SimpleCortex - отладочная плата, совместимая с Arduino. Часть 1 - Аппаратная часть

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2012

BRC-Electronics

Открытая отладочная платформа Arduino, благодаря универсальности гибкости и всесторонней поддержке, получила широкое распространение не только в кругу радиолюбителей, но и среди инженеров и разработчиков коммерческих продуктов. Изначально разработанная для сообщества радиолюбителей и устройств формата «сделай сам», платформа прототипирования электронных устройств с открытым исходным кодом Arduino основана на гибком, легком в использовании аппаратном и программном обеспечении. Для многих коммерческих разработчиков немаловажную роль играет также низкая стоимость платформы и быстро растущая экосистема бесплатного ПО и приложений.

Популярность Arduino стимулирует многих разработчикам к разработке собственных совместимых устройств. Регулярно появляются новые клоны и варианты реализации первоначальной платы. При этом все чаще используются процессоры, отличные от родных для Arduino ATMega.

Одной из самых мощных версий Arduino на базе «чужих» процессоров стала плата chipKIT32. Сегодня она существует в двух вариантах: chipKIT32 Uno32 и chipKIT32 Max32. По своим характеристикам платы копируют «родные» варианты Uno и Max, соответственно, от Arduino. Обе платы оснащаются процессорами серии PIC32 компании Microchip, которая фактически и является владельцем торговой марки chipKIT. Платы представляют собой высокоинтегрированные отладочные модули с разнообразной периферией. Самым главным достоинством данного проекта стала полная совместимость с языком программирования Wiring и, соответственно, программой ArduinoIDE. Чтобы достичь этого был создан новый компилятор под PIC32, а среда разработки получила название mpide.

Но уже появляются отладочные платы и модули на микроконтроллерах ARM. Так Arduino не так давно представила плату Arduino Due на микроконтроллере ATMEL семейства SAM3U с ядром Cortex-M3. В статье мы подробно рассмотрим еще один вариант отладочного модуля на микроконтроллере ARM.

SimpleCortex – это компактная отладочная плата на базе быстродействующего микроконтроллера LPC1769 компании NXP, сконструированная в форм-факторе Arduino (Рисунок 1). Совместимость с Arduino позволяет использовать любые платы расширения и применять SimpleCortex в качестве процессорного модуля в различных системах и устройствах. Микроконтроллер LPC1769 разработан на основе ядра ARM Cortex-M3, работающего на тактовой частоте до 120 МГц, имеет встроенную Flash-память программ объемом 512 Кбайт, 64 Кбайт ОЗУ и разнообразную периферию. В Таблице 1 сравниваются характеристик отладочных плат SimpleCortex и Arduino.

Рисунок 1.	Внешний вид отладочной платы SimpleCortex.

Отличительные особенности и технические характеристики микроконтроллера LPC1769:

• Ядро ARM Cortex-M3, рабочая частота до 120 МГц
• Блок защиты памяти (MPU), поддержка до восьми областей памяти
• Встроенный контроллер вложенных векторных прерываний (NVIC)
• Усовершенствованный ускоритель памяти позволяет работать на скорости до 100 МГц без циклов ожидания
• Внутрисхемное программирование (ISP) и программирование приложением (IAP) через программный загрузчик
• Восьмиканальный DMA контроллер общего назначения (GPDMA) на многоуровневой матрице AHB может использоваться с SSP, I²S, UART, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, сигналами совпадения таймера и для пересылок память-память
• Отдельная шина APB для высокоскоростного обмена между ЦПУ и DMA
• Коммуникационные интерфейсы:
  • Ethernet MAC с интерфейсом RMII и контроллером DMA
  • Полноскоростной контроллер устройства/хоста/OTG USB2.0 с соответствующим контроллером DMA и встроенным PHY для устройства, функциями Хост и OTG
  • Четыре UART с контроллерами дробной скорости передачи, внутренней FIFO, поддержкой DMA и RS-485. Один UART снабжен полным набором модемных сигналов, и один поддерживает IrDA
  • Контроллер CAN 2.0B с двумя каналами
  • SPI контроллер с синхронной, последовательной, полнодуплексной передачей и программируемой длиной данных
  • Два контроллера SSP с FIFO и мультипротокольными возможностями. Интерфейсы SSP могут использоваться с контроллером GPDMA
  • Два интерфейса шины I²C, поддерживающие быстрый режим работы со скоростью 400 Кбит/с с распознаванием адресов и режимом монитора
  • Один интерфейс шины I²C, полностью поддерживающий работe со скоростью 1 Мбит/с, распознавание адресов и режим монитора
• 70 линий ввода-вывода общего назначения (GPIO) с конфигурируемыми подтягивающими резисторами и новым конфигурируемым режимом открытого стока
• Многоканальный 12 битный АЦП
• 10 битный ЦАП с выделенным для него таймером и поддержкой DMA
• Четыре таймера/счетчика общего назначения с восемью входами захвата и десятью выходами сравнения. Каждый блок таймера имеет внешний вход счета и поддержку DMA
• Специализированный канал ШИМ для управления электродвигателями, включая трехфазные
• Один стандартный ШИМ/таймер с внешним входом счета
• Часы реального времени (RTC) с отдельным источником питания и генератором
• Сторожевой таймер (WDT)
• Таймер системных тиков с возможностью внешнего тактирования
• Таймер повторяющихся прерываний для программирования и повторения синхронизированных прерываний
• Каждая периферийная схема имеет собственный делитель тактового сигнала для большей экономии энергии
• Напряжение питания 3.3 В (2.4 В – 3.6 В)
• Области применения:
  • Электронные измерения
  • Осветительная аппаратура
  • Промышленные сети
  • Системы сигнализации
  • Предметы домашнего обихода
  • Управление электродвигателями

Таблица 1. Сравнение характеристик отладочных плат SimpleCortex и Arduino.

Параметры	SimpleCortex	Arduino UNO	Arduino MEGA
Flash-память	512 Кбайт	32 Кбайт	128 Кбайт
ОЗУ	64 Кбайт	2 Кбайт	8 Кбайт
EEPROM	Нет	1 Кбайт	4 Кбайт
Тактовая частота	120 МГц	16 МГц	16 МГц
Встроенный отладчик	Да	Нет	Нет
Слот MicroSD	Да	Нет	Нет
Интерфейс Ethernet	Да	Нет	Нет
Прерывания	30	2	6
Линии ввода/вывода	40	14	54
Интерфейс I2C	3	1	1
Интерфейс SPI	1	1	1
Модуль UART	4	1	3
АЦП	8	6	16
ЦАП	1	Нет	Нет
Каналы ШИМ	6	6	14

Гарантией того, что платформа будет проста в изучении, служат разработанные учебные материалы по периферии микроконтроллера, программные библиотеки функций и примеры приложений для быстрого старта. Для серьезных проектов необходим отладчик (которого нет в платформе Arduino), особенно полезный при работе, например, с новыми типами датчиков или устройств. Немаловажную роль играет и среда разработки кода. Для работы с SimpleCortex подходит Eclipse, имеющая множество функций и возможностей, но остающаяся при этом несложной в освоении и использовании. Очень удобна также, разработанная компанией CoCox, среда CoIDE. Она бесплатна, а часть ее программных инструментов имеет открытый исходный код.

В состав отладочной платы SimpleCortex входят источник питания, отладчик, микроконтроллер LPC1769 и интерфейс Ethernet.

Основной источник питания на микросхеме импульсного регулятора LM2575 вырабатывает напряжение +5 В из входного напряжения в диапазоне 7 … 40 В (Рисунок 2). Напряжение 3.3 В для питания микроконтроллера и периферии вырабатывает линейный стабилизатор LM1117. Кроме того, при подключении к ПК плата может питаться от интерфейса USB.

Рисунок 2.	Принципиальная схема источника питания и подключения средств организации пользовательского интерфейса отладочной платы SimpleCortex.

Встроенный USB отладчик выполнен на отдельном микроконтроллере LPC1343 и может использоваться для программирования по интерфейсу JTAG любых внешних микроконтроллеров, поддерживаемых средой CoIDE. Для этого на плате установлены разъем JTAG и DIP-переключатель DB-EX (Debugger Extern), который просто отключает питание от микроконтроллера платы SimpleCortex (Рисунки 3 и 4).

Рисунок 3.	Использование встроенного отладчика SimpleCortex для программирования микроконтроллеров во внешних устройствах.

Отладчик поддерживает обновление прошивки по интерфейсу USB с персонального компьютера, причем все сводится к подключению платы SimpleCortex к ПК, установке двух переключателей на отладочной плате и простой замене файла прошивки.

Рисунок 4.	Принципиальная схема отладчика платы SimpleCortex.

Микроконтроллер и периферия

Принципиальная схема отладочной платы SimpleCortex изображена на Рисунке 5. Все сигналы свободных линий ввода/вывода микроконтроллера доступны на разъемах, расположенных по периметру платы в соответствии с форм-фактором платформы Arduino. Для организации простого пользовательского интерфейса установлены 4 светодиода и 2 кнопки. Помимо пользовательских светодиодов имеются светодиоды статуса (наличие питания +5 В и 3.3 В, отладчик подключен к ПК и работает, ошибка отладки, отладчик занят), а также кнопки сброса и переключения в режим программирования внешнего микроконтроллера.

Интерфейс Ethernet выполнен на базе контроллера LAN7280 (10/100 Мбит) со всеми необходимыми компонентами обвязки. Стандартный разъем Ethernet со светодиодами статуса установлен на плату.

Каждый порт USB (а их на плате два – один для отладки, второй – USB Host) имеет защитный диод, а USB Host дополнительно имеет перемычку, которая устанавливается при необходимости подачи напряжения питания на USB устройство для чтения. Если порт USB Host используется для обмена по последовательному интерфейсу, перемычка не устанавливается.

Рисунок 5.	Принципиальная схема отладочной платы SimpleCortex.

Для подключения плат расширения Arduino используются стандартные для нее разъемы, назначение выводов и обозначения сигналов которых приведены на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Расположение разъемов, переключателей и светодиодов и сигналы линий ввода/вывода на плате SimpleCortex.

Загрузки

Принципиальная схема отладочной платы (Eagle), расположение и назначение разъемов платы – скачать

Часть 2 - Приступая к работе с платой SimpleCortex

brc-electronics.nl