マイクロコントローラ用のデバッグ/プログラミングコネクタの選択

要約：ARM SWD、TI Spy-Bi-Wire、またはMicrochip ICDの場合、標準のピン/パッド割り当てでTag-Connect No-Legsフットプリントを使用し、Tag-Connectケーブルを入手してください。

マイクロコントローラを使用するデバイスを設計する場合、デバッグおよびプログラミング用コネクタを用意する必要があります。これは、ソフトウェアの作成やデバッグを行う開発時のみに使用される場合もあれば、工場内プログラミングのために生産ユニットに残される場合もあります。

メーカーやツールメーカーのおかげで、私たちは多数のデバッグコネクタが存在し、それらを取り巻く多くの混乱がある世界に住んでいます。これが、私たちがこのような状況に陥る理由です:

では、新しい設計にはどのコネクタを選択すべきでしょうか？

この記事では主に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線式JTAG）プロトコルを使用するTexas Instruments MSP430、Microchip ICD、あるいはより完全なJTAGピンセットを必要とするパーツなど、他のパーツにも適用可能です。

人気のあるデバッグ用コネクタ

よく検討される一般的な選択肢のいくつかは次のとおりです:

• 0.1インチIDCヘッダー上の10ピンJTAG。通常はオスヘッダーが使用されます。欠点：巨大であり、ヘッダーにコストがかかります。
• 0.05インチマイクロヘッダー（10ピンまたは20ピン、Samtec FTSH-110およびFTSH-105）を使用したCortexデバッグコネクタ。10ピンコネクタは適度に小さく、SMD部品として入手可能ですが、IDCコネクタよりも高価です。
• 20ピン0.1インチIDCコネクタ。まさかその恐竜のようなコネクタを真剣に検討しているわけではないですよね？私が設計したいくつかの基板よりも大きいです。
• 4ピンまたは6ピン（あるいはビア、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」という部分です。将来、工場の現場でカスタムコネクタが壊れ、生産が停止している間に海外から新しいものを出荷しなければならなくなった日に、必ずしっぺ返しを食らうことになります。
• バリエーションの1つ（脚ありまたは脚なし）のTag-Connect 6ピンフットプリント。ここにはコネクタがないことに注意してください：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IDCコネクタと標準ARM Cortex 20ピンピン配置を備えた既製のケーブルさえ用意されています。

すぐに気づくことの一つは、これらのコネクタのほとんどが、まさにコネクタを必要とすることです。これは基板に配置する必要がある追加のコンポーネントであり、コストがかかります。生産ユニットや大規模なプロトタイプ実行の場合、そのコネクタは製品の全寿命で一度しか使用されないため、無駄になります。

Tag-Connectソリューションやポゴピンベースのコネクタを使用したカスタムフットプリントには、PCB上に部品を配置する必要がないという明らかな利点があり、基板ごとのデバッグコネクタのコストが0まで急落するため、これは素晴らしいことです！

実際の基板上でのTag-Connectフットプリントは次のようになります:

そして、これがポゴピン付きケーブルの外観です: 2番目の主要な考慮事項はサイズと、その結果としての基板スペース要件です。唯一の競合相手は、10ピンの0.05インチマイクロヘッダーとTag-Connectの6ピンフットプリントです。10ピンのマイクロヘッダーは実際には一方向で少し小さいですが、その差は大きくありません。これが10ピンの0.05インチマイクロヘッダーの外観です（これはNordic Semiconductor nRF52832開発ボード、PCA10040のものです）:

足あり、それとも足なし？

Tag-Connectコネクタケーブルには2つのバリエーションがあります。「脚あり（legs）」と「脚なし（no legs）」です。違いは何でしょうか？

Tag-Connectはポゴピンを使用しており、内部にバネがありPCBに押し付けます。コネクタを所定の位置に留めておきたい場合は、継続的に力を加える必要があります。これは、片手でコネクタを押さえ、もう一方の手でプログラミングジョブを開始できるような迅速な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。その場合は、「legs（脚付き）」フットプリント（およびコネクタ）の方がはるかに適しています。脚が小さなクリップとして機能するため、コネクタを挿入すると所定の位置にカチッとはまり、ポゴピンを基板にしっかりと固定し、無期限に保持します。

「脚付き」フットプリントの問題はそのサイズです。「脚なし」バリアントよりも大幅に大きくなります。さらに悪いことに、基板に4つの大きな穴が必要です。大きな穴は常に問題となります。（当然ながら）すべての層を貫通する必要があり、その周囲に禁止領域（キープアウトエリア）も必要になります。つまり、「脚付き」フットプリントが設計に与える影響は、「脚なし」バリアントよりもはるかに大きくなります。

生産ユニットの場合、接続は製品寿命の中で一度しか行われない可能性が高く、常に手持ちできるため、「脚なし」フットプリントを好むのは間違いありません。これにより基板スペースを節約できます。しかし、プロトタイプについてはどうでしょうか？一方では基板スペースに余裕がありますが、他方では最終リビジョンで穴を削除する必要があるという理由だけでPCBを再設計したくはありません。

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。これは、Tag-Connectケーブルのピンに合う3つのソケットを備えたPCBの一部です。機械的に完璧な解決策ではなく、クリップは時間の経過とともに摩耗する傾向があります（また、信じられないほど紛失しやすいです！）が、実際には非常にうまく機能します。

私のお勧めは、常に「足なし」のフットプリントとケーブルを使用し、保持クリップをたくさん購入して、基板スペースと基板の再設計を節約することです。

標準的な信号割り当てを使用する

実際のハードウェアで、設計者がARM SWD（Cortex-M0上）にTag-Connectフットプリントを使用しているものの、信号の割り当てが異なっている例を見たことがあります。おそらく、インターフェースを分かりにくくすることが動機だったのでしょう。

これはお勧めしません。難読化は簡単に発見され、互換性のないフットプリントになってしまい、将来的に必ずトラブルの原因となります。

実用性

Tag-Connectは、フットプリントの反対側にコンポーネントを配置（またはトレースを配線）しないことを推奨しています。これは良い推奨事項ですが、特にレイアウトの制約が厳しい小さな基板では、常にその余裕があるとは限りません。

私が発見したように、ケーブルを固定するために保持クリップを使用する場合でも、反対側にコンポーネントを配置して済ませることができます。ただし、ショートを防ぐために、コンポーネントと保持クリップの間に絶縁体（紙が適しています）を使用することをお勧めします。推奨される方法ではありませんが、これは機能します。ただし、デバッグコネクタを所定の位置に固定するのは少し手間がかかります。

これは、デバッグフットプリントの領域内にコンポーネントが配置されているプロトタイプボードの例です（プロトタイプのはんだ付け品質についてはご容赦ください）:

批判

Tag-Connectには良いことばかりではありません。ウェブサイトがあまり整理されていないため、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いますが、ほとんどの人が必要とするのは1種類のケーブルであるにもかかわらず、それが目立つように表示されていません。残念ながら、これは組み込み業界でデバッグおよびプログラミング機器を製造している企業の伝統のようです。

私の2つ目の不満は、その会社がTag-Connectフットプリントを備えたダウンロード可能なCADライブラリを提供しているものの、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の保証はありません。インポートされたデカールを、Tag-ConnectのWebサイト（下記参照）で提供されている最新のデータシートと照らし合わせて慎重に確認してください。特に、穴のサイズ、ピン番号を確認し、はんだペーストマスク層に細心の注意を払い、フットプリントパッドにはんだペーストが堆積しないようにしてください。

提供されたZIPファイルを見ると、通常、特定のCADに対していくつかのフットプリントのバリエーションがあります。どれを使えばいいのでしょうか？そして、なぜそれを検証するのが私の責任なのでしょうか？

Tag-Connectはこのライブラリを整理し、少なくともより一般的なCADパッケージ向けに、免責事項なしでサポートされるフットプリントのセットを提供するべきだと思います。そ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は依然として最高の既製デバッグおよびプログラミングソリューションです。標準として採用し、すべての設計で使用することをお勧めします。