1QI (航空) という表記を持ち、チップ自体には MDR32F1QI という表記を持っていました。 メーカーの Web サイトでは、航空機産業に固有のインターフェイス (ARINC 429、MIL_STD_1553) を備えているため、接尾辞「air」が付いています。

驚くべきことに、これらのコントローラーの配布時に、ミランダー社は周辺機器を操作するためのデバッグ キットとサブルーチンのライブラリを準備しましたが、「ただし、ライブラリの正確さに関する追加の保証や義務はありませんでした」。 このライブラリは、STMicroelectronics の標準ペリフェラル ライブラリに似ています。 一般に、Cortex-M コア上に構築されたすべての ARM コントローラーには多くの共通点があります。 このため、新しいロシアの管制官との知り合いはすぐに進みました。 また、独自のデバッグ キットを購入した人には、使用中の技術サポートが提供されました。

マイクロコントローラー 1986BE1T 用デバッグ キット、© Milandr

しかし、時間が経つにつれて、新しいチップやライブラリの「小児病」が現れ始めました。 ファームウェアのテスト例は目に見える問題なく動作しましたが、大幅な変更を加えるとクラッシュやエラーが降り注ぎました。 私の実践における最初の「問題」は、CAN コントローラーでの説明不能な障害でした。 1986 年後、初期リビジョンの 1BEXNUMXT (航空) コントローラーでモジュールの問題が発見されました。 MCIO (多重情報交換チャネル)。 一般に、2016 年までのこれらのマイクロコントローラーのすべてのリビジョンは、用途が限られていました。 これらの問題を特定するのに多くの時間と神経が費やされました。その確認は現在、以下で見つけることができます。 エラーリスト (正誤表).

不快な特徴は、デバッグ ボードではなく、工場での連続生産が計画されているプロトタイプ デバイスのボード上で作業してエラーに対処する必要があることでした。 JTAG コネクタ以外には、通常は何もありませんでした。 ロジックアナライザと接続するのは難しくて不便で、通常は LED や画面がありませんでした。 このため、独自のデバッグボードを作成するというアイデアが私の頭の中に浮かびました。

一方で、ブランドのデバッグキットが市場に出回っていたほか、ゼレノグラードの LDM-Systems の素晴らしいボードもありました。 一方で、これらの製品の価格は人を呆然とさせ、拡張カードなしの基本機能は期待を満たしません。 はんだ付けされたコントローラーとピンヘッダーを備えたボードには興味がありません。 そして、より興味深いボードは高価です。

開発ボード MILANDR LDM-HELPER-K1986BE1QI-FULL、© LDM Systems

「Milandr」という会社は、独自の価格設定ポリシーとマーケティングを行っています。 したがって、一部の超小型回路のサンプルを無料で入手することは可能ですが、これは法人のみが利用可能であり、官僚的な探求が伴います。 一般に、セラミックと金属のパッケージ内の超小型回路は、文字通りにも比喩的にも金色です。 たとえば、1986BE1Tコントローラーのモスクワでの価格は14〜24ルーブルです。 1645RU6U スタティック メモリ チップの価格は 15000 ルーブルからです。 そしてこれは全商品の価格順です。 その結果、国の命令を受けた専門研究機関でさえ、経費を節約し、そのような価格を敬遠しています。 民生用のプラスチックケースに入ったチップはかなり安価ですが、一般的な供給業者からは入手できません。 さらに、プラスチックケース内のチップの品質は、「金」よりも悪いように思えます。 たとえば、フラッシュ遅延設定を増やさないと、K1986BE1QI コントローラーを 128MHz で実行できませんでした。 同時に、このコントローラーの温度は40〜50℃まで上昇しました。 しかし、1986BE1T (「ゴールド」) コントローラーは追加設定なしで 128 MHz で起動し、コールドのままでした。 彼は本当に良い人だよ。

「ゴールド」マイクロコントローラー 1986BE1T、(c) Milandr

幸運なことに、プラスチックケースに入ったマイクロコントローラーは今でも LDM Systems から小売店で購入でき、すべての回路基板は無料で入手できます。 悪い点は、コントローラーの写真のサイトに、これが 4 年の 2014 番目の改訂であることを示すマークが表示されていることです。 欠陥がある。 私は長い間、買うか買わないかを考えていました。 そうして数年が経ちました…

デバッグボードを作成するというアイデアはどこにも消えていません。 徐々にすべての要件を整理し、これらすべてを XNUMX つのボード上に配置して、コンパクトでコストがかからないようにするにはどうすればよいかを考えました。 並行して、不足しているコンポーネントを中国人に注文しました。 私は急いでいませんでした - 私は自分のためにすべてをしました。 中国のサプライヤーはずさんなことで有名で、必要なものをすべて手に入れるために別の場所に同じものを注文しなければなりませんでした。 さらに、メモリチップの一部は中古品であることが判明し、明らかに壊れたデバイスからはんだ付けされたものでした。 これは後で私に衝撃を与えました。

マイクロコントローラー Milandr K1986BE1QI (航空用) を購入するのは簡単な作業ではありません。 同じチップ アンド ディップ店の「注文するポジション」セクションで、1986 ルーブルの K92BE740QI しか見つかりませんでしたが、私には合いませんでした。 唯一の選択肢は、LDM-Systems から最新ではないリビジョンを 2000 ルーブルで購入することです。 他に代替品が見つからなかったので、あるものを購入することにしました。 嬉しいことに、2018 年 6 月リリースの新しいコントローラー、リビジョン 1820+ (XNUMX) を販売してくれました。 そして、サイトにはまだ古い写真があり、これを書いている時点ではコントローラーは利用できません...

技術パッケージ内のマイクロコントローラー K1986BE1QI (航空)、(c) 著者撮影

私の開発ボードの主な技術仕様 MDB1986 次のとおり

• J-LinkおよびCMSIS-DAPと互換性のある内蔵デバッガプログラマ。
• 4Mbit スタティック メモリ (256k x 16、10 ns);
• フラッシュ メモリ チップ 64Mbit、Winbond 25Q64FVSIG;
• RTS および CTS 回線を備えた RS-232 インターフェイス トランシーバー。
• イーサネット、USB、CAN 用のインターフェイスとコネクタ。
• 7セグメントディスプレイコントローラMAX7221;
• MCIO (MIL_STD_1553) および ARINC429 で動作するためのピン コネクタ。
• フォトトランジスタ エバーライト PT17-21C;
• XNUMX 色の LED、リセット ボタン、および XNUMX つのユーザー ボタン。
• 5 ボルトの USB ポートから電力が供給されます。
• プリント基板寸法 100 x 80 mm

私が STM-Discovery シリーズのボードを気に入ったのは、プログラマ デバッガ ST-Link が組み込まれているためです。 ブランドの ST-Link は STMicroelectronics コントローラでのみ動作しますが、数年前に ST-Link のファームウェアを更新して SEGGER J-Link OB (オンボード) デバッガを入手できるようになりました。 法的には、このようなデバッガを STMicroelectronics ボードでのみ使用するという制限がありますが、実際には可能性は制限されていません。 したがって、J-Link OB を使用すると、デバッグ ボードにプログラマ デバッガを内蔵できます。 LDM-Systems 製品では、フラッシュのみが可能な CP2102 (Usb2Uart) コンバータが使用されていることに注意してください。

STM32F103C8T6 マイクロコントローラー、本物とそうでないもの (c) 著者撮影

したがって、ブランドのファームウェアはクローンでは正しく動作しないため、オリジナルの STM32F103C8T6 を購入する必要がありました。 私はこの説に疑問を抱き、中国企業 CKS の CS32F103C8T6 コントローラを試してみることにしました。 コントローラー自体には何の不満もありませんが、独自の ST-Link ファームウェアが動作しませんでした。 J-Link は部分的に動作しました - USB デバイスは検出されましたが、プログラマーはその機能を実行せず、それが「欠陥がある」ことを常に思い出させました。

オリジナル以外のコントローラーでデバッガーを実行するとエラーが発生する

これには落ち着かず、まず LED を点滅させるためのファームウェアを作成し、次に JTAG プロトコルを使用して IDCODE リクエストを実装しました。 Discovery ボードに搭載していた ST-Link プログラマと ST-Link Utility プログラムは問題なく CS32F103C8T6 をフラッシュし、その結果、ボードが動作していることを確認しました。 嬉しいことに、ターゲット コントローラー K1986BE1QI (航空) が TDO 回線を介して IDCODE を元気よく発行しました。

IDCODE でエンコードされた応答を含む TDO 信号ラインのオシログラム、(c) 著者撮影

そのため、SWD ポートはデバッガ自体のデバッグや IDCODE の確認に役立ちました。

デバッガのオプションがありました CMSIS-DAP (デバッグアクセスポート)。 ARM ソースからプロジェクトを構築するのは簡単な作業ではありません。プロジェクトは次から取得しました。 X893, 続いてDAP42も試してみました。 残念ながら、Keil uVision は行き詰まってしまい、彼らと協力することを望まなくなりました。 その結果、デバッガ チップを独自の STM32F103C8T6 に交換し、この問題が再発することはなくなりました。

内蔵デバッガ J-Link STLink V2 の正常な動作

将来のデバッグ ボードの主要なコンポーネントがすべて利用可能になったとき、Eagle CAD を起動したところ、それらが要素のライブラリにないことがわかりました。 どこにも行くところがないので、自分で描くしかありませんでした。 同時に、メモリ用のシート、イーサネット用の HanRun コネクタを作成し、抵抗とコンデンサ用のフレームを追加しました。 プロジェクトファイルとコンポーネントライブラリが見つかります GitHub にあります.

MDB1986デバッグボードの回路図

ボードには、USB ポートからの 5 ボルト DC 電源によって電力が供給されます。 ボードには 1986 つの USB Type-B ポートがあります。 1 つはプログラマ用、もう 2 つは K3BE24QI コントローラ用です。 ボードは、これらのソースのいずれか、または両方から同時に動作できます。 最も単純な負荷調整と電力線の保護は、D1 および D2 (SS500) 回路のショットキー ダイオードに実装されています。 また、図には 6mA での自己修復ヒューズ F2 と F6 も表示されています。 USB ポートの信号ラインは USBLCXNUMX-XNUMXSCXNUMX ダイオード アセンブリによって保護されています。

ST-Link デバッガ/プログラマ回路は多くの人に知られており、STM32-Discovery ボードのドキュメントやその他のソースで見つけることができます。 ST-Link / J-Link-OB / DAP クローン (オプション) のプライマリ ファームウェアとして、SWDIO (PA13)、SWCLK (PA14)、GND ラインを取り出しました。 多くはファームウェアに UART を使用しており、ブート ジャンパーを引く必要があります。 しかし、私にとっては SWD の方が便利です。さらに、このプロトコルではデバッグが可能です。

ボードのほぼすべてのコンポーネントは、AMS3.3-1117 電圧レギュレータからの 3.3 ボルトで電力を供給されます。 電磁妨害とサージ電流を抑制するために、BLM31PG シリーズのコンデンサとチョークによる LC フィルターが使用されます。

これとは別に、7 セグメント ディスプレイ ドライバ MAX7221 についても言及する価値があります。 仕様によれば、推奨電源は 4 ～ 5.5 ボルトで、3.5V で駆動する場合、高信号レベル (ロジック 0.7) は少なくとも 5V (1986 x VCC) です。 K1BE2.8QI コントローラ (航空) の場合、論理ユニットの出力は 3.3 ～ 7221 V の電圧に対応します。 明らかに、信号レベルに不一致があり、通常の動作が中断される可能性があります。 MAX4に2.8Vから電力を供給し、信号レベルを0.7V (4 x 2.8 = 4)に下げることにしました。 これを行うために、ダイオード D1 (RS103A または FR0.9) がドライバー電源回路に直列に取り付けられます。 合計の電圧降下は 0.3V (0.6V ショットキー ダイオードと XNUMXV ダイオード) で、すべてが動作します。

K1986BE1QI マイクロコントローラー (航空) のほとんどのポートは、最大 5V の信号と互換性があります。 したがって、同じく 2551V で動作する MCP5 CAN トランシーバーを使用しても問題は発生しません。 この図では RS-232 トランシーバとして MAX3232 チップが示されていますが、実際には Texas Instruments の SN65C3232D を使用しました。 3.3V で動作し、最大 1Mbit/s の速度を提供します。

ボード上には 4 つの水晶振動子があります。8 つはデバッガー (1986 MHz) 用、1 つはターゲット マイクロコントローラー K32.768BE16QI (航空) 用で、公称値は 25 kHz、6 MHz、10 MHz です。 これらは必要なコンポーネントであるためです。 内蔵 RC ジェネレーターのパラメーターは 25 ～ XNUMX MHz の広い範囲にあります。 内蔵イーサネット コントローラの動作には XNUMX MHz の周波数が必要です。 何らかの理由で、ミランドラの Web サイトには (おそらく誤って)、プラスチック ケースにはイーサネットが入っていないと記載されています。 ただし、仕様と事実に依存します。

独自のデバッグ ボードを作成するための重要な動機は、本質的にパラレル ポートである外部 EBC (外部バス コントローラー) システム バスを操作できる機会でした。 K1986BE1QI マイクロコントローラ (航空) を使用すると、外部メモリ チップや ADC、FPGA などの周辺デバイスを接続して操作できます。 外部システム バスの可能性は非常に大きく、8 ビット、16 ビット、および 32 ビットのスタティック RAM、ROM、および NAND フラッシュを使用できます。 32 ビット データの読み取り/書き込みの場合、コントローラーは、2 ビットのマイクロ回路では 16 つの対応する操作を、8 ビットのマイクロ回路では 4 つの操作を自動的に実行できます。 明らかに、32 ビット I/O 操作は 32 ビット データ バスを使用した場合に最も高速になります。 欠点としては、プログラムが 32 ビット データで動作する必要があり、ボードに 32 トラックを敷設する必要があることが挙げられます。

SRAM チップ、使用済み (どれが欠陥があるか推測してください)

バランスのとれた解決策は、16 ビット メモリ チップを使用することです。 最終的には Integrated Silicon Solutions Inc. のチップを採用しました。 (ISSI IS61LV25616AL、16 x 256k、10 ns、3.3 V)。 もちろん、「Milandr」社は独自のスタティックメモリチップを持っています シリーズ1645RUしかし、それらは高すぎて入手できません。 あるいは、ピン互換の Samsung K6R4016V1D もあります。 前述したように、IC は中古品であり、私がインストールしたコピーは当初、15 番目のデータ ラインで不安定で不安定でした。 ハードウェアのエラーを発見するのに数日かかりましたが、破損したチップを正常なチップに交換したときの満足感は大きくなりました。 それはともかく、外部メモリの操作速度にはまだ改善の余地がたくさんあります。

外部バスとスタンドアロン モードK1986BE1QI (航空) マイクロコントローラには独自のスタンドアロン モードがあり、コアがリセット状態にあるときに、外部バス経由でイーサネットおよび MCIO コントローラ (MIL_STD_1553) に直接外部アクセスできるように設計されています。 使用されていない。 このモードは、イーサネットや MCIO を持たないプロセッサや FPGA に役立ちます。
接続図は次のとおりです。

• データバス MCU(D0-D15) => SRAM(I/O0-I/O15)、
• アドレスバス MCU(A1～A18) => SRAM(A0～A17)、
• MCU 制御(nWR、nRD、PortC2) => SRAM (WE、OE、CE)、
• SRAM(UB、LB) は、抵抗を介してグランドに接続またはプルされます。

CE ラインは抵抗を介して電源にプルアップされており、MCU バイト フェッチ ピン (BE0 ～ BE3) は使用されません。 スポイラーの下に、ポートと外部バス コントローラーを初期化するためのコードを示します。

ポートとEBCコントローラー（外部バスコントローラー）の初期化

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);
}

LQFP-144 パッケージのマイクロコントローラと TSOP-44 パッケージのメモリには、接続されたピンが多数あり、多くの PCB スペースを占有します。 経済学の分野で最適化問題を解決した経験がある私にとって、これらの超小型回路は最初から基板上に配置されるべきであることは明らかでした。 さまざまな情報源で、私は次のような賞賛的なレビューを見つけました。 CAD TopoR (トポロジカルルーター)。 試用版をダウンロードし、ほぼすべてのコンポーネントを削除した場合にのみ、Eagle CAD からプロジェクトをエクスポートできました。 残念ながら、TopoR プログラムでは、ボード上に 10 個の要素さえ配置できませんでした。 まず、すべてのコンポーネントをコーナーに配置し、エッジに沿って配置します。 このオプションでは私は満足できず、使い慣れた Eagle CAD 環境でボードを手動でトレースすることに長い時間を費やしました。

スクリーン印刷はプリント基板の重要な要素です。 デバッグ ボードでは、電子コンポーネントに署名するだけでなく、すべてのコネクタにも署名する必要があります。 ボードの裏側に、コントローラー ポート (メイン、代替、オーバーライド、実際) の機能を示すテーブル リマインダーを配置しました。 私は中国の有名なPCBWayオフィスにプリント基板の製造を注文しました。 品質は良いので褒めません。 公差が小さいほど良い結果が得られますが、 有料.

製作したプリント基板 MDB1986、(c) 著者撮影

40ワットのはんだごてとPOS-61はんだを使って「膝の上」のコンポーネントのはんだを外さなければなりませんでした。私は年に1～2回しかはんだ付けをしないので、はんだペーストが乾いてしまいました。 また、中国の CS32F103 コントローラをオリジナルの STM32F103 に変更し、メモリも交換する必要がありました。 RS-232 と CAN の動作はまだチェックしていませんが、全体的には結果に完全に満足しています。

デバッグ ボード MDB1986 が動作中 — 光って暖かくなります (с) 著者撮影

サイト「Milandra」では十分な情報を見つけることができます コントローラーを学ぶための学習教材 1986BE9 シリーズ (Cortex-M3 コア) ですが、K1986BE1QI (航空) マイクロコントローラーの場合は、そこには何も表示されません。 そこで出版された資料、マニュアル、大学向けの実験室の作業を検討した結果、ロシアの管制官と協力する人材が国中で訓練されていることを嬉しく思います。 ほとんどのトレーニング資料は、I/O ポート、タイマー、ADC、DAC、SPI、UART を使用できるように準備されています。 さまざまな IDE (Keil、IAR、CodeMaster) が使用されます。 どこかでは CMSIS レジスタを使用してプログラムし、またどこかでは MDR ライブラリを使用します。 リソースについて言及する必要があります ミランドルをスタートには、現役プログラマーによる記事が多数含まれています。 そしてもちろん忘れてはいけないのが、 フォーラム ミランドラ.

ミランドラを想うロシアのマイクロエレクトロニクスは発展しており、「Milandr」という会社はこのプロセスで重要な役割を果たしています。 たとえば、SpaceWire および MKIO インターフェイスを備えた 1986BE81T および Elektrosila (1986BE1 と同じ、おそらく同じ問題を抱えている) など、新しい興味深いマイクロコントローラーが登場します。 しかし、一般の学生、教師、土木技術者にとって、そのような超小型回路を購入することは現実的ではありません。 これは、エンジニアリング コミュニティがこのチップのエラーや問題をすぐに特定できないことを意味します。 最初にプラスチックのケースで超小型回路を作成し、すべての関係者に配布する必要があるように思えます。承認（ラテン語の承認、承認）後にのみ、専門家は、セラミックと金属のケースで保護された改訂版を準備できます。すべての恐ろしい要因。 近い将来、展示会で発表された新しいプロジェクトに私たち全員が満足できることを願っています。
私が教育過程で開発したデバッグボードは、誰でも繰り返し、変更し、使用することができます。 まずは自分用にボードを作ったのですが、とても良く出来たので、 みんなでシェアすることにしました.

K1986BE1QI (air) は、大学で学生を教えるために使用できる、ユニークなインターフェイスを備えた非常に興味深いコントローラーです。 コントローラーで特定されたエラーを修正し、認定テストに合格すると、コントローラーは本当の意味で飛行できるようになると思います。

出所： habr.com