Programowanie STM32F4 (6)

Programowanie STM32F4 (6)
Pobierz PDF Download icon
Zajmiemy się sterowaniem adresowalnymi paskami diod LED WS2812B. Mowa o elastycznych listwach oświetleniowych z giętkiego laminatu, na których znajdują się połączone równolegle diody LED z wbudowanym kontrolerem. Listwy takie możemy dowolnie docinać (w wyznaczonych miejscach), łączyć i przyklejać w miejscach, które chcemy oświetlić.

Na paskach są montowane diody świecące w jednym kolorze, najczęściej białym, choć występują one także w innych kolorach. Istnieją też paski z diodami RGB, pozwalające na sterowanie kolorem emitowanego światła. Sterujemy wtedy kolorem całego paska, a nie poszczególnych diod. Mają one wyprowadzone (na łączeniach i w miejscach cięcia) styki wspólnej anody oraz trzech katod, diod odpowiadających za świecenie w trzech podstawowych kolorach – czerwonym, zielonym i niebieskim, znajdujących się w każdej „diodzie RGB”. Kolorem tych pasków możemy sterować przy użyciu tranzystorów MOSFET oraz generatora sygnału PWM, opisanego w części drugiej tego cyklu.

Paski, którymi zajmiemy się w tej części, pozwalają na indywidualne ustawianie koloru każdej diody. Dawniej, paski „adresowalne” miały osobne układy scalone sterujące barwą, montowane pomiędzy diodami. Zazwyczaj takie układy obsługiwały po kilka diod, ustawiając na nich jeden i ten sam kolor. Obecnie, chipy te montowane są w samych diodach, co pozwoliło na obniżenie ich ceny i umożliwia nam sterowanie każdą diodą osobno. Diody WS2812B z chipami (fotografia 1) pozwalają na ustawianie natężenia każdej z barw składowych (RGB) w zakresie od 0 do 255, co daje nam przestrzeń 16777216 różnych kolorów ustawianych na każdej diodzie. Częstym ich zastosowaniem jest podświetlenie typu ambient light za telewizorem lub monitorem, wizualizacje w rytm muzyki, czy lampki choinkowe.

Jak sterować diodami?

Każda dioda na pasku ma 4 wyprowadzenia: piny zasilania i masy oraz pin wejściowy i wyjściowy przebiegu sterującego. Diody podłączone są w szeregu w taki sposób, że pin wejściowy sygnału sterującego pierwszej z nich (DIN) połączony będzie do początku paska i dalej do naszego układu, pin DIN kolejnej, i kolejnych w szeregu, do pinu wyjściowego (DOUT) poprzedniej, jak na rysunku 2.

Diody należy zasilać napięciem od 3,5 V do 5,3 V. Krótki pasek składający się z kilkunastu diod możemy zasilić z pinu „5V” płytki rozwojowej KA-NUCELO lub portu USB komputera. Dla dłuższych potrzebujemy zaopatrzyć się w zewnętrzny zasilacz (najlepiej +5 V). Należy też wtedy pamiętać o spadku napięcia występującym na pasku, w miarę zwiększania się odległości od źródła zasilania. Już przy 5 metrach jesteśmy w stanie zaobserwować spadek jasności świecenia diod spowodowany niższym napięciem zasilania przy końcu paska. Zatem dłuższe paski należy zasilać w kilku punktach. Jeśli korzystamy z osobnego zasilacza, musimy także połączyć masy każdego z obwodów (należy to zrobić przed podłączeniem zasilania).

Na pinach sterujących, diody odbierają i wysyłają dane z logiką 5 V – tzn. 5 V oznacza poziom logiczny wysoki, a 0 V – niski. Mimo tego możemy transmitować przebieg sterujący z napięciem 3,3 V, występującym na płytce rozwojowej KA-NUCLEO.

Sygnał sterujący przesyłany do diody składa się z serii impulsów kodujących zera i jedynki. Każde przesłane 24 bity kodują kolor kolejnej diody w szeregu, przenosząc 8-bitowe wartości jasności poszczególnych jego barw składowych, kolejno: zielonej, czerwonej oraz niebieskiej. Każda dioda odbiera i interpretuje pierwsze otrzymane 24 bity strumienia, pozostałe wartości przesyłając do kolejnej diody (rysunek 3). Tak, więc, pierwsza nadana struktura kodująca kolor odnosi się do pierwszej diody na pasku, druga do kolejnej, itd. Aby ponownie ustawić kolor na pierwszej i kolejnych diodach w szeregu, należy zrobić przerwę w transmisji, trwającą co najmniej 50 mikrosekund (rysunek 4).

Wysyłanie danych nie jest jednak takie łatwe. Nie wystarczy ustawić poziomu logicznego wysokiego lub niskiego na ustalony czas, aby nadać jedynkę, czy zero. Diody z chipami WS2812B wymagają stosowania konkretnego kodowania. Przesyłanie każdego bitu trwa 1,25 mikrosekundy, przy czym dopuszczalne odchylenie wynosi 0,6 mikrosekundy. Aby nadać logiczną jedynkę, musimy ustawić pin na czas 0,8 ±0,15 ms, po czym wyzerować go i utrzymać przez 0,45 ±0,15 ms. Dla logicznego zera, czasy te wynoszą odpowiednio: 0,4 ± 0,15 ms poziomu wysokiego oraz 0,85 ±0,15 ms poziomu niskiego (rysunek 5).

Jak to wykonamy?

Brzmi dość łatwo, jeśli jednak zechcemy zrobić to w typowy, „arduinowy” sposób, ustawiając lub zerując pin, a następnie odczekując przez ustalony czas za pomocą funkcji HAL_Delay(), szybko zorientujemy się, że ten czas jest zbyt krótki. Diody oczekują od nas transmisji ze stosunkowo dużą szybkością i nie stosują żadnego typowego interfejsu, jak UART, SPI itp. W ten sposób – dodając aktywne oczekiwanie – tracimy całą moc mikrokontrolera w trakcie czekania, a przychodzące przerwanie, jest w stanie zepsuć nam całą transmisję.

Co więc możemy zrobić? Możemy użyć interfejsu SPI. Nie użyjemy go jednak do transmisji danych, a posłużymy się do wygenerowania sekwencji zera (11100000) i jedynki (11111000) oczekiwanych przez diodę. Każde 8 bitów nadane interfejsem SPI będzie generowało sygnał odpowiadający pojedynczemu bitowi dla diod – „jedynce” lub „zeru”. Z pewnymi zmianami w kodzie, możliwe by było też nadawanie jednego bitu dla diody za pomocą 4 lub 3 bitów przesyłanych przez SPI, byłoby to jednak trochę bardziej skomplikowane do wykonania i wyjaśnienia.

Interfejs SPI może pracować z dowolnie wybraną szybkością, przesyłając oprócz sygnału danych, również sygnał zegarowy. Dzięki jego obecności nie ma konieczności stosowania ramek, bitów stopu, ani startu – dane przesyłane są ciągle, a to pozwala nam na transmisję dowolnych ciągów zapisanych uprzednio w buforze.

Tworzymy nowy projekt

Po pierwsze, za pomocą STM32CubeMX tworzymy nowy projekt wybierając posiadany przez nas mikrokontroler (mój to STM32F411CEU6). Na pierwszym ekranie konfiguratora, zatytułowanym „Pinout”, ustawiamy źródło sygnału taktującego dołączonego do układu – na liście po lewej stronie ekranu rozwijamy pozycję „RCC” i w polu „High Speed Clock (HSC)” wybieramy „Crystal/Ceramic Resonator”. Następnie musimy wybrać i uruchomić interfejs SPI. Wykorzystywany przeze mnie układ dysponuje aż 5 takimi interfejsami. Nie ma znaczenia, który z nich wybierzemy, trzeba jednak pamiętać, że peryferiale SPI1, SPI4 i SPI5 otrzymują taktowanie z szyny APB1, a SPI2 oraz SPI3 z szyny APB2. W przykładzie, użyję interfejsu SPI1 oraz pinów PA5 oraz PA7, odpowiednio w roli SPI1_SCK – sygnału zegara oraz SPI1_MOSI – wyjścia danych, ponieważ są one dostępne do dyspozycji użytkownika na płytce rozwojowej KA-NUCLEO.

Oprócz tych pinów, interfejs SPI może korzystać również z pinu SPI1_MISO – wejścia danych, a także pracować w wielu trybach – my korzystać będziemy z trybu „Transmit Only Master”, co oznacza, że nasze urządzenie będzie urządzeniem głównym w transmisji – dostarczy sygnał zegara urządzeniom podrzędnym (nie jest on potrzebny diodom) i będziemy tylko nadawać. W tym celu, z listy po lewej stronie okna, wybieramy odpowiedni interfejs SPI oraz w polu „Mode”, ustawiamy opcję „Transmit Only Master”. Pozostałe tryby pracy pozwalają na: tylko odbiór od urządzeń podrzędnych – „Receive Only Master”, nadawanie i odbiór na tym samym pinie – „Half-Duplex Master”, nadawanie i odbiór na różnych pinach (MISO – Master Input Slave Output i MOSI – Master Output Slave Input) – „Full-Duplex Master”, a także na pracę w charakterze urządzenia podrzędnego, korzystającego z sygnału zegara dostarczanego przez inne urządzenie – wszystkie opcje z „Slave” w nazwie. Jeśli interfejs SPI wykorzystywany jest do komunikacji z wieloma urządzeniami podrzędnymi, często stosuje się także piny „Slave Select”. Są to zwykłe piny GPIO ustawione w tryb pracy wyjścia. Gdy na pinie SS, podłączonym do urządzenia podrzędnego, pojawi się stan logiczny wysoki, urządzenie to może odbierać i nadawać dane. Pinów takich potrzebujemy, zatem tyle ile urządzeń podłączamy do pojedynczego interfejsu (rysunek 6).

W kolejnej zakładce – „Clock Configuration”, zwyczajowo ustawiamy częstotliwość pracy wejściowego oscylatora kwarcowego – u mnie 8 MHz, przełączamy źródło sygnału wchodzącego na główną pętlę PLL – „PLL Source Mux” na „HSE”, jako źródło sygnału taktującego dla całego układu wybierzmy pętlę PLL – przełącznik „System Clock Mux”, ustawiamy na pozycję „PLLCLK”.

Teraz musimy jeszcze ustawić pożądaną częstotliwość taktowania naszego układu. Nie będzie to jednak, jak poprzednio, maksymalna dozwolona wartość, ani najniższa potrzebna. Musimy dobrać ją, wspólnie z dzielnikiem częstotliwości wchodzącej na peryferial SPI, tak, aby możliwa była transmisja sygnału jedynki i zera, dla diod, w odpowiednim czasie.

Częstotliwość sygnału sterującego

Transmisja sygnału pojedynczego bitu dla diody powinna trwać 1,25 ms. Jednak, ponieważ sygnał ten generowany jest przez 8 bitów przesyłanych interfejsem SPI, pojedynczy bit nadawany przez SPI powinien być ustawiony na pinie przez 0,15625 ms. To przekłada się na częstotliwość pracy interfejsu SPI wynoszącą aż 6,4 MHz – w ciągu sekundy nadać musimy 6,4 mln bitów.

Jak już wspominałem, peryferiale SPI1, SPI4 i SPI5 otrzymują sygnał taktujący z szyny APB1, a SPI2 oraz SPI3 z szyny APB2. Maksymalna częstotliwość obsługiwana przez szynę APB1, w wykorzystywanym przeze mnie mikrokontrolerze, to 50 MHz, peryferiale taktowane z szyny APB2 mogą być taktowane z maksymalną częstotliwością pracy układu. Każdy interfejs SPI posiada również wbudowany dzielnik, pozwalający podzielić wejściową częstotliwość przez liczby będące potęgami liczby 2, z zakresu od 2 do 256. Ponieważ musimy uzyskać częstotliwość 6,4 MHz, możliwe do ustawienia częstotliwości wchodzące na szynę dostarczającą taktowanie do układu (równą zazwyczaj głównej częstotliwości taktowania lub jej połowie) oraz wartości podzielnika to:

- PCLK1/PCLK2=102,4 MHz; Prescaler=16,
- PCLK1/PCLK2=51,2 MHz;  Prescaler=8,
- PCLK1/PCLK2=25,6 MHz;  Prescaler=4,
- PCLK1/PCLK2=12,8 MHz;  Prescaler=2.

W omawianym przykładzie użyto częstotliwości 51,2 MHz oraz wartość dzielnika równa 8, z tego względu, że 100 MHz to maksymalna częstotliwość obsługiwana przez wykorzystywany przeze mnie układ – STM32F411CEU6. Wybraną częstotliwość lub jej dwukrotność (w zależności od tego, z której szyny APB korzystamy), ustawiamy w polu „HCLK (MHz)” (rysunek 7) i przechodzimy do zakładki „Configuration”. Z pola „Connectivity”, wybieramy pozycję „SPIx”, gdzie x to nr wybranego interfejsu SPI i przechodzimy do jego konfiguracji. Opcją, która zmieniamy jest wartość preskalera, wybrana w poprzednim kroku (rysunek 8).

Teraz możemy już zapisać ustawienia (rysunek 9) i wygenerować projekt, a następnie zaimportować go w środowisku IDE, w sposób przedstawiony w poprzednich częściach – klikamy ikonę zębatki na pasku narzędziowym, wybieramy w polu „Toolchain / IDE” opcję „SW4STM32” i zapisujemy pliki projektu w wybranym miejscu. Następnie otwieramy IDE System Workbench for STM32, zamykamy planszę powitalną (X), w ramce „Project Explorer” klikamy prawym przyciskiem myszy i z menu kontekstowego wybieramy opcję „Import...”, w nowym oknie, klikamy kolejno: „General”, „Existing Projects into Workspace”, „Next”, wybieramy lokalizację plików projektu oraz zatwierdzamy import przyciskiem „Finish”.

Ponieważ potrzebujemy skorzystać z biblioteki math, klikamy PPM na nazwę naszego projektu w „Project Explorer”. Z menu kontekstowego wybieramy pozycję „Properties” i w nowo otwartym oknie rozwijamy zakładkę „C++ Build” –> „Settings”, następnie, w nowej karcie: „MCU GCC Linker” –> „Libraries”. W polu Libraries klikamy przycisk „Add” i dodajemy nową bibliotekę „m”. Następnie, na samym dole karty odznaczamy opcję „Use C math library (-lm)” i zapisujemy ustawienia (rysunek 10).

Teraz dodamy do projektu dwa pliki, które wykorzystamy do obsługi diod. W tym celu w „Project Explorerze” rozwijamy katalog projektu, klikamy PPM na, znajdujący się w nim, podkatalog „Src” i z menu kontekstowego wybieramy opcję „New” –> „File”. W nowym oknie podajemy nazwę pliku, który chcemy utworzyć – „ws2812b.h”, klikamy „Finish”. Następnie całą operację powtarzamy dla pliku „ws2812b.c” i uzupełniamy oba pliki zawartością listingów 1 i 2. Dalej, modyfikujemy plik „main.c”, dodając do sekcji „USER CODE Includes”, „USER CODE 2” i „USER CODE 3” kod, zgodnie z listingiem 3, kompilujemy program i wgrywamy go na nasz mikrokontroler.

Powyższy kod spowoduje zaświecenie na pasku trzech pierwszych diod, ustawiając na nich kolejno kolory: czerwony, zielony i niebieski. Najpierw w sekcji USER CODE 2, przy pomocy funkcji WS2812B_init(), tworzymy strukturę konfiguracyjną paska LED i umieszczamy w niej wskaźnik na strukturę konfiguracyjną interfejsu SPI, który zostanie użyty w komunikacji z diodami oraz przesyłając ilość diod podłączonych do danego pinu (paski możemy łączyć). Następnie, przy pomocy funkcji WS2812B_set_diode_color(), ustawiamy na wybranym pasku (podając jego strukturę konfiguracyjną), kolory poszczególnych diod, będące strukturą typu WS2812B_color, składającą się z trzech wartości z zakresu od 0 do 255 – natężeń poszczególnych barw składowych (czerwonej, zielonej i niebieskiej). Dalej, przy pomocy funkcji WS2812B_refresh(), generujemy i nadajemy sygnał ustawiający kolory poszczególnych diod.

To, na co należy zwrócić uwagę, to fakt, że przy domyślnych ustawieniach interfejsu SPI, sygnał jest odwracany – w miejscu gdzie nadajemy jedynkę, przesyłane jest zero i na odwrót. Konsekwencją tej zmiany jest konieczność nadawania, w kodzie programu, sygnałów „00011111” oraz „00000111”, zamiast „11100000” i „11111000”, w celu wygenerowania sygnału jedynki i zera dla diody.

Omówione funkcje zostały umieszczone w dwóch osobnych plikach – „ws2812b.h” i „ws2812b.c”. Pierwszy z nich jest plikiem nagłówkowym – przechowuje on definicje struktur, typów danych i prototypy funkcji, których implementacje znajdują się w pliku „.c”. Plik „.h” dołączamy do kodu wszędzie tam gdzie planujemy użyć funkcji z pliku „.c”. Dzięki odpowiedniej instrukcji dla kompilatora, plik ten będzie przetworzony tylko raz, nawet, jeśli zainkludujemy go kilkukrotnie.

Mieszanie barw i tworzenie gradientów

Następnie, w analogiczny sposób, dodajemy 2 kolejne pliki – „lighting.h” i „lighting.c”, których kod przedstawiono w listingach 4 i 5 oraz modyfikujemy kod pliku „main.c”, zgodnie z listingiem 6. Teraz, nasz program będzie na przemian ustawiał na wszystkich 30 diodach na pasku, gradient złożony z kolorów od niebieskiego do czerwonego oraz po wygaszeniu i ponownym zapaleniu, od czerwonego do niebieskiego. W plikach „lighting.h” oraz „lighting.c”, znalazły się funkcje odpowiedzialne za konwersję kolorów z przestrzeni barw HSV do RGB, korekcję gamma oraz obliczanie wartości kolorów tworzących gradient. Działania te, wraz z przestrzeniami barw i korekcją gamma, opisane zostały dokładniej w drugiej części niniejszego kursu.

Funkcje z plików „lighting.h/.c”, podobnie jak te z „ws2812b.h/.c” korzystają ze struktury konfiguracyjnej, zawierającej informacje o liczbie diod oraz ich kolorach, tym razem jednak, zapisanych w postaci zmiennoprzecinkowej. Strukturę konfiguracyjną generujemy przy pomocy funkcji lighting_init(), przesyłając, jako jej parametr jedynie liczbę diod. W sytuacji, gdy chcemy, aby wprowadzone zmiany kolorów, zostały naniesione na pasku, korzystamy z funkcji lighting_update_ws2812b(), przesyłając do niej wskaźnik na struktury konfiguracyjne obu bibliotek. Funkcja lighting_update_ws2812b() wywoła, uprzednio zdefiniowaną, funkcję ws2812b_refresh(), obliczając przedtem rzeczywiste wartości kolorów po korekcji gamma (lighting_gamma_correction()).

Efekty świetlne możemy tworzyć, korzystając z funkcji lighting_draw_gradient_rgb() i lighting_draw_gradient_hsv(). Obie funkcje generują gradient kolorów i zapisują jego wartości, wypadające poszczególnych na diodach, w strukturze konfiguracyjnej. Gradient jest płynnym, „płaskim”, przejściem między dwoma zadanymi kolorami. „Płaskim”, ponieważ jest on obliczany w przestrzeni kolorów RGB, jako prosta średnia arytmetyczna, wyliczana osobno dla każdego kanału – czerwonego, zielonego i niebieskiego, pomiędzy wartościami tych kanałów dla koloru początkowego i końcowego. Podobne działanie, w przestrzeni kolorów HSV (Hue Saturation Value – Odcień Nasycenie Jasność), spowodowałoby wygenerowanie tęczy, od zadanego koloru poprzez wszystkie pośrednie, do końcowego. Parametrami przyjmowanymi przez obie funkcje są kolejno: wskaźnik na strukturę konfiguracyjną, numer diody początkowej (licząc od zera), numer diody, na której kończyć ma się gradient oraz dwa kolory – początkowy i końcowy, zadane w postaci struktur lighting_rgb oraz lighting_hsv, w zależności od „wersji” funkcji. Struktura lighting_rgb składa się z trzech wartości zmiennoprzecinkowych, kodujących natężenie każdej z barw składowych koloru – czerwonego, zielonego i niebieskiego. Struktura lighting_hsv przechowuje zmiennoprzecinkowe wartości kolejno: odcienia (hue – od 0 do 360 stopni), nasycenia (saturation – od 0 do 1) oraz jasności (value – ponownie, od 0 do 1) danej barwy.

Aleksander Kurczyk

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2017
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio luty 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów