radar_system/device_firmware/switch_controller

Контроллер выходного ключа

Прошивка STM32, которая переключает выходной СВЧ-ключ внутри частотной точки — вторая половина режима, описанного в ../per_point_switching.md. Плата и тулчейн те же, что у пульта тележки: WeAct STM32G431CB, PlatformIO.

Подключение

мастер TRIGGER_OUT ──► PB0   [STM32]   PB1 ──► слейв 1 TRIGGER_IN
                                       PB2 ──► ключ выходного порта 1
                                       PB6 ──► ключ выходного порта 2
                                       PB5 ──► отладочный выход

Контроллер встаёт в разрыв линии между мастером и первым слейвом, остальная часть кольца (слейв 1 → слейв 2 → мастер) не трогается. Это безопасно: в режиме Mode::Trigger прошивка LibreVNA уводит собственный STM32 прибора в Hi-Z на обеих триггерных линиях, так что и вход слейва, и выход мастера свободны.

У каждого ключа своя нога: PB2 — ключ выходного порта 1, PB6 — ключ порта 2. В штатном режиме оба идут в одно и то же положение, потому что положение зависит только от номера стадии, а не от того, какой порт сейчас излучает. Раздельные линии нужны по двум причинам: не вешать два входа параллельно на один вывод и иметь возможность развести ключи независимо.

Оба вывода лежат на порту B, и это существенно: положение меняется одной записью в BSRR (младшая половина слова ставит биты, старшая сбрасывает), поэтому ноги переключаются в одном такте, без взаимного сдвига. Если менять распиновку, оставляйте оба вывода на одном порту.

Если у конкретного ключа положению A соответствует логическая единица, инверсию можно включить отдельно для каждого — константы kSwitchPort1ActiveLow и kSwitchPort2ActiveLow. Если у ключа больше двух состояний, лишние входы замыкаются джампером.

PB6 выбран как свободный вывод порта B без отладочной функции. PB3 (SWO) и PB4 (NJTRST) занимать не стоит — они мешают отладчику.

Прошивка рассчитана ровно на два положения ключа (stimulus_switch_positions: 2 на хосте). Хост технически допускает и 4 положения, но тогда положение перестаёт быть простым чередованием одного бита и потребуется контроллер на две управляющие линии — эта прошивка для такого режима не годится.

Если положению A соответствует лог. 1, а не 0 — поменяйте kSwitchActiveLow в src/main.cpp.

Как это работает

Прибор измеряет каждую частоту в 4 стадии: порт 1 в положениях A и B ключа, затем порт 2 в тех же положениях. Положение ключа — это младший бит номера стадии, а период 2 нацело делит 4 стадии, поэтому нужная последовательность — непрерывное чередование A B A B A B …, не прерывающееся на границе точки. Контроллеру достаточно инвертировать ногу на каждый цикл триггера; абсолютный счётчик стадий не нужен.

Переключение делается по спаду триггера. Спад означает «оцифровка стадии закончилась»; сразу за ним прибор уходит в состояние успокоения следующей стадии, и это окно (dwell_us плюс собственная задержка PLL прибора, ~62 мкс при dwell_us = 2) целиком покрывает установление ключа. Переключение по фронту заставило бы удерживать кольцо на время установления и удлинило бы каждую стадию.

Восстановление чётности

Чередование самодостаточно, но один пропущенный или лишний фронт инвертирует чётность навсегда и молча меняет антенны местами. Поэтому контроллер дополнительно распознаёт границу точки по длине паузы:

Пауза	Длительность	Из чего состоит
между стадиями	базовая	только время успокоения
между точками	базовая +	перезагрузка регистров PLL мастера
между развёртками	базовая + +	ещё и работа хоста между свипами

Пауза длиннее межстадийной означает, что следующий триггер начнёт стадию 0, то есть положение A. Контроллер выставляет A принудительно, независимо от накопленной чётности — то есть чинит рассинхрон на каждой точке, а не один раз на развёртку.

Порог подстраивается сам: межстадийная пауза — это минимальная регулярно повторяющаяся пауза, поэтому за порог берётся минимум по скользящему окну, умноженный на kBoundaryFactorNum / kBoundaryFactorDen (по умолчанию 1.5). Пока минимум не набран, восстановление молчит — чередование корректно и без него.

Измерено на железе 2026-09-11: коэффициент 1.5 мал

Первый прогон с замкнутой петлёй (мастер + 2 слейва, dwell_us = 2, IFBW 50 кГц, 201 точка, 4 стадии на точку) дал по CDC:

trigger cycles      : 6432
point boundaries    : 96          <- ожидалось бы 6432 / 4 = 1608
parity corrections  : 0  (ok)
stages per point    : 124 (ожидается 4), отклонений: 80
gap min/max, us     : 62 / 14364445
inter-stage gap, us : 62
boundary above, us  : 94

Межстадийная пауза 62 мкс — точно как считалось (dwell 2 + задержка PLL 60). А границы точек распознаются примерно раз в 67 стадий вместо каждых четырёх. Значит пауза на границе точки обычно не дотягивает до 1.5×, то есть до 94 мкс: перезагрузка регистров PLL и ожидание захвата добавляют к успокоению меньше половины от него.

На работу это не влияет, и parity corrections : 0 тому подтверждение. Переключение идёт на каждом спаде безусловно, а стадий на точку чётное число (4), поэтому чередование A B A B само собой возвращается к A на новой точке. Распознавание границы — только страховка от уже случившегося сбоя чётности.

Но страховка сейчас почти не работает: пропущенный фронт исправится не через четыре стадии, а через несколько десятков. И диагностика stages per point бесполезна. Чтобы починить, нужно измерить осциллографом фактическое распределение пауз на PB0 и выбрать коэффициент по нему, а не по догадке. До тех пор значения stages per point и point boundaries в отчёте читать нельзя.

Надо ли перекалибровывать паузу под каждую настройку

Нет, порог подстраивается сам, и вот что на него влияет, а что нет.

IFBW не влияет. Он меняет длительность оцифровки, то есть интервал от фронта до спада, а контроллер меряет паузу от спада до следующего фронта. Это разные интервалы. Плюс переключение делается по спаду, когда оцифровка уже закончилась, а детектор границы во время оцифровки вообще неактивен — так что сдвинуть ключ посреди измерения он не может ни при каком IFBW.

Число точек, полоса, мощность не влияют — паузы от них не зависят.

Влияют dwell_us и задержка PLL прибора: они и есть время успокоения, то есть сама пауза. Но подстройка на это и рассчитана — окно минимума короткое (16 отсчётов), поэтому новое значение подхватывается за считанные точки. Ручной калибровки не требуется.

Смена диапазона внутри развёртки безопасна. На точках нижнего диапазона прибор останавливает развёртку и работает с Si5351 по I2C — такие паузы намного длиннее обычных. Логика от этого не ломается: остановка всегда происходит на границе точки, перед стадией 0, а значит «длинная пауза → следующая стадия нулевая → положение A» остаётся верным.

Множитель намеренно щедрый. Ложное срабатывание посреди точки испортит данные, а несрабатывание всего лишь отключит страховку. Если по отчёту видно, что границы не распознаются вообще (point boundaries близко к нулю при ненулевом trigger cycles), множитель можно снижать — но не ниже реального отношения межточечной паузы к межстадийной, которое видно там же в отчёте.

Задержка

Зеркалирование занимает ~50 нс и на измерения не влияет: мастер стартует оцифровку по своему TRIGGER_IN, который приходит с конца кольца, то есть тоже после контроллера. Задержка общая для всех трёх приборов, взаимные сдвиги мастер/слейвы задаются только межFPGA-передачей, и в отношении «приёмник/опорник» она сокращается. Единственный эффект — развёртка длиннее на ~2 × задержку × число стадий.

Диагностика

PB5 — импульс 2 мкс каждый раз, когда чётность пришлось чинить. В исправной системе эта нога молчит: предсказание чередованием уже даёт нужное положение на границе точки. Постоянные импульсы означают, что фронты теряются или порог распознавания границы занижен.

PB2 и PB6 — положение ключей, смотрятся осциллографом вместе с триггером: на одной частоте должно быть ровно 4 стадии и два полных периода A B A B. Оба вывода обязаны меняться одновременно и в одну сторону — расхождение между ними означает ошибку в распиновке или в константах инверсии.

USB CDC (115200) — отчёт печатается один раз, когда на линии триггера тишина дольше 200 мс, то есть когда развёртка остановлена. Во время работы печати нет: Serial блокирует зеркалирование, а пропущенные фронты сбили бы чётность. Ключевые строки:

parity corrections  : 0        (ok)          <- в норме всегда 0
stages per point    : 4 (ожидается 4), отклонений: 0
inter-stage gap, us : 62
boundary above, us  : 93

stages per point — самопроверка распознавания границ: если оно верное, между двумя границами всегда ровно 4 стадии. Любое другое число означает, что порог подобран неправильно.

Сборка и прошивка

cd device_firmware/switch_controller
pio run                 # сборка
pio run -t upload       # прошить через ST-Link
pio device monitor      # отчёт по USB CDC