Mikrokontrollerin debuggaus-/ohjelmointiliittimen valinta

TL;DR-tiivistelmä: ARM SWD:lle, TI Spy-Bi-Wirelle tai Microchip ICD:lle käytä Tag-Connect No-Legs -jalanjälkeä vakiopinnijärjestyksellä ja hanki Tag-Connect-kaapelit.

Suunniteltaessa laitteita, jotka käyttävät mikrokontrollereita, on tarjottava debug- ja ohjelmointiliitin. Tätä saatetaan käyttää vain kehitystyössä ohjelmiston kirjoittamisen ja vianetsinnän aikana, tai se voidaan jättää tuotantoyksiköihin tehtaan sisäistä ohjelmointia varten.

Valmistajat ja työkalujen tekijät varmistivat, että elämme maailmassa, jossa on lukuisia debug-liittimiä ja paljon sekaannusta niiden ympärillä. Siksi päädymme tähän:

Joten, mikä liitin valita uuteen suunnitteluun?

Tämä artikkeli keskittyy pääasiassa ARM-laitteisiin, joissa on SWD (Single-Wire Debug) -liitäntä, mutta se soveltuu myös muihin komponentteihin, kuten Texas Instrumentsin MSP430:een, joka käyttää Spy Bi-Wire (2-wire JTAG) -protokollaa, Microchip ICD:hen tai jopa komponentteihin, jotka tarvitsevat täydellisemmän JTAG-nastasarjan.

Suositut debuggausliittimet

Joitakin yleisiä valintoja, joita usein harkitaan:

• 10-nastainen JTAG 0,1" IDC-liittimellä. Yleensä käytetään urosliitintä. Haittapuoli: se on valtava, ja liitin maksaa rahaa.
• Cortex Debug -liitin käyttäen 0,05" mikroliitintä (10- tai 20-nastainen, Samtec FTSH-110 ja FTSH-105). 10-nastainen liitin on kohtuullisen pieni ja saatavana SMD-komponenttina, mutta kalliimpi kuin IDC-liittimet.
• 20-nastainen 0,1" IDC-liitin. Et kai tosissasi harkitse tuota dinosaurusta? Se on suurempi kuin jotkut suunnittelemani piirilevyt.
• Mukautettu sarja 4 tai 6 nastaa (tai läpivientiä tai kuparipadia). Ongelmana tässä on "mukautettu" osa. Se tulee väistämättä kostautumaan tulevaisuudessa, sinä päivänä kun mukautettu liittimesi hajoaa tehtaalla ja joudut tilaamaan uuden ulkomailta tuotannon ollessa pysähdyksissä.
• Tag-Connect 6-nastainen footprint jossakin muunnelmassa (jaloilla tai ilman jalkoja). Huomaa, että tässä ei ole liitintä: vain standardoitu footprint piirilevyllä.
• Tag-Connect 6-nastainen + Tag-Connect 10-nastainen (ETM-signaaleille): tälle yhdistelmälle on saatavana jopa valmis kaapeli, jossa on 20-nastainen IDC-liitin ja standardit ARM Cortex 20-nastaiset nastajärjestykset.

Yksi välitön havainto on, että useimmat näistä liittimistä vaativat, no, liittimiä. Se on ylimääräinen komponentti, joka sinun on sijoitettava levylle, mikä maksaa rahaa. Tuotantoyksiköissä tai suuremmissa prototyyppisarjoissa kyseistä liitintä käytetään vain kerran tuotteen koko elinkaaren aikana, mikä on tuhlausta.

Tag-Connect-ratkaisuilla tai mukautetuilla jalanjäljillä, joissa on pogo-pin-pohjaiset liittimet, on tässä ilmeinen etu, koska ne eivät vaadi komponenttien sijoittamista piirilevylle, joten debug-liittimen kustannus levyä kohden putoaa nollaan, mikä on hienoa!

Tältä Tag-Connect-jalanjälki näyttää oikealla piirilevyllä:

Ja tältä näyttää kaapeli, jossa on pogo-pinnit: Toinen merkittävä huomioitava asia on koko ja siitä johtuvat piirilevytilavaatimukset. Ainoat kilpailijat ovat 10-pinninen 0,05" mikro-piikkirima ja Tag-Connect 6-pinninen jalanjälki. 10-pinninen mikro-piikkirima on itse asiassa hieman pienempi yhdessä suunnassa, mutta ero ei ole merkittävä. Tältä näyttää 10-pinninen 0,05" mikro-piikkirima (tämä on Nordic Semiconductorin nRF52832-kehityskortista, PCA10040):

Jaloilla vai ilman?

Tag-Connect-liitinkaapelista on kaksi versiota: toinen "jaloilla" ja toinen "ilman jalkoja". Mikä on ero?

Tag-Connect käyttää pogo-pinnejä, joissa on jouset sisällä ja jotka painautuvat piirilevyä vasten. Jos haluat liittimen pysyvän paikallaan, sinun on jatkuvasti kohdistettava siihen voimaa. Tämä sopii nopeaan ohjelmointiin, jossa voit pitää liitintä paikallaan toisella kädellä ja käynnistää ohjelmointityön toisella, mutta se ei toimi kovin hyvin pitkissä vianetsintäistunnoissa. Siihen "jalallinen" footprint (ja liitin) toimii paljon paremmin. Jalad toimivat pieninä klipseinä, joten kun työnnät liittimen sisään, ne napsahtavat paikoilleen ja pitävät pogo-pinnit tiukasti levyä vasten määräämättömän ajan.

Ongelma "jalallisen" footprintin kanssa on sen koko: se on huomattavasti suurempi kuin "jalaton" versio. Mikä pahempaa, se tarvitsee neljä suurta reikää piirilevyyn. Suuret reiät ovat aina ongelma: ne (ilmeisesti) täytyy viedä kaikkien kerrosten läpi, ja tarvitset myös suoja-alueen (keepout) niiden ympärille. Tämä tarkoittaa, että "jalallisen" footprintin vaikutus suunnitteluusi on paljon suurempi kuin "jalattoman" version.

Tuotantoyksiköissä, joissa yhteys tehdään todennäköisesti vain kerran tuotteen elinkaaren aikana ja joita voidaan helposti pitää kädessä koko ajan, ei ole epäilystäkään: suosit ehdottomasti "jalatonta" footprintiä, joka säästää piirilevytilaa. Mutta mitä tehdä prototyypeille? Toisaalta sinulla on varaa piirilevytilaan, mutta toisaalta et halua suunnitella piirilevyä uudelleen vain siksi, että sinun on poistettava reiät lopullisessa versiossa.

Onneksi on olemassa toinen ratkaisu. Tag-Connect myy pientä kiinnitysklipsiä. Se on pala piirilevyä, jossa on kolme kantaa, jotka sopivat Tag-Connect-kaapelin nastoihin. Se ei ole mekaanisesti täydellinen ratkaisu ja klipsit kuluvat ajan myötä (ne on myös uskomattoman helppo hukata!), mutta käytännössä se toimii varsin hyvin.

Suositukseni on aina valita "jalaton" footprint ja kaapelit, ostaa nippu kiinnitysklipsejä ja säästää piirilevytilassa sekä levyjen uudelleensuunnittelussa.

Käytä standardia signaalimääritystä

Olen nähnyt laitteistoja, joissa suunnittelijat käyttivät Tag-Connect-footprintiä ARM SWD:lle (Cortex-M0:ssa), mutta määrittivät signaalit eri tavalla. Todennäköisesti motiivina oli rajapinnan hämärtäminen.

Tätä en suosittele: hämärtäminen on helposti havaittavissa, ja lopputuloksena on yhteensopimaton jalanjälki, mikä aiheuttaa väistämättä ongelmia tulevaisuudessa.

Käytännön asiat

Tag-Connect suosittelee, ettei footprintin toiselle puolelle sijoiteta komponentteja (tai reititetä johtimia). Vaikka se on hyvä suositus, sellaista ylellisyyttä ei aina ole, etenkään pienillä levyillä, joissa on tiukat asettelurajoitukset.

Kuten olen huomannut, voit selvitä sijoittamalla komponentit toiselle puolelle, vaikka käyttäisitkin kiinnitysklipsiä kaapelin pitämiseen paikallaan. Suosittelen kuitenkin käyttämään eristettä komponenttien ja kiinnitysklipsin välissä mahdollisten oikosulkujen estämiseksi (paperi toimii hyvin). Vaikka tämä ei ole suositeltu käytäntö, se toimii, vaikka debug-liittimen kiinnittäminen paikalleen on hieman monimutkaisempaa.

Tässä on esimerkki prototyyppilevystä (anteeksi prototyypin juotoslaatu), jossa komponentit on sijoitettu debug-jalanjäljen alueelle:

Kritiikki

Tag-Connectin kanssa kaikki ei ole pelkkää ruusuilla tanssimista. Verkkosivusto ei ole hyvin organisoitu, joten etsimääsi tietoa on vaikea löytää. Tarjolla on lukuisia muunnelmia, ja vaikka useimmat ihmiset tarvitsevat vain yhden tyyppisen kaapelin, sitä ei ole näkyvästi esillä. Valitettavasti tämä näyttää olevan perinne sulautetun maailman debuggaus- ja ohjelmointilaitteita valmistavien yritysten keskuudessa.

Toinen valituksen aiheeni on, että yritys tarjoaa ladattavia CAD-kirjastoja Tag-Connect-jalanjäljillä, mutta toteaa, että:

Nämä tiedostot toimitetaan 'SELLAISENAAN' ilman takuuta siitä, että ne ovat täydellisiä, virheettömiä tai käyttöön sopivia. Tarkista tuodut tarrat huolellisesti Tag-Connectin verkkosivustolla olevaa uusinta datalehteä vasten (katso alla). Kiinnitä erityistä huomiota reikien kokoihin, nastojen numerointiin ja juotospastamaskikerrokseen varmistaaksesi, ettei juotospastaa päädy footprintin padeille.

Jos katsot toimitettuja ZIP-tiedostoja, siellä on yleensä useita footprint-variantteja tietylle CAD:lle. Mitä niistä käytän? Ja miksi on minun vastuullani tarkistaa se?

Mielestäni Tag-Connectin pitäisi siivota tämä kirjasto ja tarjota joukko tuettuja footprinttejä ainakin suosituimmille CAD-paketeille ilman vastuuvapauslauseketta. Sen pitäisi olla osa tämän ratkaisun arvoa.

Johtopäätös

Kaikki huomioon ottaen Tag-Connect on edelleen paras valmis ratkaisu virheenkorjaukseen ja ohjelmointiin. Suosittelen standardoimaan sen käytön ja käyttämään sitä kaikissa suunnitelmissasi.