Przemysłowy Internet Rzeczy (3). Mikrokontroler CC1310 - programowanie kontrolera czujników

W obudowie mikrokontrolera CC1310 umieszczono: procesor użytkownika z rdzeniem ARM Cortex-M3 (wraz z blokami peryferyjnymi), procesor dedykowany do transmisji radiowej w paśmie ISM poniżej 1 GHz z rdzeniem ARM Cortex-M0, przetwornicę DC/DC oraz przedmiot dzisiejszego artykułu kontroler czujników pomiarowych. Schemat blokowy mikrokontrolera CC1310 pokazano na rysunku 1.

Sensor Controller

Wbudowany w mikrokontroler CC1310 kontroler czujników jest zarządzany przez 16-bitowy, energooszczędny mikroprocesor. Moduł kontrolera czujników wyposażono w 2 kB pamięci operacyjnej SRAM oraz liczne moduły peryferyjne (12-bitowy przetwornik A/C, dwa komparatory analogowe, jeden licznik Timer0, źródło prądowe, konwerter czas/cyfra TDC ). Zaimplementowano programową obsługę interfejsów szeregowych SPI, I²C oraz emulator interfejsu UART. Kontroler czujników ma zasilanie oraz taktowanie niezależne od rdzenia CPU mikrokontrolera CC1310.

Programowanie pracy kontrolera czujników polega na budowaniu zadań (tasks). Podstawowe zadania, które można oprogramować to:

- odczyt wartości z czujników analogowych (użycie przetwornika A/C oraz komparatora analogowego),
- odczyt wartości z czujników cyfrowych (użycie interfejsów szeregowych SPI, I²C, UART ),
- obsługa przycisków i klawiatur pojemnościowych (użycie źródła prądowego, komparatora oraz konwertera czas/cyfra).

Kontroler czujników może mieć zaprogramowane aż 8 zadań, przy czym tylko jedno zadanie może mieć blok programu, którego wykonanie jest aktywowane przez zdarzenie (odmierzenie zdefiniowanego odcinka czasu albo zmiana poziomu logicznego na wyjściu komparatora, albo zmiany poziomu logicznego na wyjściu I/O mikrokontrolera).

Zadania dla kontrolera czujników tworzymy w przygotowanym przez Texas Instruments oprogramowaniu Sensor Controller Studio. Język programowania zadań jest zbliżony do języka C. Każde zadanie składa się z trzech podstawowych bloków kodu programu:

- Initialization (inicjalizacja zadania – wykonywana raz na początku zadania).
- Execution (wykonanie zadania – wykonywane cyklicznie zgodnie z harmonogramem zegara RTC ).
- Ttermination (zakończenie zadania – wykonywane raz przy kończeniu zadania).

Zadanie z obsługą zdarzenia ma dodatkowy blok kodu programu event handling (obsługa zdarzenia – kod programu jest wykonywany po wystąpieniu zdefiniowanego zdarzenia).

Korzystając z oprogramowania Sensor Controller Studio możemy nie tylko tworzyć zadania, ale także testować i emulować ich działanie. Produktem wyjściowym oprogramowania jest sterownik Sensor Controller Interface w skrócie SCIF. Kod źródłowy sterownika jest zapisywany w plikach o funkcjonalności opisanej w tabeli 1. Podczas tworzenia oprogramowania pliki sterownika SCIF wygenerowane za pomocą Sensor Controller Studio dołączamy do projektu w Code Composer Studio.

Wykonując zadania kontroler czujników pracuje w trybie aktywnym. W pozostałym czasie pracy jest wprowadzany w tryb uśpienia. W trybie aktywnym rdzeń kontrolera czujników jest taktowany przebiegiem zegarowym o częstotliwości maksymalnej 24 MHz. W trybie uśpienia, gdy żadne z zadań nie ma zdefiniowanej obsługi zdarzenia, rdzeń kontrolera jest wyłączony. Jeśli któreś z zadań ma włączoną obsługę zdarzenia, to rdzeń kontrolera jest taktowany przebiegiem o częstotliwości zegarkowej 32,768 kHz. Zmiana trybu pracy z aktywnego na tryb uśpienia i odwrotnie jest wykonywana automatycznie bez udziału programisty. 

Kontroler czujników nie posiada dostępu do pamięci SRAM, FLASH oraz do modułów peryferyjnych i rejestrów mikrokontrolera CC1310. Z drugiej strony, jednostka centralna MCU mikrokontrolera CC1310 ma dostęp do modułów peryferyjnych oraz pamięci SRAM kontrolera czujników.

Programując pracę kontrolera czujników dla każdego zadania możemy zdefiniować zmienne globalne. Chcąc zdefiniować zmienne najpierw musimy jednak utworzyć strukturę, w której będą przechowywane. Do dyspozycji mamy cztery rodzaje struktur a zmienne umieszczamy w strukturach zgodnie z ich funkcjonalnością. Dostępne struktury danych to: cfg (zmienne do konfigurowania zadań), input (zmienne z danymi wejściowymi np.: konfiguracja parametrów czujników pomiarowych), output (dane wyjściowe np.: wyniki pomiarów), state (zmienne wewnętrzne np.: stan wykonania pomiaru). Struktury są tworzone w pamięci SRAM kontrolera czujników i mogą być buforowane pojedynczo lub wielokrotnie.

Żeby uzyskać dostęp do danych jednostka CPU mikrokontrolera CC1310 może cyklicznie sprawdzać stan kontrolera czujników i w momencie, gdy zmienne będą dostępne (kontroler nie wykonuje zadania) uzyskać do nich dostęp. Chęć wymiany danych może być również zainicjowana przez zadanie. W takim przypadku to zadanie zgłaszając przerwanie alarmuje jednostkę CPU o chęci wymiany danych (przykładowo wymiana danych ze struktury output po zakończeniu pomiaru).

Sensor Controller Studio

Sposób pobrania i zainstalowania oprogramowania Sensor Controller Studio prezentowaliśmy w poprzedniej części kursu (EP11/2016). Zainstalowane zostało oprogramowanie w wersji 1.3.0.

Uruchamiamy aplikację i sprawdzamy czy są dostępne aktualizacje. W tym celu z menu programu z zakładki Updates wybieramy Check for updates. Jeśli aktualizacje są dostępne to w prawym górnym roku okna aplikacji zostanie wyświetlona informacja o najnowszej wersji programu. W naszym wypadku jest dostępna nowa wersja aplikacji. Ponownie uruchamiamy zakładkę Updates i wybierając zakładkę Manage Updates uruchamiamy panel zarządzania aktualizacjami. Z dostępnych opcji wybieramy Get Installer. Pobieramy i instalujemy najnowszą wersje oprogramowanie Sensor Controller Studio (w chwili pisania artykułu jest to wersja o numerze 1.4.0). Procedura pobierania i instalacji oprogramowania jest identyczna jak opisana w poprzedniej części kursu.

Po zakończonej aktualizacji uruchamiamy oprogramowanie Sensor Controller Studio. Prezentowany jest ekran startowy aplikacji, którego wygląd pokazano na rysunku 2. Dostępne są okna z historią projektów z przykładami oraz z dokumentacją. Na szczególna uwagę zasługują przygotowane przez Texas Instruments przykłady oraz dokumentacja obsługi oprogramowania. Dokumentację Sensor Controller Studio Help możemy uruchomić z okna startowego aplikacji, z menu Help albo korzystając ze skrótu klawiaturowego (klawisz F1). Pozostałe funkcje oprogramowania Sensor Controller Studio są aktywowane w momencie utworzenia projektu. Zostaną omówione w dalszej części artykułu przy okazji tworzenia projektu urządzenia do bezdotykowego pomiaru temperatury obiektu.

Projekt: Bezdotykowy pomiar temperatury obiektu

Aby zaprezentować obsługę kontrolera czujników wykonamy projekt urządzenia do bezdotykowego pomiaru temperatury. W praktyce urządzenia takie mają szerokie zastosowanie w przemyśle. Przykładowo mogą mierzyć temperaturę obiektów, które są w ruchu (wyroby na linii produkcyjnej, ruchome i trudno dostępne części maszyn). Do bezprzewodowego pomiaru temperatury wykorzystamy produkowany przez Texas Instruments czujnik TMP007. Za bazę sprzętową projektu posłuży nam moduł startowy LauchPad CC1310 oraz płyta rozszerzeń BoosterPack BOOSTXL-SENSORS.

Uruchamiamy oprogramowanie Sensor Controller Studio i tworzymy nowy projekt. W tym celu z menu programu z zakładki File wybieramy opcję New Project. Następnie wprowadzamy nazwę projektu, opis projektu oraz ustawiamy obsługę systemu operacyjnego TI-RTOS. W sekcji Target Chip zaznaczamy mikrokontroler CC1310 oraz wybieramy obudowę, w jakiej został zamontowany w module LaunchPad CC1310. Następnie zapisujemy projekt na dysku komputera (File –> Save Project). Konfigurację projektu prezentuje rysunek 3.

W kolejnym kroku rozpoczynamy konfigurowanie zadania do obsługi czujnika temperatury TMP007. W oknie konfiguracji projektu, w sekcji Sensor Controller Tasks wybieramy opcje Add new. Aplikacja Sensor Controller Studio uruchamia nowe okno programu, w którym definiujemy parametry zadania. Wprowadzamy nazwę zadania, opis zadania oraz co najważniejsze wybieramy komponenty zadania ( obsługa układów peryferyjnych, protokołów komunikacyjnych, sposób komunikacji kontrolera czujników z CPU mikrokontrolera CC1310, konfiguracja linii I/O, itp.). W naszym wypadku zaznaczamy obsługę interfejsu szeregowego I²C, taktowanie wykonania zadania zegarem RTC oraz komunikację zadania z jednostką CPU przy pomocy przerwań zgłaszanych przez kontroler czujników. Po wprowadzeniu ustawień zapisujemy projekt (File –> Save Project). Konfigurację zadania pokazano na rysunku 4.

W momencie utworzenia zadania automatycznie są tworzone bloki programu: inicjalizacja, wykonanie, zakończenie (blok obsługi zdarzeń nie jest tworzony, bo do zadania nie dodaliśmy obsługi zdarzenia). Dodatkowo, jest aktywowane narzędzie I/O Mapping służące do mapowania linii wejścia-wyjścia mikrokontrolera CC1310. W zadaniu do komunikacji z czujnikiem temperatury TMP007 będziemy używali interfejsu szeregowego I²C, zatem musimy skonfigurować linie interfejsu I²C. Uruchamiamy narzędzie I/O Mapping. Z okna Board wybieramy płytę startową CC1310 LaunchPad, a następnie dla sygnału I²C SCL wybieramy linię DIO04, a dla sygnału I²C SDA linię DIO05. Zrzut ekranu z konfiguracji mapowania linii wejścia-wyjścia pokazano na rysunku 5.

W sekcjach z definicją kodu programu: inicjalizacja, wykonanie, zakończenie wprowadzamy kod źródłowy zadania do obsługi czujnika TMP007. Korzystając z protokołu I²C ustawiamy parametry pomiaru a następnie odczytujemy zmierzoną temperaturę otoczenia oraz temperaturę obiektu. Kod źródłowy sekcji wykonania Execution pokazano na listingu 1. W kodzie źródłowym zadania tworzymy definicje stałych (adres I²C czujnika TMP007, adresy rejestrów czujnika) oraz definiujemy zmienne globalne umieszczone w strukturach danych (status pomiaru, wynik pomiaru temperatury otoczenia, wynik pomiaru temperatury obiektu). Panele do zarządzania definicjami stałych oraz strukturami danych ze zmiennymi globalnymi (dodawanie, usuwanie, edycja) są dostępne w każdym z bloków kodu programu po prawej stronie okna aplikacji. Wygląd panelu pokazano na rysunku 6. Wprowadzając definicje stałych podajemy nazwę, typ oraz wartość definiowanej stałej. Wprowadzając zmienne globalne dodatkowo definiujemy, w której strukturze danych mają być przechowywane. 

Po wprowadzeniu kodu źródłowego zadania do obsługi czujnika TMP007 sprawdzamy czy projekt nie zawiera błędów. W tym celu z panelu sterowania projektu wybieramy opcję Code Generator. Uruchamiane jest nowe okno oprogramowania, a projekt jest automatycznie kompilowany. Jeśli projekt nie zawiera błędów, to w oknie Event Log brak jest wpisów informujących o błędach. Zrzut ekranu z działania kompilatora pokazano na rysunku 7.

Kolejnym etapem projektu są testy utworzonego zadania. W tym celu moduł startowy LaunchPad CC1310 z zamontowana płytą rozszerzeń BOOSTXL-SENSORS przyłączamy do złącza USB komputera PC (fotografia 8). Następnie, z panelu sterowania projektu wybieramy opcję Task testing. Otwierane jest nowe okno aplikacji z zakładkami Setup (konfiguracja testów) oraz Graph (wizualizacja zmiennych). W zakładce Setup definiujemy sekwencję pracy zadania podczas testów. Wybieramy uruchomienie bloku programu z kodem wykonywalnym Execution (wybieramy opcję Run Execution Code). Ustawienia konfiguracyjne programu pokazano na rysunku 9.

W kolejnym kroku, z menu programu z zakładki Task Testing wybieramy opcję Connect. Oprogramowanie nawiązuje połączenie z modułem startowym LaunchPad CC1310 i automatycznie przenosi nas do zakładki wizualizacji zmiennych Graph. W opcjach konfiguracyjnych zakładki Graph zaznaczamy zmienne globalne, które chcemy wizualizować. W naszym przypadku będzie to odczytana z czujnika TMP007 temperatura lokalna oraz temperatura obiektu. Następnie, wybieramy z menu programu Task Testing opcję Run Initialization Code – jest uruchamiane wykonanie kodu programu z bloku Initialization. W kolejnym kroku uruchamiamy cykliczne wykonywanie zdefiniowanej w zakładce Setup sekwencji testu. W tym celu, z menu programu Task Testing  wybieramy opcję Run Task Iteriations Continuously. Oprogramowanie rozpoczyna cykliczny odczyt danych, a wynik pomiaru temperatury wizualizowany jest na wykresie oraz w oknie zmiennych programu. Zrzut ekranu z działania oprogramowania pokazano na rysunku 10.

Wynik pomiaru temperatury odczytany z czujnika TMP007 jest prezentowany w formie binarnej. Żeby przekonwertować wynik na stopnie Celsjusza, należy odczytaną wartość pomnożyć przez współczynnik 0,03125.

Na zakończenie pracy z oprogramowaniem Sensor Controller Studio generujemy pliki sterownika SCIF. W tym celu, aby otworzyć okno kompilatora, z panelu projektu wybieramy opcję Code Generator. Jeśli projekt nie zawiera błędów, wybieramy opcję Generate driver source code. Oprogramowanie tworzy pliki wynikowe sterownika SCIF, które należy dołączyć do projektu w Code Composer Studio. Dodatkową funkcją oprogramowania Sensor Controller Studio jest możliwość emulowania pracy zdefiniowanych zadań. Opcje emulatora dostępne są w menu programu w zakładce Task Testing.

Podsumowanie

Omówiliśmy działanie wbudowanego w mikrokontroler CC1310 kontrolera czujników. Korzystając z oprogramowania Sensor Controller Studio oprogramowaliśmy zadanie bezdotykowego pomiaru temperatury obiektu. W kolejnym odcinku kursu dołączymy pliki sterownika SCIF do projektu w Code Composer Studio, uruchomimy komunikację pomiędzy jednostką centralną mikrokontrolera CC1310, a kontrolerem czujników (odczyt wyniku pomiaru temperatury) oraz rozpoczniemy budowę bezprzewodowej sieci czujników pomiarowych.

Łukasz Krysiewicz, EP

Listing 1. Kod źródłowy programu sekcja Execution

U16 localHi    = 0;
U16 localLo   = 0;
U16 objectHi  = 0;
U16 objectLo = 0;

// start working with i2c
state.success = 1;

// If a measurement was successfully started during the last execution ...
if (state.i2cStatus == 0x0000) {
    // Select the local temperature register
   i2cStart();
    i2cTx( I2C_OP_WRITE | (TMP007_I2C_ADDR << 1));
    i2cTx( TMP007_REG_ADDR_LOCAL_TEMP );
    // If successful ... read local temperature
   if (state.i2cStatus == 0x0000) {
        i2cRepeatedStart();
        i2cTx( I2C_OP_READ | (TMP007_I2C_ADDR << 1) );
        i2cRxAck(localHi);
        i2cRxNack(localLo);
    } else {
        state.success = 0;
    }
    i2cStop();
    // Select the object temperature register
   i2cStart();
    i2cTx( I2C_OP_WRITE | (TMP007_I2C_ADDR << 1));
    i2cTx( TMP007_REG_ADDR_OBJ_TEMP );
    // If successful ... read object temperature
   if (state.i2cStatus == 0x0000) {
        i2cRepeatedStart();
        i2cTx( I2C_OP_READ | (TMP007_I2C_ADDR << 1) );
        i2cRxAck(objectHi);
        i2cRxNack(objectLo);
    } else {
        state.success = 0;
    }
    i2cStop();
} else {
    i2cStop();
    state.success = 0;
}

if(state.success == 1) {
    //  scale local and object temperature ( divided by 4 )
   output.rawLocal = (localHi << 6) | (localLo >> 2);
    output.rawObject = (objectHi << 6) | (objectLo >> 2);
    // if result is negative add extra ones
   if ( localHi & 0x80) {
        output.rawLocal |= 0xC000;
    }
    if (objectHi & 0x80) {
        output.rawObject |= 0xC000;
    }
    // Notify the driver
   fwGenAlertInterrupt();
}

// Schedule the next execution
fwScheduleTask(1);