STM32F4: Configuración y uso básico del ADC

Como continuación de los tutoriales relacionados con la placa de desarrollo STM32F411E-Discovery, en este post vamos a explicar las nociones básicas para el uso del ADC.
El ADC (Analog to Digital Converter) es un elemento que se utiliza en electrónica para convertir una señal analógica en una señal digital, es decir, es la comunicación entre Hardware y Software. Al permitir esta comunicación, el ADC se convierte en un elemento fundamental a la hora de poder utilizar las señales digitalmente.

En este tutorial aprenderemos el funcionamiento básico para realizar la lectura de un dato y de una señal, sin utilizar el DMA.

 

CONFIGURACIÓN INICIAL

El primer paso es utilizar CubeMX, al igual que en el resto de tutoriales. Para entender la configuración básica nos basamos primero en lo que nos cuentan los documentos relacionados con nuestra discovery (manual de usuario y manual de referencia) y con el ADC, y segundo en lo que nosotros buscamos obtener. Esto implica conocer los siguientes conceptos sobre la configuración:

  • Clock Prescaler: la frecuencia a la que se capturarán datos del ADC.
  • Scan Conversion Mode: este modo se activa cuando queremos usar varios canales del ADC.
  • Continuous Conversion Mode: al activarlo el ADC se pone a leer muestras de forma continua.
  • Discontinuous Conversion Mode: se utiliza para convertir un grupo cerrado de conversiones.
  • DMA Continuous Requests: se habilita cuando queremos utilizar el DMA.
  • End Of Conversion Selection: este flag se utiliza para determinar cuando se ha realizado una conversión.
  • Number of Conversion: determina el número de canales que van a realizar conversiones.

En este caso, el trigger externo no es necesario, por lo que se deja la opción de configuración mediante el software. Las opciones de Rank se dejan por defecto salvo que en los documentos anteriores nos indique lo contrario.

Por tanto, escogemos el pin PA1 como ADC1_IN1 y seguimos la configuración que puede verse en las imágenes. Tras lo cual, podemos pasar el código a Eclipse (el resto de pines que se ven marcados son los que se marcan al aceptar la configuración por defecto).

Configuración del ADC
Pin del ADC

Es importante tener en cuenta que aunque el modo continuo esté habilitado, si el modo End Of Conversion Selection está habilitado sólo se realizará una lectura.

 

LECTURA DE UN POTENCIÓMETRO

Conectamos un potenciómetro a la discovery, siendo la salida la conexión con el pin PA1 y los otros dos pines se conectan a VDD (alimentación) y GND (masa).

Entonces, dentro del main.c, tenemos que utilizar una función que permita empezar la conversión, otra que compruebe que el ADC está funcionando de forma correcta (utilizando la opción de polling) y otra que permita leer el valor del ADC. Se deja al lector la implementación de estas 3 funciones, las cuales pertenecen a la HAL – Hardware Abstraction Layer (es decir, aquellas funciones que permiten la interación entre Hardware y Software). Por ello, es conveniente revisar estas funciones, explicadas en este link. El valor deberá ser guardado en una variable.

Finalmente, compilamos y lanzamos el debugger. Al darle a empezar lo que tendremos será el valor que el ADC ha leído del potenciómetro una vez, el cual se encuentra entre 0 y 4096 (debido a los 2^12 bits que tiene el ADC). Para tener claro si el valor es leído correctamente, lo mejor es hacer 3 medidas: una con el potencióemtro en el mínimo (la variable tendría un valor cercano a 0), otra con el potenciómetro en el máximo (la variable tendría un valor cercano a 4096) y otra con el potenciómetro en el valor intermedio (la variable tendría un valor cercano a 2048).

Para leer la variable es necesario pausar la reproducción y poner el cursor encima de la variable en cuestión.

 

LECTURA DE UNA SINUSOIDE

El siguiente paso a dar es conseguir leer una sinusoide correctamente, es decir, teniendo en cuenta que la frecuencia de la señal obtenida es la misma que la de la sinusoide de entrada.

Conectamos el generador de funciones al pin PA1 y generamos una sinusoide de 1 KHz. El uso del osciloscopio para comprobaciones de entrada o salida es opcional y su uso se deja a elección del lector.

Las propiedades del ADC que tenemos que cambiar son las siguientes:

  • hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; — Si lo teníamos DISABLE.
  • hadc1.Init.EOCSelection = DISABLE;

Esto se puede hacer directamente en el archivo adc.c, no es necesario ir a cubeMX a cambiar la configuración.

Sería necesario un array en el que guardar las muestras necesarias para la lectura de la sinusoide. Tras recoger las muestras, es necesario comprobar la señal que se está guardando a partir de estas muestras, lo cual se puede hacer utilizando cualquier herramienta que permita la representación de datos. En este caso, hemos utilizado MatLab, y lo que hemos obtenido es lo que se muestra en la imagen siguiente.

Sinusoide obtenida con los datos leídos del ADC

Podríamos pensar que ha funcionado correctamente al ver la imagen, pero si tenemos en cuenta que tenemos un array de 1000 elementos y una señal de entrada de 1 KHz, deberíamos estar haciendo 1 lectura cada milisegundo como máximo, y entonces podríamos ver un período de la señal. Si realizáramos lecturas más rápidas, veríamos menos de un período; y si son más lentas estaríamos perdiendo muestras y la señal no sería la misma. El problema es que no sabemos a qué velocidad se está realizando la captura y lectura de datos del ADC, pero por la imagen podemos deducir que lo que ocurre es el último caso. Las lecturas son más lentas, lo que provoca que estemos perdiendo muestras, y al perder muestras, para rellenar el array, necesitamos muestras de períodos siguientes, lo que hace que en su representación se observen varios períodos.

Una forma de intentar corregir este aspecto es aumentar la frecuencia de muestreo. Si no conseguimos una buena representación ni cuando la aumentamos, esto quiere decir que la limitación se encuentra en el tiempo que tarda el microcontrolador en procesar las instrucciones, y ahí poco podemos mejorar.

 

CONCLUSION

En este tutorial hemos aprendido a configurar un ADC y a realizar lecturas del mismo, tanto individuales como continuas. Pero los resultados muestran que esta forma de obtener datos solo es útil si buscamos obtener datos independientes o de forma continuada pero lenta.

Para mejorar este comportamiento tenemos dos opciones: utilizar interrupciones o utilizar el DMA. Ambas formas son explicadas en los siguientes tutoriales.

 

Nota: La imagen de la portada ha sido obtenida de THine Electronics

B105 Radar Sensor Developments: Hardware

 

Low-cost radar transceivers such as RFbeam ones allows using radar sensors in several applications where cost is an important constraint. However they need a hardware platform to work properly. Therefore, in B105 Electronic Systems Lab we have designed and implemented a hardware platform that allows obtaining using radar sensors in Doppler operating mode and FMCW operating mode.

The platform developed is low-sized and resource-constraint which allows using it in Wireless Sensor Networks applications in battery powered nodes. The hardware modules of the designed system are described below:

  • Power Source. Probably one of the most importan parts of the system as it must provide power to the radar transceiver and to the analog adaptation modules. The power source must provide 12 V, 5 V and 3.3 V for proper radar operation, and these sources must be highly noiseless to enchance radar performance.
  • Radar Transceiver. The main component of the radar sensor is the transceiver which sends and receive radar signals. K-LC5 and K-LC6 radar transceivers from RFbeam may be used, providing I and Q IF signals, and a VCO pin for FMCW operation.
  • Signal Adaptation Module. Signal adaptation is necessary to process radar I and Q signals and obtain information from them. An amplification stage, a low-pass filter and a high-pass filter are used in this module. Besides, a single-ended to differential stage is also used to improve signal acquisition.
  • Signal Acquisition. An ADC is used to digitalize the analog signals so they can be processed. The ADC used can be sigma-delta or SAR, with the higher resolution possible (12 to 16 bits), and with speeds from 10 KHz to 1 MHz. In our platform, the acquisition is done by the main microcontroller.
  • Signal Generation.  A DAC is used to generate the signals to modulate the radar transceiver through its VCO pin. Besides, an adaptation stage is implemented to provide adequated modulation signals to the radar transceivers. The DAC used in our platform is integrated in the main microcontroller.
  • Processing Unit. A microcontroller is needed to process the acquired signals and obtain information from them. In our design a low-power STM32L496 microcontroller is used.

Radar HW

 

Tests de Funcionamiento de un Sistema de Monitorización de Estructuras

Derivado de un proyecto realizado junto con la escuela de caminos (ETSICCP), entre otros miembros, estamos realizando una colaboración con dicha escuela para finalizar el desarrollo de un sistema de monitorización de estructuras inalámbrico.

El sistema consiste en varias PCBs, cada una de las cuales tiene un objetivo diferente. Por poner algunos ejemplos, hay una PCB para alimentación del sistema, otra para adecuar la señal procedente de los sensores, otra para digitalizar las señales ya adecuadas, etc.

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Imagen del sistema usado para pruebas.

Tras haber realizado múltiples pruebas en el laboratorio y tener montado y testado un sistema cuasi-final nos hemos desplazado de visita a la ETSICCP para hacer unas pruebas con nuestros compañeros “camineros” Jaime y Jose Manuel.

Estas primeras pruebas que hemos realizado han sido unas pruebas de comprobación del funcionamiento del sistema en una forma bastante básica. Esto significa que el objetivo era probar, en una estructura con una vibración controlada y conocida, que los datos registrados y guardados por el sistema se correspondían a los esperados. Los resultados obtenidos, además de exitosos, puesto que se han registrado correctamente las excitaciones inducidas a la estructura, han proporcionado algunas pinceladas para mejorar el sistema. Los siguientes pasos a realizar involucrarán el uso de sincronización inalámbrica entre varias unidades del sistema con vistas a ser capaces de monitorizar grandes estructuras con un mínimo despliegue de cables.

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Captura del montaje realizado sobre una viga.
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Datos recogidos por el sistema.