使用遠端微控制器除錯器加速配置工業自動化設施

工業自動化設施逐漸採用微控制器型單板電腦 (SBC) 來控制設施操作，以便提升效率及生產力。SBC 通常是現成 SBC 搭配可配置的韌體組成，客製化 SBC 則搭配客製化韌體。然而，若是新型工業設施，或是剛經過重新配置的既有設施，SBC 韌體可能要進行修改，以改善作業或修正程式碼臭蟲。

本文將探討 SBC 扮演的角色，以及遠端除錯在工業環境中越來越重要的原因。接著將介紹 MikroElektronika 的遠端除錯器及相關軟體，並說明其如何連接 Wi-Fi 網路，以便對絕大多數 SBC 中的 Arm® 微控制器進行除錯。

工業電腦中的 SBC

現代工業自動化設施不斷受到增加產能的壓力，因此必須透過更高精密度來改善製程管理。方法包括使用高解析度的感測器，以提供更準確的資料給控制韌體。除此之外，馬達與螺線管等致動器亦可升級，即可用更細微的增量進行活動。

更高準確度且更高解析度的感測器及致動器安裝到位後，SBC 中負責管理這些裝置的控制韌體就必須進行修改，以發揮解析度提高的優勢。若韌體升級無法由目前的 SBC 處理，就要安裝新的 SBC。無論何種情況，新韌體一般都要在工作台進行測試與除錯後，才可安裝到工業設施中。初次測試後，新系統就可開始運作。

然而，若是更複雜的製程，除錯及編程的工作則尚未結束。系統上運作時可能會出現生產前測試期間並未發現的問題。在許多情況下，要達到韌體最佳化的唯一方法就是在 SBC 使用期間進行除錯。

新的工業自動化設施也面臨同樣問題。尤其是高效能系統，其韌體控制迴路必須進行微調，以符合效率要求。無論工業設施是新型或經過升級，停機時間都相當昂貴，必須要盡可能縮短。也就是說，SBC 必須在系統上進行除錯與編程。

工業嵌入式系統的遠端除錯

對工業系統中的 SBC 進行除錯，跟任何微控制器型系統的除錯沒有不一樣。除錯器必須用纜線從微控制器的除錯埠實體連接到 PC，然後執行除錯軟體程式。技術人員接著會在韌體執行期間，在電腦上檢視韌體並進行除錯。若現場要除錯的 SBC 很多，會相當耗時，因為技術人員必須要走到 SBC 所在的各個實際位置。若有些 SBC 位於嚴峻環境，或相當偏遠或難以進入的地點，困難度就更高了。除此之外，通常只有少數技術人員熟悉客製化韌體，因此這些技術人員要在短時間內對中眾多系統進行除錯，會導致程序變複雜而讓流程延誤。

解決方案就是使用遠端除錯器，雖然實體連接到 SBC，但可透過位於他處的連網 PC 提供除錯能力。遠端除錯器可插入到 SBC 的微控制器除錯埠，同時透過 Wi-Fi 連接到設施的網路。位於便利地點但相同網路內的 PC，即可用來存取任一個遠端除錯器。技術人員接著就可在遠端 PC 完成除錯作業。

為了執行遠端除錯，工程師可使用 Mikroe 的 CodeGrip 系列遠端除錯器，透過 Wi-Fi 連接到遠端 PC，即可支援多種 Arm 微控制器的編程與除錯。MIKROE-3460 CodeGrip Wi-Fi 除錯器可用於具有 JTAG 連接埠的絕大多數 Arm 微控制器 (圖 1)。此外也支援絕大多數 Arm Cortex-M3、 Cortex-M4, and Cortex-M7 微控制器上的 Arm 序列線輸出 (SWO) 單線除錯埠。

圖 1：MIKROE-3460 CodeGrip 遠端除錯器會實體連接到 SBC 的除錯 JATG 或 SWO 連接埠。可透過 Wi-Fi 進行遠端存取，即可對 Arm 微控制器韌體進行編程或除錯。(圖片來源： Mikroe)

Mikroe 的 MIKROE-3460 CodeGrip 實體放置在 Arm 架構 SBC 旁。其連接埠可連接到板連接器上的 JTAG 或 SWO 連接埠。接著可透過 USB 暫時連接到筆記型電腦，即可開始配置 CodeGrip 單元，以便進行微控制器除錯。針對高效能系統，CodeGrip 單元有提供 USB-C 連接器。USB-C 連接器不像之前的 USB 連接器，沒有上下兩面的分別，對於擁擠情況來說特別有用，可節省時間並減少挫折感。

連接到 CodeGrip 的筆記型電腦必須執行 Mikroe 的 CodeGrip Suite，才可開始配置 CodeGrip 單元。CodeGrip 單元用五個 LED 燈指出運作狀態 (圖 2)。如此即可讓現場工程師瞭解關鍵的狀態資訊，確保單元正確運作，無需連接到筆記型電腦。正確供電後，綠色的電源 LED 燈會亮起。CodeGrip 單元正常操作下，紅色的運作 LED 燈也會亮起。若綠色 LED 燈亮起，但紅色 LED 燈熄滅，則代表 TAG/SWO 連接埠的連接不良或未連接；現場技術人員可透過此重要資訊得知，可能要重新插拔或替換除錯纜線。

圖 2：CodeGrip 單元可透過五個 LED 燈提供關鍵的狀態資訊，能在現場快速目視檢查，無需連接筆記型電腦。(圖片來源：Mikroe)

用 USB 連接到筆記型電腦後，CodeGrip 單元上的黃色 USB-LINK LED 燈會亮起，代表連接成功。使用者接著就可透過 USB 連線，執行 CodeGrip Suite 來配置 CodeGrip 單元。

配置 CodeGrip Suite

CodeGrip Suite 通常可自動偵測 SBC 上的 Arm 微控制器，但亦可手動配置核心類型、快閃記憶體大小以及 RAM 組態。但並非所有的 Arm 產品系列皆可用相同的除錯器輕鬆配置。若是 STMicroelectronics 的 STM32 Arm 系列，Mikroe 則提供 MIKROE-3461 CodeGrip 單元。NXP Semiconductors 的 Kinetis 系列則由 MIKROE-3462 CodeGrip 提供支援。無論是以上任何類型，CodeGrip 單元及 CodeGrip Suite 的操作都相同。

連接且配置後，CodeGrip Suite 即可在現場進行編程與除錯作業。傳輸任何資料到 CodeGrip 時，藍色的數據 LED 燈會閃爍，代表資料正在 CodeGrip 單元與 CodeGrip Suite 之間傳輸。這表示 CodeGrip 單元正常操作中，且正在對 SBC 進行編程或除錯。

若要遠端除錯，CodeGrip 可設定成透過 Wi-Fi 連接到執行 CdoeGrip Suite 的遠端 PC。為了確保安全性及效能，用來連接到 CodeGrip 單元的 Wi-Fi 網路應該與工業設施中用的其他 Wi-Fi 網路有所區隔。透過 Wi-Fi 將大型的 .bin 或 .hex 檔案傳送到 CodeGrip 單元，就像是下載大型檔案到 PC 一樣，都會讓整個網路速度變慢。若遠端 PC 順利連接到 CodeGrip 單元， CodeGrip 單元上的橘色 NET-LINK LED 燈會亮起，表示已經順利連接。CodeGrip 單元配置後，透過 USB 連接的筆記型電腦就可斷開。

CodeGrip Suite 可以對目標微控制器上整個快閃記憶體進行讀取、編程及抹除。亦可將微控制器快閃記憶體的內容，與來源檔案進行比對，藉此確認韌體的可信度且未經過竄改。在安全稽查時也相當有用，可用來確認韌體的安全性，而不用走到各個 SBC 的實體所在位置。

CodeGrip Suite 亦可執行目標微控制器的硬體重置作業。這對故障的 SBC 或是懷疑有安全漏洞時相當有用。通常來說，重置後的 SBC，開機時會執行內建的自我測試 (BIST)，其中包括安全檢查項目，以確定裝置正常運作且未遭到竄改。

Mikroe CodeGrip 有個強大功能，就是可支援 Arm SWO 即時除錯埠。SWO 引腳會傳輸與 Arm 微控制器狀態相關的除錯資訊，並可用來提供與韌體操作相關的即時狀態與追溯資訊。Mikroe 提供 SWO 函式庫，並有功能可增強 CodeGrip Suite 的除錯能力 (圖 3)。如此一來，即可輕鬆在遠端對微控制器韌體進行監測與除錯。

圖 3：CodeGrip Suite 可透過 SWO 連接埠傳輸資料，提供與 Arm 微控制器有關的即時除錯與追溯資訊。除錯資訊有色彩編碼，可輕易參照。(圖片來源：Mikroe)

SWO 訊息分為三種訊息類別：資訊、警告及錯誤。CodeGrip 可顯示任一種或全部的訊息類別。顯示的訊息經過色彩編碼，可輕易參照。藍色代表資訊，黃色為警告，紅色為錯誤。因此，使用者可快速判定該查看的項目，亦可輕易優先處理錯誤訊息，其次為警告，最後為資訊。

結論

對工業設施中的 SBC 進行除錯，同時維持系統上作業，是相當耗時的工作，尤其是有許多 SBC 要編程及除錯時。此外，要走到各個不同地點才能進行作業，也並非長久之計。如本文所述，使用 CodeGrip 等裝置及相關軟體，透過 Wi-Fi 進行遠端除錯，即可節省時間同時提升生產力。