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

STM32F4: Configurar el PWM con Timers

Un timer no es más que un contador. Es como un reloj que se usa para medir eventos temporales. Se configura a través de unos registros especiales y se puede elegir, entre otras cosas, su modo de funcionamiento.

En el ejemplo de hoy vamos a trabajar con la placa de desarrollo 32F411-DISCOVERY y nuestro objetivo va a ser aprender a configurar el TIM4 en modo PWM para controlar la intensidad de luz del led Naranja que viene integrado en la placa.

Esta placa está basada en el microcontrolador STM32F411 el cual dispone de hasta 11 Timers, de los cuales 6 pueden ser de 16 bits, y 2 de 32 bits, cada uno con hasta 4 canales de IC/OC/PWM o contador de pulsos. Además de 2 timers watchdog y un Systick Timer.

A través del software CubeMX activaremos el PWM Generation CH2 del TIM4 en la pestaña Pinout. Además de que asociaremos el pin PD13 la función alternativa de TIM4_CH2 (Channe2 PWM Generation CH2).

timers1

Con esto habremos conseguido dos cosas: por un lado configurar el canal 2 del Timer4 en modo PWM, y por otro lado asociar la salida del PWM al pin PD13, que es donde se encuentra el led naranja.

Tras esto pasamos a la pestaña Configuration y ahí configuramos el control del TIM4. Dentro de la pestaña de Parameter Settings hay 3 parámetros numéricos que debemos entender para configurarlos correctamente.

Prescaler (PSC – 16 bits value).

Con este valor podemos fijar la frecuencia del reloj asociado al Timer dividiendo la frecuencia del reloj de sistema.

Counter Period (AutoReload Register – 16 bits value).

Será el valor en el cual nuestro Timer saltará y nos avisará de alguna forma, ya sea reiniciándose o lanzando una interrupcion, etc.

Pulse (16 bits value).

Con este valor podemos fijar el ciclo de trabajo de nuestro PWM.

  • FreqTimer = FreqClock / (Prescaler + 1)
  • Prescaler = (FreqClock / FreqTimer) – 1
  • FreqPWM = FreqTimer / (CounterPeriod + 1)
  • Period = (FreqTimer / FreqPWM) – 1
  • Pulse = ((Period + 1) * DutyCicle) / 100 – 1
Queremos llevar a cabo dos ejemplos, por un lado queremos ver parpadear el led a varios ciclos de trabajo diferentes, y por otro lado queremos configurar un dimmer del led.

A grandes rasgos, lo que hacemos con esta técnica es fijar el periodo de la señal utilizando la frecuencia del PWM, y utilizar la frecuencia del timer para poder modular el ancho del pulso. Siendo esta frecuencia del timer una división de la frecuencia de reloj de nuestro microcontrolador.

Ejemplo 1. Parpadeo del led.

Para el parpadeo del led queremos un periodo de trabajo lento para que nos de tiempo a ver esa conmutación entre encendido y apagado del led. Es por ello que hemos fijado la Frecuencia del PWM a 1Hz. Luego, para hacer el resto de operaciones más fáciles hemos fijado la FreqTimer a 10 Khz. Con estos datos y usando las ecuaciones anteriores obtenemos:

  • APB2 timer clocks = 96 Mhz
  • Objetivo de PWM Freq = 1 Hz
  • Prescaler = 9599
  • Period = 9999

Para poder ver el cambio de parpadeo del led usaremos estos tres valores de Pulse (% Duty cicle).

  • Pulse: 99 (1%), 4999 (50%), 9899 (99%)

Ejemplo 2. Dimmer del led.

En este caso queremos que el periodo de trabajo sera muy pequeño para que las transiciones sean fluidas para el ojo humano. Es por ello que en este ejemplo hemos fijado la Frecuencia del PWM a 10 Khz. Luego, para hacer el resto de operaciones más fáciles hemos fijado la FreqTimer a 2 Mhz. Con estos datos y usando las ecuaciones anteriores obtenemos:

timers2

  • APB2 timer clocks = 96 Mhz
  • Objetivo de PWM Freq = 10 Khz
  • Prescaler = 47
  • Period = 199

Para poder ver un dimmer en el led recorreremos todos los valores posibles de Pulse (% Duty cicle).

  • Pulse: 0 (0%)-199 (100%)

Ejecución de los ejemplos

Una vez hemos generado la plantilla de código con CubeMX es momento de continuar en Eclipse.

Ahora debemos tener en cuenta que para que el PWM se ponga en funcionamiento tenemos que llamar a la función

Y para poder hacer cambios en el valor de Pulse desde Eclipse debemos llamar a la macro

STM32F4: Primeros pasos con el entorno de desarrollo

En el tutorial que vamos a llevar a cabo hoy veremos como instalar todas las herramientas de desarrollo para poner en marcha la placa de desarrollo 32F411-DISCOVERY. Una vez tengamos todas las herramientas instaladas procederemos a compilar y ejecutar un programa que haga parpadear un led.

Unos de los entornos de desarrollo integrado (IDE) que nosotros usamos en el B105 es eclipse. Para trabajar y poder compilar de forma cruzada para los STM32 existe una versión de eclipse que contiene todos los plugins y librerias necesarias para trabajar con dispositivos de STM llamada System Workbench for STM32 (SW4STM32). Es una herramienta gratuita que debéis descargar e instalar en vuestro ordenador. Para poder descargarla tendréis que registraros en la web. Es posible, que si no lo tenéis instalado todavía, tengáis que instalar Java en vuestro ordenador.

eclpse

 

Ahora procedemos a descargar e instalar el software STM32CubeMX que no es más que un generador de código de inicialización para los microcontroladores y plataformas de desarrollo de ST. Con este software podremos crear el código inicial con las capas de abstracción hardware con las que queremos inicializar nuestra plataforma.

cubmxAl instalar SW4STM32 y CubeMX se nos deberían instalar los drivers correspondientes para poder usar el programador integrado en la placa Discovery para el STM-Link v2 o v2.1.

Proyecto Toggle Led

Abrimos CubeMX y creamos un nuevo proyecto. En la pestaña Board Selector elegimos nuestra placa STM32F411E-DISCO.

cubemx1

 

A través de este software se pueden activar y desactivar los periféricos y los middlewares disponibles en el microcontrolador STM32F411. Además se pueden asociar los periféricos y funciones a los pines, o asignar funciones alternativas a un pin tales como: GPIO de salida, entrada, de interrupción, analógico, de PWM, etc.

Antes de configurar nada del microcontrolador vamos a configurar el programa para que nos genere el código con la estructura correcta. Para ellos entraremos en Project Settings, pondremos un nombre a nuestro proyecto en Project Name, por ejemplo Toggle Led. En Toolchain/IDE seleccionaremos SW4STM32 y desactivamos el Generate Under Root.

Bajo la pestaña Code Generator seleccionamos Copy only the necessary library files, Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’, Keep user code when re-generating y Delete previously generated files when not re-generated. Aceptamos la configuración.

Ahora nos fijaremos en el pin PD12, que está asociado al led verde. Comprobamos que está en modo GPIO_Output. Y ahora simplemente confiamos que el resto de configuraciones por defecto son correctas.

Generamos el código pulsando sobre Project -> Generate Code. El programa comenzará a generar todo el código y al finalizar, en el cuadro emergente pulsaremos sobre abrir proyecto. Esto nos debe abrir e incluir el proyecto en SW4STM32 (Eclipse).

Podemos ver como tenemos una estructura de directorios y ficheros que nos ha generado CubeMX con todos los drivers y librerias necesarias para nuestro sencillo proyecto. Si abrimos el main.c podemos ver que hay muchas líneas que dicen USER CODE BEGIN/END.

eclipse2

 

Es muy importante que todo el código que escribamos lo hagamos centro del bloque BEGIN/END. De lo contrario, cuando volvamos a generar código CubeMX lo sobreescribirá y no lo conservará.

En la inicialización vemos que se hace la llamada a MX_GPIO_Init(), con eclipse si mantenemos pulsado la tecla Ctrl mientras hacemos click sobre las función, nos abrirá su definición. Y la leemos un poco podemos ver una sección donde se define la funcionalidad del LD4_Pin asociado al puerto GPIOD y pin GPIO_PIN_12 que en nuestro caso es el GPIO asociado al Led Verde.

Si ahora accedemos a la definición de HAL_GPIO_Init() nos abrirá el fichero stm32f4xx_hal_gpio.c donde podemos ver todas las funciones de la HAL que nos ha generado CubeMX, entre ellas las de Read, Write y Toggle de un GPIO.

En nuestro caso, dentro del while(1) del main() haremos uso de HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_12) para hacer parpadear el led. Para que podamos visualizarlo tendremos que poner un HAL_Delay(500).

Solo nos falta compilar, y debuguear en Ac6 STM32 C/C++ Application. Si dado el caso os preguntan que interfaz deseas utilizar (JTAG o SWD), debéis seleccionar SWD para la correcta comunicación con la placa de desarrollo. Y con eso podremos ver parpadear nuestro led verde cada 0.5 segundos en nuestra plataforma de desarrollo.