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: Interrupción externa

En el ejemplo de hoy veremos como asociar la generación de una interrupción externa al botón de usuario que hay en la placa de desarrollo 32F411-DISCOVERY. Después vincularemos a la atención de esa interrupción el toggle del led rojo.

Empezaremos configurando CubeMX, donde ya por defecto nos han puesto el GPIO PA0 configurado como GPIO_EXTI0 que indica que ese pin está configurado como interrupción externa. 

Para ello en la pestaña Configuration, dentro de la configuración de GPIO seleccionamos el pin PA0-WKUP y lo configuramos en modo External Interrupt Mode with Rising edge trigger detection, No pull-up and no pull-down.

Ahora debemos activar dicha interrupción bajo la pestaña Configuration, en la configuración de NVIC, debemos activar la línea EXTI line0 interrupt

Activando estas opciones en CubeMX nos generará el código correspondiente a la inicialización del sistema y activará la interrupción asociada a la linea 0, que en nuestra placa está vinculada al botón de usuario.

Si abrimos el fichero main.c y pinchamos sobre la definición de la función MX_GPIO_Init() podemos ver dos líneas al final del método que fijan la prioridad y activan la interrupción.

Si abrimos el fichero stm32f4xx_it.c podemos ver como ha aparecido una función para la gestión de la interrupción EXTI line0. Si pulsamos sobre la definición de HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(), nos lleva a otro método que limpia el flag de interrupción asociado al GPIO que ha generado la interrupción y llama a su callback asociado HAL_GPIO_EXTI_Callback(). Si vamos a la definición de esta última función vemos que está definida como tipo __weak y en un comentario nos dicen que debe ser implementada en espacio de usuario.

Como nosotros somos muy obedientes copiamos la definición de la función y nos lo llevamos al fichero gpio.c donde dentro del USER CODE 2 pegamos:

A este callback acudirá nuestro programa cuando se detecte una pulsación del botón. Ya que es recomendable hacer el mínimo de operaciones dentro del callback de una interrupción, en este callback sólo realizaremos la operación de toggle del led.

Para ello, dentro de este callback haremos la llamada a HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_14). De esta forma cada vez que se pulse el botón de usuario el led rojo de la placa debe conmutar.

Se deja al lector la resolución de varios problemas tales como el sistema antirebotes software que habría que poner asociado a las interrupciones que se generan a través del botón, o el problema asociado a que dentro del callback habrá que distinguir entre los diferentes GPIOs que generen interrupción.

Solo nos falta compilar, y debuguear en Ac6 STM32 C/C++ Application. Y con eso podremos ver conmutar el led rojo de la placa cada vez que pulsamos el botón de usuario.