STM32Duino: Arduino dla STM32 (cz.2)

W pierwszym artykule na temat środowiska STM32duino pokazano jak skonfigurować środowisko programistyczne Arduino do pracy z mikrokontrolerami STM32. Ta część kontynuuje tematykę Arduino i STM32 prezentując jak zacząć pisanie kodu i jak sterować z poziomu kodu podstawowym zasobem mikrokontrolera – portami wejścia/wyjścia.

Arduino i STM32 – przygotowanie do pracy

Pracę należy rozpocząć uruchamiając środowisko programistyczne STM32duino. Przygotowanie do pisania kodu obejmuje kilka prostych kroków.

W pierwszej kolejności konieczne jest stworzenie nowego projektu (zwanego sketchem w STM32duino), dlatego użytkownik wybiera z menu głównego środowiska programistycznego kolejno File i New (skrót klawiaturowy CTRL+N).

Ponadto, w następnym kroku należy wskazać używaną platformę sprzętową. Autor ostatecznie wybrał płytkę NUCLEO-L476RG z 64-pinowym mikrokontrolerem STM32L476RG. W tym celu należy ponownie użyć menu głównego środowiska programistycznego. Wybór platformy przebiega w dwóch etapach. Najpierw klikając Tools i Board wybrać należy Nucleo-64. Następnie wybierając Tools i Board Part Number wybrać należy NUCLEO-L476.

W ostatnim kroku należy zapisać projekt na dysku twardym. Jednocześnie warto zmienić nazwę projektu na bardziej intuicyjną, gdyż domyślna nazwa zawiera tylko słowo sketch oraz nazwę aktualnego miesiąca i dnia.

Chcąc zapisać projekt oraz zmienić jego nazwę użytkownik znowu korzysta z menu głównego środowiska programistycznego wybierając kolejno File i Save as… (skrót klawiaturowy CTRL+Shift+S). W ten sposób otworzone zostanie okno, które pozwoli na wybranie ścieżki na dysku twardym, pod którą zapisany zostanie projekt. Jednocześnie okno pozwala na wpisanie nowej nazwy projektu.

Rys. 1. Kolejne kroki przygotowania środowiska Arduino do pisania kodu dla wybranej platformy z układem STM32

Arduino i STM32 – struktura kodu

Każdy stworzony od nowa projekt (sketch) zawiera domyślnie kilka linii kodu tworzących szkielet aplikacji. Kod ten pokazano w listingu 1. Składa się on z dwóch funkcji. Pierwsza funkcja nosi nazwę setup. Jej przeznaczenie można łatwo rozszyfrować zapoznając się z komentarzem. Programista umieszcza w niej kod, który ma zostać wykonany tylko raz, na początku aplikacji, a więc po doprowadzeniu napięcia zasilania do mikrokontrolera.

Są to głównie funkcje konfigurujące peryferia mikrokontrolera (np. ustawiające parametry przetwornika A/C lub interfejsu UART) lub inicjujące podzespoły zewnętrzne (np. moduł Bluetooth). Druga funkcja otrzymała nazwę loop. Ponownie w rozszyfrowaniu jej przeznaczenia pomaga komentarz. Jest to nieskończona pętla, w której programista umieszcza funkcje wykonywane cyklicznie (np. odczyt stanu przycisku lub odebranie danych z czujnika).

Listing 1. Kod nowego projektu w środowisku programistycznym STM32duino

Zatem programista tworzy kod aplikacji uzupełniając ciała funkcji setup i loop o dodatkowy kod języka STM32duino. Kod ten składa się z typowych elementów języka programowania takich jak zmienne, funkcje, instrukcje warunkowe czy też operacje matematyczne.

Przyjrzyjmy się sposobie ich użycia na przykładzie prostej aplikacji kalkulatora realizującego dodawanie dwóch liczb. Kod (pokazany na listingu 2) zawiera kolejno:

  • deklarację trzech zmiennych: zmienna1, zmienna2 i wynik,
  • definicję funkcji dodawanie realizujących działanie dodawania,
  • wewnątrz funkcji setup:
    • inicjalizację zmiennych zmienna1 i zmienna2 wartościami początkowymi,
  • wewnątrz funkcji loop:
    • wywołanie funkcji dodawanie i przypisanie zwracanej wartości do zmiennej wynik,
    • inkrementację zmiennych zmienna1 i zmienna2.
    • pętlę warunkową if sprawdzającą czy wartość zmiennej zmienna1 wynosi 5, a jeśli jest to prawda, zmieniającą wartość zmiennej zmienna2 na 3.

Listing 2. Kod prostego kalkulatora

Porty wejścia/wyjścia – podstawowe informacje

Mając skonfigurowane środowisko programistyczne STM32duino oraz znając podstawy programowania STM32duino można przejść do kolejnego poziomu wtajemniczenia, jakim jest umiejętność sterowania portami wejścia/wyjścia.

W każdym systemie elektronicznym mikrokontroler poprzez swoje wyprowadzenia, a dalej ścieżki na płytce PCB dołączony jest do pewnej liczby podzespołów, z którymi musi się komunikować.

Komunikację należy tu rozumieć jako umiejętność wysyłania i odbierania informacji w postaci sygnału elektrycznego (napięciowego). Zadanie to realizują porty wejścia/wyjścia.

Porty mikrokontrolera mogą pracować w dwóch trybach. Pierwszy z nich to GPIO (General Purpose Input Output). W trybie tym programista ma bezpośrednią kontrolę nad portami i może sterować nimi z poziomu aplikacji. Porty w trybie GPIO wykorzystywane są przede wszystkim do prostych operacji wejścia wyjścia np. odczytywania stanów przycisków lub sterowania stanem (włącz/wyłącz) przekaźników, kluczy tranzystorowych, diod LED itp.

Drugi tryb pracy portów wejścia/wyjścia nazywany jest trybem alternatywnym. W trybie ty porty są połączone z peryferiami mikrokontrolera, aby umożliwić ich komunikowanie się ze światem zewnętrznym. Przykładowo porty mogą być wykorzystane przez przetwornik A/C do odczytywania wartości napięcia z wyprowadzenia mikrokontrolera, przez timer do generowania sygnału PWM poza układ lub przez interfejsy komunikacyjne do realizacji transmisji danych między mikrokontrolerem i innymi układami.

Porty wejścia/wyjścia – funkcje STM32duino

W artykule tym spośród dwóch wymienionych trybów portów wejścia/wyjścia przedstawiony zostanie jeden, podstawowy – GPIO. Do tego celu środowisko STM32duino udostępnia trzy funkcje: pinMode, digitalWrite oraz digitalRead.

Funkcja pinMode odpowiada za skonfigurowanie wybranego przez programistę portu. Funkcja ta przyjmuje dwa argumenty. Pierwszym argumentem jest oznaczenie portu np. PA0, PB4 itp. Drugi argument określa konfigurację. Dostępne są trzy warianty: INPUT (wejście), OUTPUT (wyjście), INPUT_PULLUP (wyjście z aktywnym rezystorem połączonym z dodatnim potencjałem napięcia zasilania).

Funkcja digitalWrite pozwala na ustawianie wartości logicznej na wyjściu portu. Analogicznie do poprzedniego przypadku funkcja ta również przyjmuje dwa argumenty. Pierwszym argumentem jest oznaczenie portu. Drugi argument to poziom napięcia odpowiadający wartości logicznej: HIGH (poziom wysoki, wartość 1), LOW (poziom niski, wartość 0).
Funkcja digitalRead służy do odczytywania wartości logicznej z wejściu portu. Jedynym argumentem funkcji jest nazwa portu. Wartość zwracana przez funkcję informuje o poziomie napięcia: HIGH (poziom wysoki, wartość 1), LOW (poziom niski, wartość 0).

Porty wejścia/wyjścia – przykładowa aplikacja

Płytka NUCLEO-L476RG dysponuje dwoma podzespołami podłączonymi do portów wejścia/wyjścia mikrokontrolera. Jest to dioda LED oraz przycisk. Odpowiedni schemat pokazano na rysunku 2.

Dioda LED połączona jest jednym pinem do ujemnego potencjału zasilania oraz drugim pinem przez rezystor do portu PA5. Łatwo zatem stwierdzić, że poziom wysoki na porcie spowoduje przepływ prądu przez diodę LED i wywoła efekt jej świecenia. Z kolei poziom niski na porcie wstrzyma przepływ prądu i efekt świecenia nie wystąpi.

Jeden styk przycisku połączony jest do ujemnego potencjału zasilania, natomiast drugi ze styków połączony jest przez rezystor do dodatniego potencjału napięcia zasilania i jednocześnie bezpośrednio do portu PC13. W takiej konfiguracji w warunkach nienaciśniętego przycisku (styki rozwarte) na linii PC13 ustabilizuje się stan wysoki. Z kolei po wciśnięciu przycisku (styki zwarte) stan zmieni się z wysokiego na niski.

Rys. 2. Schemat elektryczny diody LED i przycisku podłączonych do portów wejścia/wyjścia mikrokontrolera na płytce NUCLEO-L476RG

Funkcje

Po zapoznaniu się najpierw z funkcjami STM32duino do obsługi portów wejścia/wyjścia, a następnie po przeanalizowaniu schematu dołączonych do mikrokontrolera podzespołów, jesteśmy gotowi do napisania programu odczytującego stan przycisku i zmieniającego stan diody LED. Zaprezentowany na listingu 2 kod zawiera kolejno:

  • wewnątrz funkcji setup:
    • wywołanie funkcji pinMode konfigurującej port PA5 jako wyjście,
    • wywołanie funkcji pinMode konfigurującej port PC13 jako wejście,
  • wewnątrz funkcji loop:
    • użycie instrukcji warunkowej, która poprzez wywołanie funkcji digitalRead sprawdza stan na wejściu portu PC13,
    • w przypadku stanu niskiego na wejściu portu PC13:
      • następuje wywołanie funkcji digitalWrite ustawiającej stan wysoki na porcie PA5,
      • w drugim kroku – wywołanie funkcji opóźniającej delay 500ms,
      • w tzrcim kroku – wywołanie funkcji digitalWrite ustawiającej stan niski na porcie PA5,
      • na końcu: ponowne wywołanie funkcji opóźniającej delay 500ms.

W efekcie działania tej aplikacji każde wciśnięcie przycisku wywoła zaświecenie diody LED na czas 500ms (pół sekundy).

Po napisaniu kodu program należy skompilować wybierając przycisk Verify (skrót klawiaturowy CTRL+R). Po zakończeniu procesu kompilacji należy wgrać program do pamięci mikrokontrolera wybierając przycisk Upload (skrót klawiaturowy CTRL+U).

Listing 3. Kod programu odczytującego stan przycisku i zmieniającego stan diody LED

Podsumowanie

Drugi artykuł z cyklu traktującego o Arduino i STM32 przechodzi od teorii do praktyki, dlatego w materiale zaprezentowano podstawy programowania oraz sposób sterowania portami wejścia/wyjścia mikrokontrolera.

Kolejne artykuły rozwijać będą aspekt prostych aplikacji korzystających z zasobów mikrokontrolera, dlatego ich tematyka obejmować będzie: przetwornik A/C (aplikacja: odczytywanie napięcia na pinie mikrokontrolera), interfejs UART (aplikacja: komunikacja szeregowa z komputerem) oraz Timer (wytwarzanie na pinie sygnału PWM).

Zachęcamy do przeczytania kolejnych części: część 3

O autorze

Szymon Panecki

SZYMON PANECKI urodził się 17 lutego 1985 roku w Milanówku. Tytuł inżyniera Elektroniki i Telekomunikacji, a następnie magistra inżyniera na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej uzyskał kolejno w roku 2008 i 2010. Ponadto tytuł inżyniera Informatyki na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej uzyskał w roku 2011.

Szymon Panecki jest doświadczonym elektronikiem-konstruktorem, który w trakcie swojej zawodowej kariery koncentruje się na definiowaniu i projektowaniu (zarówno w warstwie sprzętowej jak i programowej) systemów wbudowanych opartych na mikrokontrolerach z rdzeniem ARM od różnych producentów, w tym przede wszystkim Infineon Technologies (rodzina XMC1000 i XMC4000), STMicroelectronics (STM32 i STR7), Freescale Semiconductor (Kinetis L) oraz Silicon Labs (EFM32 i Precision32). Obszarem jego szczególnego zainteresowania są systemy wykorzystujące czujniki środowiskowe (wilgotności, ciśnienia, temperatury) oraz przemysłowe i motoryzacyjne interfejsy komunikacyjne, głównie CAN.

Szymon Panecki od wielu lat współpracuje z czasopismem “Elektronika Praktyczna” oraz portalem Mikrokontroler.pl, na łamach których publikuje liczne artykuły dotyczące swoich projektów, jak również nowości produktowych firm z branży półprzewodnikowej.