Digilent Pmod i STM32 (7)

Przykłady dla wymienionych modułów zostały przygotowane dla środowiska Atollic TrueSTUDIO i zestawu uruchomieniowego KAmeLeon (www.kameleonboard.org) z wykorzystaniem biblioteki STM32Cube_FW_L4.

PmodBT2

Moduł PmodBT2 (fotografia 1 - otwierająca artykuł) z układem RN42 dostępnym w ofercie firmy Microchip, pozwala na komunikację za pośrednictwem interfejsu bezprzewodowego Bluetooth. Układ wspiera wersje 2.1, 2.0, 1.2 i 1.0 standardu i jest urządzeniem klasy drugiej o mocy wyjściowej 2,5 mW zapewniającym zasięg komunikacji do 10 m. Układ RN42 ma wbudowany stos Bluetooth implementujący profile zależnie od modelu urządzenia. Znajdujący się w module PmodBT2, układ RN42-I/RM implementuje profil SPP (Serial Port Profile) emulujący port szeregowy podczas połączenia dwóch urządzeń.

Komunikacja z modułem odbywa się za pośrednictwem interfejsu UART z dodatkowymi sygnałami RTS i CTS odpowiedzialnymi za kontrolę przepływu danych. Za pośrednictwem tego interfejsu można przesyłać dane, które bezpośrednio trafiają na łącze radiowe i do urządzenia połączonego z układem. Moduł jest domyślnie skonfigurowany do połączenia zgodnie z następującą konfiguracją:

• 115200 baud,
• 8 bitów danych,
• brak parzystości,
• 1 bit stopu,
• sprzętowa kontrola przepływu (RTS/CTS).

Moduł może także zostać wprowadzony w tryb komend, w którym można odczytać oraz zmienić jego konfigurację. Aby wejść do tego trybu należy wysłać sekwencję znaków: „$$$”, na którą układ RN42 powinien odpowiedzieć przez wysłanie ”CMDrn”. Każda komenda składa się z jednego lub dwóch znaków i opcjonalnych argumentów oddzielonych przecinkiem. Na końcu komendy należy wysłać znak ‘r’, po którym można spodziewać się odpowiedzi od modułu. W przykładzie została użyta tylko jedna z komend, służąca do odczytu wersji firmware’u: „Vr”, na którą moduł odpowiada, wysyłając odpowiedni napis z wersją oprogramowania: „Ver 6.15 04/26/2013nr(c) Roving Networksrn”. Wszystkie wspierane komendy można znaleźć w dokumentacji: http://bit.ly/2LtppPY. Aby zakończyć tryb wprowadzania komend należy wysłać „---r” (trzy minusy i powrót karetki), na co układ powinien odpowiedzieć przesyłając „ENDnr” i przechodząc z powrotem do trybu transmisji danych.

Oprócz sygnałów odpowiedzialnych za komunikację za pośrednictwem interfejsu UART, PmodBT2 udostępnia także kilka linii GPIO do kontrolowania oraz monitorowania pracy układu RN42. Sygnały te zostały przedstawione w tabeli 1.

Sygnały podłączone do złączy JP1, JP2, JP3 i JP4 można ustawić w stan wysoki za pomocą zworek – domyślnie są one wszystkie w stanie niskim. PmodBT2 ma także złącze J2, na którym znajdują się sygnały interfejsu SPI, przez który można aktualizować oprogramowanie układu RN42.

Moduł PmodBT2 ma złącze Pmod dla interfejsu UART, typu 4A. W miejsce sygnału INT został podłączony sygnał STATUS (PIO2), informujący o stanie połączenia. W przykładzie, moduł został podłączony do złącza oznaczonego jako ARDUINO CONNECTOR na płytce KAmeLeon według tabeli 2.

Kod do obsługi opisywanego modułu został umieszczony w plikach: źródłowym src/PmodBT2.c oraz nagłówkowym inc/PmodBT2.h. Funkcja PmodBT2_Config konfiguruje piny dla sygnałów ~RST i STATUS. Pin PB12 jest ustawiony jako źródło przerwania na obu zboczach, tak aby można było zaobserwować zmiany stanu połączenia. Następnie układ RN42 jest resetowany pinem PB15 i konfigurowany jest interfejs UART3 zgodnie z domyślną konfiguracją modułu. Procedura konfiguracji została przedstawiona na listingu 1.

Wszystkie cztery piny podłączone do interfejsu USART3 są konfigurowane w funkcji PmodBT2_HAL_UART_MspInit, która podobnie jak w przypadku innych modułów wykorzystujących ten interfejs, jest wywoływana w funkcji HAL_UART_MspInit w pliku main.c. Decyduje ona o tym, który interfejs powinien zostać skonfigurowany i wywołuje konfigurację USART3 dla PmodBT2, lub LPUART1 dla modułu Serial. Wspomniane funkcje znajdują się na listingach 2 i 3.

Kolejna z funkcji znajdujących się w pliku PmodBT2.c – PmodBT2_ReadVersion, stanowi przykład użycia trybu komend układu RN42. Funkcja przełącza tryb, odczytuje wersję oprogramowania i przywraca tryb danych. Po każdym kroku sprawdzana jest poprawność otrzymanej odpowiedzi. Dane o wersji wpisywane są do przekazanego w argumencie bufora, a długość pierwszej linii odpowiedzi układu wpisywana jest do odpowiedniego wskaźnika. Cała funkcja znajduje się na listingu 4.

Ostatnie dwie funkcje: PmodBT2_Write i PmodBT2_Read są jedynie wrapperami na funkcje biblioteczne inicjalizujące odpowiednio zapis i odczyt z wykorzystaniem przerwań.

W przykładzie zaimplementowane zostały dwie funkcje obsługujące przerwania od interfejsu UART, wykonywane po zakończeniu odbioru znaku i wysłaniu bufora. Pierwsza z nich zapisuje dane do bufora i jeżeli odebrany znak jest nową linią (‘n’), to inicjalizuje transmisję odebranych danych poprzedzonych napisem „PmodBT2 ECHO: ”. Kod obsługujący koniec transmisji sprawdza, czy w buforze znajdują się dane do wysłania. Jeżeli tak, to rozpoczynany jest kolejny zapis, w przeciwnym razie następnie odczyt kolejnej porcji danych. Opisane funkcje obsługi przerwań przedstawione zostały na listingu 5.

Główna funkcja programu – main, zajmuje się konfiguracją systemu oraz modułu PmodBT2. Następnie odczytywana jest wersja oprogramowania, a odpowiedź układu wysyłana jest na interfejs LPUART1 dostępny jako wirtualny port szeregowy po podłączeniu KAmeLeona do komputera. Na koniec program przechodzi do nasłuchu nadchodzących danych, które automatycznie odsyłane są do nadawcy. Dodatkowo stan połączenia sygnalizowany jest za pomocą diody LED1 podłączonej do pinu PC7. Efekt działania programu można zaobserwować na fotografii 2. Do celów demonstracji została użyta aplikacja Serial Bluetooth Terminal dla systemu Android.

Fotografia 2. Efekt działania programu

PmodTC1

PmodTC1 (fotografia 3) jest modułem do pomiaru temperatury w zakresie od –73°C do 482°C i z dokładnością ±2°C za pomocą termopary. Składa się on z dwóch elementów – termopary typu K oraz układu MAX31855, będącego przetwornikiem z kompensacją temperatury zimnego złącza. Jest to konieczne ze względu na konieczność utrzymywania tzw. zimnych końców termopary w ściśle określonej temperaturze, najczęściej 0°C. Zastosowanie kompensacji usuwa to ograniczenie przez pomiar temperatury otoczenia, która jest jednocześnie temperaturą zimnego złącza.

Fotografia 3. Moduł PmodTC1

Moduł PmodTC1 ma dwa złącza – J1 do podłączenia termopary oraz J2 z interfejsem SPI. Przy podłączaniu termopary należy zwrócić uwagę na oznaczenia poszczególnych przewodów – kolor oplotu każdego z nich (żółty i czerwony) odpowiadają oznaczeniom obu terminali złącza (T+ YLW, T– RED). Drugie ze złączy odpowiada standardowemu złączu Pmod SPI typu 2, bez sygnału MOSI, ponieważ komunikacja odbywa się tylko w jednym kierunku. Moduł może być podłączony do złącza Pmod-SPI zestawu KAmeLeon, w którym schemat połączenia z pinami mikrokontrolera wygląda tak, jak zostało to przedstawione w tabeli 3. Podłączony moduł jest widoczny na fotografii 4.

Fotografia 4. Moduł PmodTC1 podłączony do zestawu KAmeLeon

Układ MAX31855 nie wymaga konfiguracji, a odczyt danych odbywa się za pośrednictwem interfejsu SPI. Dane zwracane przez moduł są zakodowane na 32 bitach, tak ja na rysunku 5. Poszczególne pola bitowe zostały wyjaśnione w tabeli 4.

Rysunek 5. Kodowanie danych wysyłanych przez moduł PmodTC1

Konwersja temperatury nie wymaga wyzwalania, ponieważ jest wykonywana przez cały czas. Czas trwania pojedynczej konwersji to 100 ms. Wartości zmierzone przechowywane w pamięci, a także flagi błędów są aktualizowane tylko wtedy kiedy sygnał CS jest w stanie wysokim, czyli nie ma aktywnej transmisji danych. Należy także pamiętać, że układ jest gotowy do pracy dopiero po 200 ms od włączenia zasilania.

Kod do konfiguracji modułu PmodTC1 znajduje się w funkcji PmodTC1_Config w pliku src/PmodTC1.c. Funkcja ta konfiguruje interfejs SPI1 w trybie 1 (CPOL = 0, CPHA = 1), z programową kontrolą sygnału CS i danymi o długości 16 bitów. Dodatkowo SPI jest konfigurowany w trybie tylko do odczytu ze względu na brakujący sygnał MOSI. Opisana konfiguracja została przedstawiona na listingu 6. Inicjalizacja GPIO znajduje się tak jak zwykle w funkcji HAL_SPI_MspInit, która jest wołana przez bibliotekę STM32Cube wewnątrz funkcji HAL_SPI_Init.

Za odczyt danych odpowiedzialna jest funkcja PmodTC1_GetValues, która odczytuje 32-bitowe dane w postaci dwóch słów 16-bitowych i konwertuje je na dwie wartości zmiennoprzecinkowe. W każdym z dwóch słów sprawdzany jest bit znaku znajdujący się na najstarszym bicie. Jego wartość jest zapamiętywana i uwzględniana po konwersji liczby stałoprzecinkowej na zmiennoprzecinkową. Należy pamiętać o tym, że każda z wartości jest przesunięta ze względu na bity przechowujące kody błędów i bity nieużywane. Procedura konwersji została pokazana na listingu 7.

W głównej pętli programu dane z modułu są odczytywane co 500 ms, a zmierzone wartości temperatury i kody błędów są wysyłane na port szeregowy LPUART1, za pośrednictwem funkcji Serial_Write.

PmodCLP

Ostatni z opisywanych w tej części cyklu – PmodCLP (fotografia 6), ma wyświetlacz znakowy LCD zawierający 2 linie po 16 znaków. W roli kontrolera wyświetlacza użyto układu KS0066 firmy Samsung obsługującego wyświetlacze jedno- i dwuliniowe. Komunikacja z nim odbywa się za pomocą interfejsu równoległego, przez który są wysyłane zarówno komendy jak i dane do wyświetlenia.

Fotografia 6. Wyświetlacz znakowy modułu PmodCLPUkład KS0066 ma trzy typy wewnętrznej pamięci:

• CGROM – zawiera predefiniowany zestaw 192 znaków o rozmiarze 5×8 pikseli,
• CGRAM – umożliwiająca zdefiniowanie do 8 znaków użytkownika,
• DDRAM – przechowująca aktualnie wyświetlany zestaw znaków.

Wyświetlenie napisu jest możliwe przez zapis do pamięci DDRAM za pośrednictwem interfejsu równoległego, którego sygnały przedstawiono w tabeli 5. Za jego pomocą można także konfigurować wyświetlacz wysyłając do niego instrukcje. Część dostępnych instrukcji, użytych w przykładzie, razem z wybranymi parametrami została przedstawiona w tabeli 6. Szczegóły dotyczące wszystkich instrukcji oraz ich struktury znajdują się w dokumentacji modułu, na stronie: http://bit.ly/2SfhLLy

Ze względu na dużą liczbę sygnałów, moduł PmodCLP został w przykładzie podłączony do złącza ARDUINO CONNECTOR według tabeli 7. W przykładzie używane są tylko komendy do zapisu danych i instrukcji, dlatego piny mikrokontrolera mogą być skonfigurowane wyłącznie jako wyjścia.

Obsługa wyświetlacza znajduje się w plikach inc/PmodCLP.h oraz src/PmodCLP.c. W pierwszym z nich znajdują się definicje użytych pinów, portów oraz funkcji włączających sygnały zegarowe. Służą one ułatwieniu konfiguracji ze względu na dużą liczbę sygnałów. Za samą konfigurację odpowiedzialna jest funkcja PmodCLP_Config. Włącza sygnały zegarowe dla kolejnych portów oraz konfiguruje piny jako wyjścia. Następnie przeprowadzana jest inicjalizacja wyświetlacza, którą przedstawiono na listingu 8. Jest ona zgodna z procedują inicjalizacji przedstawioną w dokumentacji modułu, natomiast użyte w niej komendy zostały wyjaśnione w tabeli 6. Zastosowane pomiędzy instrukcjami opóźnienia zostały wydłużone ze względu na ograniczenie funkcji bibliotecznej HAL_Delay, która przyjmuje jedynie całkowitą liczbę milisekund.

Podczas konfiguracji wykorzystywane są następujące funkcje pomocnicze ułatwiające zarządzanie pinami i korzystanie z interfejsu równoległego:

• configGpio – konfiguruje podany pin GPIO jako wyjście,
• setGpio – ustawia podany pin w stan wysoki,
• resetGpio – ustawia podany pin w stan niski,
• writeGpio – ustawia podany pin w dowolny stan przekazany jako argument,
• setDataBits – wystawia podaną wartość 8-bitową na liniach DB7 – DB0,
• writeCommand – wysyła podaną instrukcję,
• writeData – wysyła podany bajt danych.

Do wyświetlania napisów została zaimplementowana funkcja PmodCLP_Write, przedstawiona na listingu 9. Przyjmuje ona numer linii oraz napis wraz z jego długością, a następnie wysyła go do wyświetlacza. Wybór linii (0, lub 1), odbywa się przez zapis instrukcji ustawiającej kursor na odpowiednim adresie pamięci DDRAM. Dane do wyświetlacza mogą być wysłane bezpośrednio w kodzie ASCII, ze względu na zastosowane mapowanie kodów znaków w pamięci CGROM.

Główna funkcja programu – main, wywołuje funkcję konfiguracji modułu PmodCLP oraz wyświetla teksty:

"Hello PmodCLP!
KAmeleon Boar"

Efekt działania programu jest widoczny na fotografii 7.

Fotografia 7. Wyświetlanie napisu na module PmodCLP

Krzysztof Chojnowski