W drugiej części cyklu poświęconego modułom peryferyjnym Pmod przedstawimy moduły PmodHYGRO (czujnik temperatury i wilgotności), a także PmodOLEDrgb (kolorowy wyświetlacz graficzny OLED). Przedstawione przykłady kodu wykorzystują bibliotekę STM32Cube_FW_L4 i mogą być uruchomione w środowisku Atollic TrueSTUDIO na zestawie deweloperskim z mikrokontrolerem STM32 KAmeleon (www.kameleonboard.org).

PmodHYGRO

Moduł PmodHYGRO jest czujnikiem temperatury i wilgotności względnej opartym o układ Texas Instruments HDC1080. Zakres mierzonych temperatur wynosi od -40ºC do +125ºC, natomiast rozdzielczość wyniku pomiaru można skonfigurować na 11 lub 14 bitów. Dokładność pomiaru zależy od mierzonej wartości, co przedstawiono na rysunku 1. W przypadku wilgotności, której zakres pomiarowy wynosi 0% – 100%, rozdzielczość pomiaru można skonfigurować jako 8, 11 lub 14 bitów. Podobnie jak w przypadku temperatury, dokładność pomiaru również zależy od mierzonej wartości. Zależność tą przedstawiono na rysunku 2. Czas pomiaru obu wielkości jest zależny od skonfigurowanej rozdzielczości i nie przekracza 6,5 ms dla 14 bitów.

Rysunek 1. Zależność dokładności pomiaru temperatury od mierzonej wartości (źródło: dokumentacja układu HDC1080)

Złącze Pmod w module PmodHYGRO

Moduł PmodHYGRO posiada 6-pinowe złącze Pmod dla interfejsu I²C. Na potrzeby przykładu moduł należy podłączyć do złącza I2C KAmod Expander tak, jak zostało to pokazane na fotografii 2. Lista pinów na złączu Pmod wraz z odpowiadającymi im pinami mikrokontrolera znajduje się w tabeli 1.

Fotografia 2. PmodHYGRO podłączony do zestawu KAmeleon

Rysunek 3. Zależność dokładności pomiaru wilgotności względnej od mierzonej wartości (źródło: dokumentacja układu HDC1080)

Tabela 1. Sygnały PmodHYGRO oraz odpowiadające im piny złącza KAmod Expander I2C i piny mikrokontrolera; N/C oznacza sygnały niepodłączone

Komunikacja z HDC1080 odbywa się za pośrednictwem 16-bitowych rejestrów zapisywanych i odczytywanych za pomocą interfejsu I2C. Rejestr konfiguracyjny znajduje się pod adresem 0x02 i zawiera bity ustawiające rozdzielczość i tryb pomiaru. Rozdzielczość ustawia się dla każdej z wielkości osobno, natomiast tryb pomiaru dotyczy pomiaru jednej z dwóch wielkości, lub też obu w sekwencji. Pełna struktura rejestru konfiguracyjnego znajduje się na rysunku 4. Warto dodać, że w rejestrze znajduje się także możliwość włączenia lub wyłączenia grzałki służącej do testowania pomiaru temperatury i usuwania wilgoci zgromadzonej wewnątrz urządzenia. Domyślna wartość rejestru po resecie wynosi 0x1000 i oznacza pomiar temperatury i wilgotności w sekwencji oraz maksymalną rozdzielczość – 14 bitów.

Rysunek 4. Rejestr konfiguracyjny (0x02) (źródło: dokumentacja układu HDC1080)

Kod do obsługi modułu – konfiguracja I2C

Obsługa modułu PmodHYGRO w przykładzie znajduje się w pliku PmodHYGRO.c. Funkcja PmodHYGRO_Config(), przedstawiona na listingu 1, odpowiada za konfigurację interfejsu I2C. Ustawia ona m.in. wartość rejestru I2C_TIMINGR, odpowiedzialnego za konfigurację przebiegów czasowych na liniach SDA i SCL. Definicja tego rejestru znajduje się na rysunku 5. Pole PRESC jest preskalerem głównego sygnału zegarowego taktującego moduł I2C mikrokontrolera, natomiast SCLL i SCLH ustalają długość stanu niskiego i wysokiego sygnału zegarowego. Pozostałe dwa pola dotyczą sygnału na linii danych SDA i oznaczają czas pomiędzy ustaleniem stanu na linii danych, a narastającym zboczem zegara (SCLDEL), a także czas pomiędzy opadającym zboczem zegara, a zmianą stanu na linii danych (SDADEL). Faktyczne wartości wszystkich wymienionych parametrów poza SDADEL mają wartość o 1 większą niż ustawiona w rejestrze. Konfiguracja kończy się wywołaniem funkcji opóźniającej – HAL_Delay realizującej wymagane przez układ HDC1080 opóźnienie 15 ms w celu inicjalizacji urządzenia (start-up time).

Listing 1. Konfiguracja I2C

void PmodHYGRO_Config()
{
  pmodHygroI2c.Instance = I2C2;
  pmodHygroI2c.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  pmodHygroI2c.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  pmodHygroI2c.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  pmodHygroI2c.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  pmodHygroI2c.Init.OwnAddress1 = 0x01;

  // Set the I2C_TIMINGR register to fulfill the HDC1080 timing requirements (max 400kHz).
  pmodHygroI2c.Init.Timing = 0x10563046;

  HAL_I2C_Init(&pmodHygroI2c);

  // The HDC1080 requires at most 15 ms start-up delay.
  HAL_Delay(15);
}

Rysunek 5. Definicja rejestru I2C_TIMINGR (źródło: dokumentacja mikrokontrolera STM32L496ZG)

Konfiguracja GPIO

Konfiguracja GPIO (piny PF0 i PF1) i włączenie zegara dla I2C znajduje się w funkcji HAL_I2C_MspInit, przedstawionej na listingu 2. Jest ona wywoływana wewnątrz biblioteki HAL, w funkcji HAL_I2C_Init. Wartość rejestru konfiguracyjnego nie jest modyfikowana podczas konfiguracji, więc obowiązuje wartość domyślna omówiona wyżej.

Listing 2. Konfiguracja GPIO

void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
  __HAL_RCC_I2C2_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
  GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C2;
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;
  HAL_GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);
}

Odczyt wartości

Ostatnią z funkcji w pliku PmodHYGRO.c, przedstawiono na listingu 3. Jest odpowiedzialna za wyzwalanie pomiaru, a także odczyt wartości. Pierwszym krokiem jest zapisanie adresu rejestru zawierającego zmierzoną wartość temperatury (adres 0x00). Jest to jednoznaczne z wyzwoleniem sekwencji dwóch pomiarów: temperatury i wilgotności, ze względu na ustawiony tryb pracy w rejestrze konfiguracyjnym. Czas konwersji wynosi 6,5 ms dla pomiaru wilgotności i 6,35  ms dla pomiaru temperatury przy rozdzielczości 14 bitów. Z tego powodu, po wysłaniu adresu 0x00 wprowadzono opóźnienie 13 ms przed wykonaniem odczytu. Odczyt danych obejmuje 4 bajty, które można uzyskać w jednej transakcji I2C. Konwersja odczytanych danych na wartości temperatury i wilgotności jest zgodna z zależnościami przedstawionymi w dokumentacji układu HDC1080. Są one pokazane na rysunku 6.

Listing 3. Pomiar i odczyt wartości temperatury i wilgotności

void PmodHYGRO_GetMeasurements(int16_t* temperature, int16_t* humidity)
{
  // Write the address 0x00 pointing to temperature register in order to execute the measurements.
  uint8_t data[4] = {0};
  HAL_I2C_Master_Transmit(&pmodHygroI2c, PMODHYGRO_ADDRESS, data, 1, 100);

  // Wait for the measurements to complete.
  HAL_Delay(13);

  // Read the four bytes starting from address 0. First two bytes contain the 14-bit temperature
  // value, the last two bytes - humidity value.
  HAL_I2C_Master_Receive(&pmodHygroI2c, PMODHYGRO_ADDRESS, data, 4, 100);
  uint16_t temperatureRaw = (data[0] << 8) | data[1];
  uint16_t humidityRaw = (data[2] << 8) | data[3];

  // Calculate the real temperature and humidity values according to the formula described on the
  // website: https://reference.digilentinc.com/reference/pmod/pmodhygro/reference-manual
  float temp = (temperatureRaw * 1.0 / (1 << 16) * 165) - 40;
  *temperature = temp * 10;

  temp = (humidityRaw * 1.0 / (1 << 16)) * 100;
  *humidity = temp;
}

Rysunek 6. Konwersja temperatury i wilgotności (źródło: dokumentacja układu HDC1080)

Funkcja PmodHYGRO_GetMeasurements jest wywoływana raz na sekundę w pętli głównej programu, natomiast wartości temperatury i wilgotności są wypisywane za pośrednictwem portu szeregowego LPUART1, którego obsługa znajduje się w pliku serial.c.