マイクロコントローラー用のデバッグ/プログラミングコネクターの選択

TL;DR抄録：ARM SWD、TI Spy-Bi-Wire、またはMicrochip ICDの場合、標準のピン/パッド割り当てを持つTag-Connect No-Legsフットプリントを使用し、Tag-Connectケーブルを取得します。

マイクロコントローラを使用するデバイスを設計する際には、デバッグおよびプログラミングコネクタを提供する必要があります。これは、ソフトウェアの作成とデバッグを行う開発時にのみ使用されるか、または工場内でのプログラミングのために生産ユニットに残されることもあります。

製造業者と工具メーカーは、私たちが混乱したデバッグコネクタの多様性のある世界に住むようにしました。これが私たちがこれに終わる理由です：

新しいデザインのためにどのコネクタを選ぶべきか？

この記事は主にSWD（Single-Wire Debug）インターフェースを持つARMデバイスに焦点を当てていますが、Spy Bi-Wire（2-wire JTAG）プロトコルを使用するTexas Instruments MSP430やMicrochip ICD、またはJTAGピンの完全なセットが必要な部品など、他の部品にも適用可能です。

人気のデバッグコネクタ

よく考慮される一般的な選択肢の一部：

• 0.1インチのIDCヘッダーに10ピンのJTAG。通常はオスのヘッダーが使用されます。デメリット：巨大で、ヘッダーにコストがかかります。
• 0.05インチのマイクロヘッダーを使用したCortex Debug Connector（10ピンまたは20ピン、Samtec FTSH-110およびFTSH-105）。10ピンのコネクターは比較的小さく、SMD部品として利用可能ですが、IDCコネクターよりも高価です。
• 20ピンの0.1インチIDCコネクター。あなたは本気でその恐竜を考えていますか？私が設計したボードの中にはそれよりも大きいものがあります。
• 4ピンまたは6ピン（またはビア、または銅パッド）のカスタムセット。ここでの問題は「カスタム」部分です。それは必然的に将来、あなたのカスタムコネクターが工場の床で壊れ、新しいものを海外から発送しなければならない日、生産が停止している間にあなたを噛みつくことになります。
• バリエーションの一つであるTag-Connect 6ピンフットプリント（レッグありまたはレッグなし）。ここにはコネクターはありません：PCB上の標準化されたフットプリントだけです。
• Tag-Connect 6ピン + Tag-Connect 10ピン（ETM信号用）：この組み合わせには、20ピンのIDCコネクターと標準のARM Cortex 20ピンのピン割り当てを持つプレビルトケーブルがあります。

すぐにわかることの一つは、これらのコネクターのほとんどが、まあ、コネクターを必要とするということです。それはボードに配置する必要がある追加のコンポーネントで、お金がかかります。製造ユニットや大量のプロトタイプランで、そのコネクターは製品の寿命全体で一度しか使用されないため、無駄です。

Tag-Connectソリューションまたはポゴピンベースのコネクターを使用したカスタムフットプリントは、PCBに部品を配置する必要がないため、明らかにここで利点があります。そのため、ボードごとのデバッグコネクターのコストが0に急落し、これは素晴らしいことです！

これが実際のボード上でのTag-Connectフットプリントの見え方です：  

そして、ポゴピン付きのケーブルは次のように見えます： 2つ目の主な考慮事項はサイズで、それによってボードのスペース要件が決まります。唯一の候補者は、10ピンの0.05インチマイクロヘッダとTag-Connect 6ピンフットプリントです。10ピンのマイクロヘッダは実際には一方向に少し小さいですが、その違いは大きくありません。これが10ピン0.05インチマイクロヘッダの見た目です（これはNordic Semiconductor nRF52832開発ボード、PCA10040からのものです）：

脚ありか脚なしか？

Tag-Connectコネクタケーブルには二つのバリエーションがあります：「レッグ付き」と「レッグなし」です。それぞれ何が違うのでしょうか？

Tag-Connectはポゴピンを使用しており、これらのピンは内部にバネを持っており、PCBに押し付けます。コネクタを固定したい場合は、それに対して継続的に力を加える必要があります。これはクイックプログラミングには適していますが、長時間のデバッグセッションにはあまり適していません。そのため、「足」のフットプリント（およびコネクタ）がはるかに優れています。足は小さなクリップのように機能し、コネクタを挿入すると、それらはスナップインしてポゴピンをボードにしっかりと押し付け、無期限に保持します。

"legs"フットプリントの問題はそのサイズです：それは"no-legs"バリアントよりも大幅に大きいです。さらに悪いことに、ボードに大きな穴を4つ必要とします。大きな穴は常に問題です：それらは（明らかに）すべての層を通過する必要があり、またそれらの周囲にキープアウトエリアも必要です。これは、"legs"フットプリントがあなたの設計に与える影響が"no legs"バリアントよりも大きいことを意味します。

製品の寿命中に一度だけ接続が行われ、常に手で持つことが可能な製造ユニットの場合、疑問の余地はありません：ボードスペースを節約する"ノーレッグ"フットプリントを間違いなく好むでしょう。しかし、プロトタイプについてはどうすればよいでしょうか？一方で、ボードスペースは余裕がありますが、他方では、最終リビジョンで穴を取り除く必要があるためにPCBを再設計したくないと思っています。

幸いなことに、別の解決策があります。Tag-Connectは小さな保持クリップを販売しています。それはTag-Connectケーブルのピンにフィットする3つのソケットを持つPCBの一部です。それは機械的に完璧な解決策ではなく、クリップは時間とともに摩耗する傾向があります（また、非常に失くしやすいです！）、しかし実際にはそれはかなりうまく機能します。

私のおすすめは、常に"no-legs"フットプリントとケーブルを選び、たくさんのリテイニングクリップを買い、ボードスペースとボードの再設計の手間を節約することです。

標準信号割り当てを使用する

私は野生のハードウェアで、設計者がARM SWD（Cortex-M0上）のTag-Connectフットプリントを使用しているのを見たことがありますが、信号を異なる方法で割り当てました。それはインターフェースを難読化することが動機だった可能性があります。

これは私が推奨するものではありません：難読化は簡単に発見され、互換性のないフットプリントが生じ、それは将来必ず問題を引き起こします。

実用性

Tag-Connectは、フットプリントの反対側に部品を配置（またはトレースをルーティング）しないことを推奨しています。それは良い推奨事項ですが、特に小さなボードやレイアウト制約が厳しい場合、常にそのような贅沢があるわけではありません。

私が発見したように、ケーブルを固定するための保持クリップを使用しても、部品を反対側に配置することが可能です。ただし、ショートを防ぐために、部品と保持クリップの間に絶縁体を一枚挟むことをお勧めします（紙がよく効きます）。これは推奨される方法ではありませんが、デバッグコネクタを固定する作業が少し複雑になるだけで、実際には機能します。

これはプロトタイプボードの例です（プロトタイプのはんだ品質をお許しください）で、部品はデバッグフットプリントのエリア内に配置されています：

批判

Tag-Connectと全てが順調というわけではありません。ウェブサイトは整理されておらず、探している情報を見つけるのが難しいです。多数のバリエーションが提供されており、ほとんどの人々が一種類のケーブルだけを必要とするにもかかわらず、それは目立つように表示されていません。残念ながら、これは組み込み世界のデバッグとプログラミング機器を製造する企業の伝統のようです。

私が持っている2つ目の不満は、会社がTag-Connectフットプリントを含むダウンロード可能なCADライブラリを提供しているが、次のように述べていることです：

これらのファイルは「現状のまま」提供され、完全であること、エラーがないこと、または使用に適していることを保証するものではありません。Tag-Connectウェブサイト（下記参照）で提供されている最新のデータシートに対して、インポートされたデカールを慎重にチェックしてください。特に、穴のサイズ、ピンの番号付け、フットプリントパッドにはんだペーストが付着しないように、はんだペーストマスクレイヤーに注意を払ってください。

提供されるZIPファイルを見ると、通常、特定のCADに対して複数のフットプリントバリアントがあります。どれを使用すればよいのですか？ そして、それを確認するのはなぜ私の責任なのですか？

私はTag-Connectがこのライブラリを整理し、免責事項なしに、少なくともより人気のあるCADパッケージのためのサポートされたフットプリントのセットを提供するべきだと思います。これはこのソリューションの価値の一部であるべきです。

結論

すべてを考慮すると、Tag-Connectはまだ市販のデバッグおよびプログラミングソリューションとして最良です。すべての設計でそれを標準化し、使用することをお勧めします。