Entwicklung eines Debugboards für K1986BE1QI (Air)

Vor einigen Jahren habe ich mich mit den russischen Mikrocontrollern von Milander getroffen. Es war 2013, als die Ingenieure die ersten Ergebnisse des Bundeszielprogramms "Entwicklung der Basis elektronischer Komponenten und der Funkelektronik" für 2008-2015 heftig diskutierten. Zu diesem Zeitpunkt war der K1986BE9x-Controller (Cortex-M3-Core) bereits freigegeben, und der 1986BE1T-Controller (Cortex-M1-Core) ist gerade erschienen. Er hatte im Kunststoffkoffer LQFP-144 die Bezeichnung K1986BE1QI (avia) und auf dem Chip selbst die Bezeichnung MDR32F1QI. Auf der Website des Herstellers hat er das Suffix "avia", da es spezifische Schnittstellen für die Luftfahrtindustrie hat (ARINC 429, MIL_STD_1553).

Überraschenderweise erstellte die Firma Milander zum Zeitpunkt der Verteilung dieser Steuerungen Debugging-Kits und eine Bibliothek mit Unterprogrammen für die Arbeit mit Peripheriegeräten, „jedoch ohne zusätzliche Garantien und Verpflichtungen hinsichtlich der Korrektheit der Bibliothek“. Die Bibliothek ähnelt der STMicroelectronics Standard Peripheral Library. Im Allgemeinen haben alle ARM-Controller, die auf dem Cortex-M-Kern basieren, viel gemeinsam. Aus diesem Grund ging die Bekanntschaft mit den neuen russischen Controllern schnell. Und für diejenigen, die gebrandete Debugging-Kits gekauft haben, wurde während des Gebrauchs technischer Support bereitgestellt.


Debug-Kit für den Mikrocontroller 1986BE1T, © Milander

Im Laufe der Zeit traten jedoch „Kinderkrankheiten“ neuer Mikroschaltungen und Bibliotheken auf. Testbeispiele für Firmware funktionierten ohne sichtbare Probleme, aber mit einer signifikanten Modifikation regneten Abstürze und Fehler. Das erste "Schlucken" in meiner Praxis waren ungeklärte Betriebsstörungen des CAN-Controllers. Ein Jahr später, auf dem 1986BE1T (Air) Early Audit Controller, wurde ein Problem mit dem MKIO- Modul (Multiplexed Information Exchange Channel) festgestellt. Im Allgemeinen waren alle Revisionen dieser Mikrocontroller bis 2016 von begrenztem Nutzen. Es hat viel Zeit und Nerven gekostet, diese Probleme zu identifizieren, deren Bestätigung nun in den Fehlerlisten (Errata) zu finden ist .

Unangenehm war, dass nicht auf den Debug-Boards, sondern auf den Prototyp-Boards der für die Serienproduktion geplanten Geräte gearbeitet und mit Fehlern umgegangen werden musste. Außer dem JTAG-Anschluss war normalerweise nichts vorhanden. Das Anschließen an einen Logikanalysator war schwierig und unbequem, und normalerweise gab es keine LEDs oder Bildschirme. Aus diesem Grund habe ich darüber nachgedacht, ein eigenes Debug-Board zu erstellen.

Einerseits gab es gebrandete Debugging-Kits auf dem Markt sowie wunderbare Boards von LDM-Systems aus Zelenograd. Andererseits sind die Preise für diese Produkte ins Wanken geraten, und die Grundfunktionalität ohne Erweiterungskarten entspricht nicht den Erwartungen. Eine Platine mit einem gelöteten Controller und einer Stiftleiste interessiert mich nicht. Und interessantere Boards sind teuer.


Debug-Board MILANDR LDM-HELPER-K1986BE1QI-FULL, © LDM Systems

Das Unternehmen "Milander" Preisgestaltung und Marketing sind eigenartig. So ist es möglich, kostenlose Muster einiger Mikroschaltungen zu erhalten, aber dies steht nur juristischen Personen zur Verfügung und ist mit einem bürokratischen Auftrag verbunden. Im Allgemeinen sind Mikroschaltungen in einem Metall-Keramik-Gehäuse im direkten und im übertragenen Sinne Gold. Zum Beispiel kostet der 1986BE1T-Controller in Moskau 14 bis 24 Tausend Rubel. Der statische Speicherchip 1645RU6U kostet ab 15.000 Rubel. Und eine solche Reihenfolge der Preise für alle Produkte. Dadurch sparen und scheuen auch spezialisierte Forschungsinstitute mit staatlichen Aufträgen solche Preise. Mikroschaltungen in einer Kunststoffhülle für den zivilen Einsatz sind deutlich günstiger, aber bei gängigen Anbietern nicht erhältlich. Außerdem scheint mir die Qualität von Mikroschaltkreisen in einem Kunststoffgehäuse schlechter zu sein als die von „Gold“. Zum Beispiel konnte ich den K1986BE1QI-Controller nicht mit einer Frequenz von 128 MHz starten, ohne den Parameter für die Flash-Latenz zu erhöhen. Gleichzeitig stieg die Temperatur dieses Reglers auf 40-50 ° C. Der Controller 1986BE1T ("gold") wurde jedoch ohne zusätzliche Einstellungen mit 128 MHz gestartet und blieb kalt. Er ist wirklich gut


"Goldener" Mikrocontroller 1986BE1T, (c) Milander

Ich hatte das Glück, dass ein Mikrocontroller in einem Kunststoffgehäuse noch im Einzelhandel bei LDM Systems erhältlich ist und alle Leiterplatten frei verfügbar sind. Das Schlimme ist, dass sich auf der Seite auf dem Foto des Controllers eine Markierung befindet, die besagt, dass dies die 4. Revision von 2014 ist, d. H. mit Mängeln. Ich habe lange überlegt - zu kaufen oder nicht zu kaufen. So vergingen mehrere Jahre ...

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Die Idee, ein Debug-Board zu erstellen, ist nicht verschwunden. Allmählich formulierte ich alle Anforderungen und überlegte, wie ich das alles auf ein Board packen sollte, damit es kompakt und nicht teuer wäre. Parallel dazu habe ich die fehlenden Teile bei den Chinesen bestellt. Ich hatte es nicht eilig - ich habe alles für mich getan. Chinesische Lieferanten sind berühmt für Schlamperei - ich musste dasselbe an verschiedenen Orten bestellen, um alles zu bekommen, was ich brauchte. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass einige der Speichermikroschaltungen in Gebrauch waren - offensichtlich verdampft von defekten Geräten. Dies kam später zu mir zurück.

Einen Mikrocontroller Milander K1986BE1QI (avia) zu kaufen, ist keine leichte Aufgabe. Im selben Chip and Dip-Geschäft habe ich im Bereich "Bestellartikel" nur den K1986BE92QI für 740 Rubel gefunden, der mir jedoch nicht zusagte. Die einzige Möglichkeit ist, bei LDM-Systems für 2.000 Rubel keine neue Revision zu kaufen. Da ich nirgendwo anders Ersatz finden konnte, habe ich mich für den Kauf entschieden. Zu meiner angenehmen Überraschung verkauften sie mir einen brandneuen Release-Controller für Dezember 2018, Revision 6+ (1820). Und die Seite hat noch ein altes Foto und zum Zeitpunkt des Schreibens ist der Controller nicht verfügbar ...


Mikrocontroller K1986BE1QI (Avia) in technologischen Verpackungen (c) - Foto von

Die wichtigsten technischen Daten meiner MDB1986- Debug- Karte lauten wie folgt:

• eingebauter Debugger-Programmierer, kompatibel mit J-Link und CMSIS-DAP;
• 4 Mbit statischer Speicher (256 kx 16, 10 ns);
• 64 MBit Flash-Speicherchip, Winbond 25Q64FVSIG;
• RS-232-Schnittstellentransceiver mit RTS- und CTS-Leitungen;
• Schnittstellen und Anschlüsse für Ethernet, USB, CAN;
• MAX7221 7-Segment-Display-Controller
• Pin-Anschluss für die Arbeit mit MKIO (MIL_STD_1553) und ARINC429;
• Everlight PT17-21C Fototransistor;
• fünf farbige LEDs, eine Rücksetztaste und zwei Benutzertasten;
• Stromversorgung über USB-Anschluss 5 Volt;
• Leiterplattenabmessungen 100 x 80 mm

Ich mochte die Boards der STM-Discovery-Serie, weil es einen integrierten Debugger-Programmierer gibt - ST-Link. Die Marke ST-Link funktioniert nur mit Steuerungen von STMicroelectronics. Vor einigen Jahren war es jedoch möglich, die Firmware in ST-Link zu aktualisieren und einen SEGGER J-Link OB (On-Board) -Debugger zu erhalten. Rechtlich ist die Verwendung eines solchen Debuggers nur für STMicroelectronics-Boards beschränkt, tatsächlich ist das Potenzial jedoch nicht begrenzt. Mit einem J-Link-OB können Sie also einen integrierten Debugger auf der Debug-Karte haben. Ich stelle fest, dass in den Produkten von "LDM-Systems" der Konverter CP2102 (Usb2Uart) verwendet wird, der nur flashen kann.


Mikrocontroller STM32F103C8T6, real und nicht real, (c) Foto von

Daher musste das Original STM32F103C8T6 gekauft werden, da die proprietäre Firmware mit dem Klon nicht ordnungsgemäß funktioniert. Ich bezweifelte diese These und entschloss mich, den CS32F103C8T6-Controller der chinesischen Firma CKS in Betrieb zu nehmen. Ich habe keine Beschwerden über den Controller selbst, aber die Firmware ST-Link hat nicht funktioniert. J-Link funktionierte teilweise - das USB-Gerät wurde erkannt, aber der Programmierer führte seine Funktionen nicht aus und erinnerte ständig daran, dass es "defekt" war.


Fehler beim Arbeiten mit dem Debugger auf einem nicht originalen Controller

Ich habe mich nicht beruhigt und habe zuerst die Firmware für das Blinken der LED geschrieben und dann die IDCODE-Anforderung mithilfe des JTAG-Protokolls realisiert. Der ST-Link-Programmierer, den ich auf der Discovery-Karte hatte, und das ST-Link-Hilfsprogramm haben CS32F103C8T6 ohne Probleme geflasht. Als Ergebnis habe ich sichergestellt, dass meine Karte funktioniert. Zu meiner Freude hat der Zielcontroller K1986BE1QI (avia) fröhlich seinen IDCODE über die TDO-Leitung ausgegeben.


Oszillogramm der TDO-Signalleitung mit codierter IDCODE-Antwort, (c) - Foto von


Der SWD-Port war also praktisch, um den Debugger selbst zu debuggen und IDCODE zu überprüfen

Es gab eine Variante mit dem CMSIS-DAP- Debugger (Debug Access Port) . Es ist keine leichte Aufgabe, ein Projekt aus dem Quellcode von ARM zu erstellen. Ich habe das Projekt von X893 übernommen und dann DAP42 ausprobiert. Leider hat Keil uVision aufgelegt und wollte nicht mit ihnen arbeiten. Infolgedessen habe ich den Debugger-Chip durch den proprietären STM32F103C8T6 ersetzt und bin nicht mehr auf dieses Problem zurückgekommen.


Erfolgreicher J-Link STLink V2 Debugger

Als alle wichtigen Komponenten des zukünftigen Debug-Boards vorrätig waren, stieg ich in Eagle CAD ein und stellte fest, dass sie nicht in der Elementbibliothek enthalten waren. Nirgendwo hin - sie mussten sich selbst malen. Gleichzeitig habe ich Speicherabdrücke und HanRun-Anschlüsse für Ethernet erstellt und Rahmen für Widerstände und Kondensatoren hinzugefügt. Die Projektdatei und die Komponentenbibliothek befinden sich auf meinem GitHub .



Die Platine wird von einer 5-Volt-Gleichstromquelle gespeist, die über den USB-Anschluss bezogen wird. Auf der Karte befinden sich zwei USB-Anschlüsse vom Typ B. Eine ist für den Programmierer, die zweite für den K1986BE1QI-Controller. Das Board kann aus jeder dieser Quellen oder mit beiden gleichzeitig arbeiten. Die einfachste Laststeuerung und der einfachste Schutz von Stromleitungen sind bei Schottky-Dioden in den Schaltkreisen D2 und D3 (SS24) implementiert. Auf dem Diagramm sind auch die selbstheilenden Sicherungen F1 und F2 bei 500 mA zu sehen. Die Signalleitungen des USB-Anschlusses sind durch eine USBLC6-2SC6-Diodenbaugruppe geschützt.

Die ST-Link Debugger-Programmer-Schaltung ist vielen bekannt. Sie finden sie in der Dokumentation zu STM32-Discovery-Karten und anderen Quellen. Für die anfängliche Firmware des ST-Link / J-Link-OB / DAP-Klons (optional) habe ich die Leitungen SWDIO (PA13), SWCLK (PA14), GND herausgebracht. Viele Leute verwenden UART für Firmware und sind gezwungen, BOOT-Jumper zu ziehen. Aber SWD ist für mich praktischer, außerdem ermöglicht dieses Protokoll das Debuggen.

Fast alle Komponenten der Karte werden mit 3,3 Volt versorgt, die vom Spannungsregler AMS1117-3.3 stammen. Um elektromagnetische Störungen und Einschaltströme zu unterdrücken, werden LC-Filter von Kondensatoren und Drosseln der BLM31PG-Serie verwendet.

Wir sollten auch den Treiber für die 7-Segment-Anzeige MAX7221 erwähnen. Gemäß der Spezifikation beträgt die empfohlene Stromversorgung 4 bis 5,5 Volt, und der hohe Signalpegel (logische Einheit) beträgt mindestens 3,5 V (0,7 x VCC) bei 5 V Stromversorgung. Für den Controller K1986BE1QI (avia) entspricht der Ausgang einer logischen Einheit einer Spannung von 2,8 bis 3,3 V. Offensichtlich gibt es eine Fehlanpassung der Signalpegel, die den normalen Betrieb stören kann. Ich beschloss, den MAX7221 mit 4 V zu versorgen und die Signalpegel auf 2,8 V (0,7 x 4 = 2,8) zu senken. Zu diesem Zweck wird die D4-Diode (RS1A oder FR103) in Reihe mit dem Treiberstromversorgungskreis installiert. Der gesamte Spannungsabfall beträgt 0,9 V (Schottky-Diode 0,3 V und Diode 0,6 V), und alles funktioniert.

Die meisten Ports des Mikrocontrollers K1986BE1QI (avia) sind mit Signalen bis 5 V kompatibel. Der Einsatz des CAN-Transceivers MCP2551, der auch mit 5V betrieben wird, ist daher unproblematisch. Der MAX3232-Chip ist auf dem Diagramm als RS-232-Transceiver angegeben, aber tatsächlich habe ich SN65C3232D von Texas Instruments verwendet, weil Es wird mit 3,3 V betrieben und bietet Geschwindigkeiten von bis zu 1 Mbit / s.

Auf der Platine befinden sich 4 Quarzresonatoren - einer für den Debugger (8 MHz) und drei für den Ziel-Mikrocontroller K1986BE1QI (avia) mit Werten von 32,768 kHz, 16 MHz, 25 MHz. Dies sind notwendige Komponenten, wie Die Parameter des eingebauten RC-Generators liegen in einem weiten Bereich von 6 bis 10 MHz. Für den Betrieb des integrierten Ethernet-Controllers ist eine Frequenz von 25 MHz erforderlich. Auf der Seite von Milander (möglicherweise aus Versehen) wird aus irgendeinem Grund darauf hingewiesen, dass sich kein Ethernet im Kunststoffgehäuse befindet. Aber wir werden uns auf die Spezifikation und die Fakten verlassen.

Ein wichtiger Anreiz für die Erstellung einer eigenen Debug-Karte war die Möglichkeit, mit dem externen Systembus EBC (External Bus Controller) zu arbeiten, der im Wesentlichen eine parallele Schnittstelle ist. Mit dem Mikrocontroller K1986BE1QI (avia) können Sie externe Speicherchips und Peripheriegeräte wie ADC, FPGA usw. anschließen und damit arbeiten. Die Fähigkeiten des externen Systembusses sind recht groß - Sie können mit statischem 8-Bit-, 16-Bit- und 32-Bit-RAM, ROM und NAND-Flash arbeiten. Zum Lesen / Schreiben von 32-Bit-Daten kann der Controller automatisch zwei entsprechende Operationen für 16-Bit-Schaltungen und für 8-Bit-4-Operationen ausführen. Offensichtlich ist eine 32-Bit-E / A-Operation mit dem 32-Bit-Datenbus die schnellste. Zu den Nachteilen gehört, dass das Programm mit 32-Bit-Daten arbeiten muss und 32 Spuren auf die Platine gelegt werden müssen.


Benutzte statische RAM-Chips (rate, welcher defekt ist)

Eine ausgewogene Lösung ist die Verwendung von 16-Bit-Speicherchips. Ich habe Silicon Solutions Inc. integriert. (ISSI IS61LV25616AL, 16 × 256 k, 10 ns, 3,3 V). Natürlich verfügt die Firma Milander über eine eigene Serie von statischen 1645RU- Speicherchips, die jedoch zu teuer und unzugänglich sind. Alternativ gibt es Samsung K6R4016V1D Pin-kompatibel. Zuvor erwähnte ich, dass die Mikroschaltungen in Gebrauch waren und die Instanz, die ich ursprünglich installiert hatte, Fehler und chaotische Werte in der 15. Datenleitung aufwies. Die Suche nach Hardwarefehlern dauerte mehrere Tage. Umso zufriedener war ich, als ich den beschädigten Chip durch einen funktionierenden ersetzte. Wie dem auch sei, die Geschwindigkeit der Arbeit mit dem externen Speicher lässt zu wünschen übrig.


Das Anschlussschema sieht wie folgt aus:

• MCU-Datenbus (D0-D15) => SRAM (I / O0-I / O15),
• Adressbus-MCU (A1-A18) => SRAM (A0-A17),
• MCU-Steuerung (nWR, nRD, PortC2) => SRAM (WE, OE, CE),
• SRAM (UB, LB) angeschlossen oder über einen Widerstand an Masse gezogen.

Die CE-Leitung wird über einen Widerstand hochgezogen, die Pins für die MCU-Byteauswahl (BE0-BE3) werden nicht verwendet. Unter dem Spoiler zitiere ich den Portinitialisierungscode und den externen Buscontroller.


Der Mikrocontroller im LQFP-144-Gehäuse und der Speicher im TSOP-44-Gehäuse haben viele verbundene Pins und beanspruchen viel Platz auf der Leiterplatte. Da ich Erfahrung in der Lösung von Optimierungsproblemen auf wirtschaftlichem Gebiet habe, war es für mich offensichtlich, dass diese Mikroschaltungen an erster Stelle auf der Platine platziert werden mussten. In verschiedenen Quellen habe ich Lob für TopoR CAD (Topological Router) gesehen . Ich habe die Testversion heruntergeladen und konnte mein Projekt dort erst aus Eagle CAD exportieren, als ich fast alle Komponenten gelöscht habe. Leider haben mir auch 10 Elemente des TopoR-Programms nicht geholfen, mich auf dem Board zu platzieren. Zuerst wurden alle Komponenten in einer Ecke platziert und dann entlang der Kante platziert. Diese Option hat mich nicht zufrieden gestellt und ich habe das Board lange Zeit im manuellen Modus in der bekannten Eagle CAD-Umgebung nachverfolgt.

Ein wichtiges Element der Leiterplatte ist der Siebdruck. Die Debug-Karte sollte nicht nur Signaturen für elektronische Komponenten enthalten, sondern alle Anschlüsse sollten signiert sein. Auf der Rückseite des Boards habe ich Memotabellen mit den Funktionen der Controller-Ports (primär, alternativ, überschrieben, aktuell) platziert. Ich bestellte die Herstellung von Leiterplatten in China im bekannten Büro von PCBWay. Ich werde nicht loben, denn die Qualität ist gut. Sie können es besser machen, mit weniger Toleranzen, aber gegen eine Gebühr .


Hergestellt Leiterplatten MDB1986, (c) Foto vom Autor

Ich musste die Komponenten „auf meinem Knie“ mit einem 40-Watt-Lötkolben und POS-61-Lötzinn löten, weil ich es selten ein bis zwei Mal im Jahr löte und die Lötpaste ausgetrocknet war. Ich musste den chinesischen CS32F103-Controller gegen den ursprünglichen STM32F103 austauschen und dann auch den Speicher austauschen. Im Allgemeinen gefällt mir das Ergebnis jetzt voll und ganz, obwohl ich die Funktionsweise von RS-232 und CAN noch nicht überprüft habe.


Debug Board MDB1986 bei der Arbeit - glänzt und heizt, (c) Foto von

Auf der Milandra-Website finden Sie genügend Schulungsmaterialien, um die Controller der 1986BE9-Serie (Cortex-M3-Core) zu studieren , aber ich sehe nichts für den K1986BE1QI-Mikrocontroller (avia). Nach Durchsicht der dort veröffentlichten Materialien, Handbücher und Laborarbeiten für Universitäten bin ich froh, dass das Personal im ganzen Land für die Arbeit mit russischen Controllern geschult wird. Die meisten Schulungsunterlagen sind für die Arbeit mit E / A-Anschlüssen, Timern, ADCs, DACs, SPI und UART vorbereitet. Es werden verschiedene IDE-Entwicklungsumgebungen verwendet (Keil, IAR, CodeMaster). Irgendwo programmieren sie mit CMSIS-Registern, und irgendwo verwenden sie die MDR-Bibliothek. Es ist notwendig, die Start Milandr- Ressource zu erwähnen, die viele Artikel von praktischen Programmierern enthält. Und natürlich sollte man das Milander-Forum nicht vergessen.


Jeder, der von mir, dem Debug Board, entwickelt wurde, kann diese wiederholen, modifizieren und im Bildungsprozess verwenden. Zuallererst habe ich mir ein Board gemacht, aber es ist so gut geworden, dass ich beschlossen habe, es mit allen zu teilen .

K1986BE1QI (avia) ist ein sehr interessanter Controller mit einzigartigen Schnittstellen, die an Universitäten zur Ausbildung von Studenten verwendet werden können. Ich denke, dass nach der Korrektur der im Controller erkannten Fehler und dem Bestehen der Zertifizierungstests der Controller im wahrsten Sinne des Wortes fliegen wird!