ETC Embedded Technology Club setkání 1, 3B zahájení třetího ročníku

Transkript

1 ETC Embedded Technology Club setkání 1, 3B zahájení třetího ročníku Katedra měření, Katedra telekomunikací,, ČVUT- FEL, Praha doc. Ing. Jan Fischer, CSc. ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 1

2 ETC Embedded Technology Club setkání 1, 3B zahájení třetího ročníku Katedra měření, Katedra telekomunikací,, ČVUT- FEL, Praha doc. Ing. Jan Fischer, CSc. ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 2

3 ETC organizace ETC Embedded Technology Club Klub pro studentky a studenty středních a vysokých škol se zájmem elektroniku o embedded systémy (s mikroprocesory) a jejich aplikaci Pravidelná setkání v úterý v 17 hod na FEL v místnosti 505 /A3 Forma: výklad- přednáška a laboratorní experimenty Katedra telekomunikační techniky a katedra měření In. Jaroslav Burčík, PhD, doc. Ing. Jan Fischer, CSc. Úlohy podle zkušeností Cíl schopnost realizace vlastního zařízení, přístroje s mikroprocesorem. Zařízení typu: přístroj, hračka, robot, robotická hračka, robotické autíčko, ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 3

4 ETC- náplň Seznámit se s teoretickými základy, praktické experimenty v oblasti elektroniky ealizace kitu F0-Lab s mikrořadičem STM32F042F6P6 s jádrem AM Cortex M0 Kit F0- Lab bude připojen k PC přes rozhraní USB. Měřicí přístroj vznikne nahráním našeho firmware do STM32F042. F0- Lab bude využit jako voltmetr, generátor, osciloskop Možnost programování procesoru v C/C++ v F0- Lab pomocí on- line IDE mbed www. Mbed.org Nejdříve základy elektroniky s využitím F0- Lab (odporový dělič, obvod s LED, tranzistor, zesilovač s tranzistorem). Prokládat jednoduchými úlohami s programováním kitu v C/C++. Později- pájení součástek, i procesoru. ealizace jednoduchého přístroje s procesorem. ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 4

5 Bezpečnost práce, pravidla práce v laboratoři Tašky a břemena odložit (např. pod stůl) tak, aby nehrozilo zakopnutí, nehoupat se na židlích, dohlížet na své věci Pozor při procházení laboratoři mezi židlemi Pokud možno sedět na stejném místě po dobu kurzu v laboratoři Věnovat se určené práci, neohrozit sebe ani ostatní Okamžitě hlásit vyučujícímu problémy s bezpečností práce Při nejasnostech se vždy neprodleně zeptat Při štípání drátu kleštěmi stínit rukou konec drátu tak, aby případně nemohl odletět mimo pracovní prostor Chránit oči, nemít oči blízko manipulovat s nářadím a dráty pouze v dané pracovní oblasti, práce se šroubovákem Při práci s nářadím se věnovat výhradně této činnosti a neotáčet se kolem Dbát, aby při štípání kusy drátu a izolace nezapadly do klávesnic ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 5

6 Bezpečnost při pájení Při pájení věnovat se plně činnosti, nemanipulovat pájkou mimo pracovní prostor pájení, pozor nebezpečí vlastního popálení nebo poškození síťového přívodu pájkou. Nezvedat pájedlo nad pracovní oblast, zásadně negestikulovat s pájedlem v ruce, držet pájedlo vždy v bezpečné vzdálenosti od očí. Pájku odkládat pouze do určeného držáku. Držet pájedlo (a dotýkat se jí) pouze za určené držadlo, nedotýkat se kovových částí pájedla. Pozor na nebezpečí znečistění rukou a oděvu tavidlem nebo cínem Potvrzení seznámení se zásadami bezpečnosti práce v laboratořích podepsat formulář. ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 6

7 Základy, opakování fyziky Veličiny a jednotky Napětí, označení U jednotka V volt Proud, I A ampér Odpor Ω Ohm Vodivost G S Siemens Kapacita C F Farad G 1 Pozn. V anglosaská lit. se napětí označuje jako V (voltage) Známe a umíme použít Ohmův zákon U I U I I U U I ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 7

8 ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 8 Paralelní a sériové řazení rezistorů Sériovým řazením roste odpor celkové kombinace s Paralelním řazení klesá odpor celkové kombinace s, roste vodivost, pro zapamatování jednodušší sčítají se vodivosti G (vodivost G = 1/ v jednotkách Siemens) Pro dva odpory lze upravit na p s p P G G G G

9 Využití paralel. a sériového řazení dvou rezistorů Sériové řazení - pro zvýšení odporu, získání hodnoty, která není právě k dispozici např. je k dispozici 10 k, potřebujeme 20 k, volba 10 k + 10 k = 20 k s Paralelní řazení pro snížení odporu Např. 10k a 10k na P = 5 k Využití např. pro získání mírně nižší hodnoty, Např. je třeba 9k1, ale je k dispozici jen 10 k, p ,1 10 9,1 1 p 2 1 p 101,1 Paralel. kombinací 2 = 100k a 10k se získá 9k09 ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 9

10 Prvky - rezistor ezistor (často označovaný jako odpor) Při výkladu je vhodnější označovat jako rezistor - prvek, součástka, rezistor má odpor odpor fyzikální vlastnost, rezistor má odpor (s tím bývá problém, i my to nechtěně zaměňujeme) Odpor v Ohmech. značka Ω 3300 Ohmů označení v elektrotechnice zkráceně ve schématu 3k3, Ω - 1M2, 4,7 Ω označení 47 k kilo 10 3, M mega 10 6, jednotky Ohmů (k jako 1000), podobně = = označ. ve schématu 1M2 Pozor na označení na SMD součástkách: 4700 Ω = 47 x 10 2 označení na součástce 472, (to znamená 4700 Ohmů a ne 470, jak by se zdálo) podobně Ω = 10 x 10 5, označení 105 znamená 10 x 10 5 stejně značení hodnoty odporu barevným proužkovým kódem xyz ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 10

11 Barevný kód značení odporu rezistorů Barevné značení velikosti odporu standardních rezistorů s drátovými vývody 430 kohmů =43 x 10 4 označení 434 Tolerance výroby, značena na konci samostat. proužkem Pokud jsou smíchané rezistory o různých hodnotách odporu nespoléhat na čtení, ale raději zkontrolovat Ohmetrem, Dle: ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 11

12 Nepájivé kontaktní pole a jeho propojení Příčné propojení pět vedlejších kontaktů ve střední části Podélné propojení čtyři nezávislé napájecí sběrnice Některá typy polí (také naše pole) s přerušením sběrnice uprostřed ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 12

13 Kondenzátory používané v experimentech Elektrolytický kondenzátor, rozlišení polarity, záporný pól označen přepólování vede k destrukci, použití blokování napájení elektrolytický kondenzátor 22 uf - ( minus) pól + ( plus) pól - pól označen na pouzdře též jako U keramických a svitkových kondenzátorů se nerozlišuje polarita vývodůbipolární použití (nezáleží na polaritě přivedeného napětí) keramický kondenzátor 100 nf svitkový kondenzátor 220 nf ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 13

14 Diody Si Dioda křemíková dioda (s přechodem PN), katoda je označena proužkem širším, než jsou ostatní proužky napětí v předním směru přibl. 0,7 V indexová značka - pruh katoda anoda Světlo emitující dioda červená LED, napětí v předním směru přibl. 2 V Indexová značka (ploška zboku na spodní straně pouzdra je označuje katodu u nové LED katoda má kratší vývod (kratší vodič) indexová značka katoda anoda ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 14

15 Zdroj + 3,3 V Pro napájení mikrořadiče (mikroprocesoru) - potřeba napětí 3,3 V, z PC- USB je + 5 V, potřena snížit na 3,3 V egulátor napětí, (stabilizátor poskytuje na výstupu stabilizované napětí nezávisle na změnách napětí na vstupu), z většího vyrábí menší napětí Zpětnovazební regulátor - porovnání napětí U SENS s žádanou hodnotou 3,3 V je menší přidej, je větší- uber pomocí akčního členu (analogie - redukční ventil, tempomat v autu, regulátor topení..) Záporná zpětná vazba- základ všech regulátorů + 5 V + U 5 0 IN regulátor napětí 3,3 V akční člen?? =+3,3 V vyhodnoc. blok GND U sens. 3,3 V OUT + 0 zátěž I Z U 5 USB zdroj 5 V + 0 C B1 C B2 C B3 C B4 GND egulátor 3,3 V UCC = +3,3 V + 3,3 V 0 ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 15

16 egulátor napětí HT7533 HT7533 egulátor (stabilizátor) napětí 3,3 V, tolerance výroby - hodnoty 3,2 až 3,4 V proud až 100 ma Pouzdro TO92 stejné, jako tranzistor BC546 pozor na záměnu s BC546 i s jinými regulátory např. LE33 odlišné rozložení vývodů Pozn.: V katalogu u HT7533 uvedeno 100 ma Low Power LDO, v textu je uvedeno three-terminal. regulator Pozor na zkrat na výstupu, z USB napětí + 5 V P= U x I = 5 V x 0,1 A= 0,5 W ohřátí regulátoru omezení proudu na 100 ma ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 16

17 Experiment zapojení regulátoru napětí 3,3 V Na kontaktním poli zapojit regulátor napětí HT7533 Použít blokování pomocí elytů 22 uf příp. i keramických kondenzátorů 100 nf na vstupu i výstupu ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 17

18 Mikrořadič STM32F042 Mikrořadič ( mikroprocesor ) s jádrem AM Cortex M bitový mikrořadič. ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 18

19 STM32F042 ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 19

20 Mikrořadič STM32F042 a příklad jeho použití. ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 20

21 Bloková struktura mikrořadiče STM32F031 STM32F031 oproti STM32F042 varianta bez USB zde uveden pro názornost COTEX TM -M0 CPU 48MHz Nested vect. IT Ctrl SW debug w/ OP level2 protection 1 x Systick Timer Fast I/O interface 27/39/55 AM Lite Hi-Speed Bus Matrix / Arbiter (max 48MHz) Flash I/F DMA 5 Channels up to 32kB FLASH Memory up to 4kB SAM eset Clock Ctrl CC AM Peripheral Bus Power Supply PO/PD/PVD PLL 5 backup regs TC I-WDG w/ AWU 20 bytes HSI 8MHz 1% XTAL 4~32MHz XTAL 32KHz LSI 40KHz STBY/VBAT Up to 16 Ext. ITs Win-WDG 1 x 32-bit TIME 4ch (max 48MHz) 1 x 12-bit ADC 16ch / 1µs T C sensor 1x SPI w/ I2S 1x I²C w/ FM+ 20mA 1 x 16-bit TIME 4ch 1x USAT 3 x 16-bit TIME 1ch (2 with cpl/dt) 1 x 16-bit TIME 2ch (1ch w/ cpl/dt) 8/16-bit 3x2ch + 1ch applications Advanced TIME ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 21

22 ealizace F0-Lab s mikrořadičem ealizace laboratorního přístroje F0-Lab s mikrořadičem STM32F042F6P6 STM32F042F6P6 má procesor. jádro AM Cortex M0, 32- bitový procesor Obsahuje paměť programu FLASH, paměť AM, sběrnice, vstupně výstupní brány, čítače- časovač, převodník ADC (analogo. číslicový) s rozlišením 12 bitů Výstupem převodníku ADC při měření napětí jsou binární čísla až (což představuje 0 až 4095 dekadicky) ozsah převodníku ADC je určen napětím V DDA Pokud je V DDA = 3,3 V pak je krok (kvantum) převodníku přibl. 0,8 mv ozlišení - srovnatelné s 3 ½ místným multimetrem. Pomalé měření napětí 100 S/s (tedy 100 sample/sec.) využití pro funkci voltmetr, průměrování - určení střední hodnoty z více odměrů pro snížení kolísání výsledku měření působením rušení a šumů Opakované měření napětí záznam průběhu napětí v čase (osciloskop) ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 22

23 STM32F042 Struktura STM3F042 ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 23

24 Limity napětí na STM32F042, aneb jak to nespálit Obvod STM32F042 je vyroben technologii CMOS (stejně jako drtivá většina ostatních procesorů) a z toho vyplývají omezení Napájení V DD a V SS GND se nesmí přepólovat = otevře se substrátová dioda a poteče velký proud omezený napájecím zdrojem. Obvod bude topit Na vstupech nesmí být záporné napětí (nižší potenciál, než na V SS ) na V DD zapojit 3,3 V (může být i menší až 2,4 V) Na vstupy voltmetru nesmí být přivedeno napětí větší než napájecí (V DDA ), otevřely by se přechody PN na vstupu a tekl by proud přes tuto diodu do napájení- a může se poškodit vstupní struktura ( tedy na vstup procesoru bez napájení se nesmí přivést žádné napětí!!!) Jak řešit ochranu? Do série se vstupem zapojit ochranný rezistor alespoň 470 Ohmů, kterým se omezí velikost proudu!!! V modulu s STM32F042 jsou napájecí piny V DDA a V DD propojeny ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 24

25 STM32F042 limity napětí. ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 25

26 Signály procesoru, zapojení Pin 16 V DD digitální napájení +3,3 V Pin 5 V DDA analogové napájení +3,3 V ( u nás propojeno V DD a V DDA ) Pin 15 Pin V SS GND - zem, na 0 V Pin 4 NST reset, na tlačítko a na zem GND Pin 1 BOOT- 0 na + 3,3 V volba BOOT (nahravání firmware do flash) BOOT- 0 na GND (zem) volba UN běh programu Pin 10 PA4 Blikání LED zapojené proti zemi test Pin 18 na D+ USB konektor Pin 17 na D- USB konektor D+ USB D- USB ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 26

27 Zapojení kitu F0 v- Lab. BOOT UN + 3,3 V P1 TL1 ESET LED STM32F042F6P6 BOOT1 PF0 PF1 NST VDDA PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA14 PA13 D+ D- VDD VSS PB1 PA7 PA6 PA P1 PWM C3 OSC C2 OSC C1 OSC USB D + USB D - U DD = +3,3 V GND USB D - USB D + VBUS = 5 V USB D - USB D+ ID GND + 5 V GND VIN HT7533 GND VOUT C B1 C B2 C B3 C B4 U DD = +3,3 V 470 LED 1 ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 27

28 Uspořádání na kontaktním poli. GND GND USB konektor + 3,3 V HT ,3 V USB D+ USB D- VBUS = 5 V VSS = GND propojky sběrnic BOOT 0 NST VDDA PA0 PA1 PA2 PA3 PA nf STM32F VDD VSS PB1 PA7 PA6 PA5 + 3,3 V D+ D- propojení napájení + 5 V na sběrnici 22 uf ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 28

29 Postup sestavení a oživení kitu Sestavovat kit na kontaktním poli postupně Zapojit konektor USB a zapojit LED s rezistorem 470 Ohmů, rozsvítit LED, určit velikost proudu tekoucího LED podle napětí na rezistoru (odpor, Ohmův zákon) Zapojit konektor USB, regulátor napětí HT7533 3,3V, indikační LED 1s rezistorem a zkontrolovat správnost napětí + 3,3 V Zapojit modul se STM32F042, přepínač BOOT, reset tlačítko, LED na pin 10 přes s rezistorem. Oživit blikání LED 2 na pinu 10 (PA4) s programem dodaným ve Flash Oživit nahrávání firmware do STM32F042 z PC prostřednictvím USB rozhraní Oživit F0- Lab s funkcemi: Impulsní generátor, voltmetr a osciloskop ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 29

30 Materiál na realizaci kitu Nepájivé kontaktní pole + vodiče Modul s STM32F042F6P6 s blokovacím kondenzátorem 100 nf USB micro - konektor HT7533 regulátor napětí +3,3 V LED 2x rezistor 470 Ohmů 2x; Přepínač + tlačítko Kondenzátory:, 2x elektrolytický 22 uf, (2x keramický 100 nf) ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 30

31 Materiál pro domácí práci Na doma pořídit: Micro USB kabel - nutné Ploché malé kleště s možností štípání drátu (vhodné) Levný číslicový multimetr (kategorie Kč) v případně zájmu. Není to ale nutné. Vlastnosti multimetru: výhodné s automat. vypínáním napájení, příp. s vypínáním tlačítkem. (Vypínání otoč. přepínačem je méně pohodlné.) NUCLEO STM32F303E pouze pro zájemce o širší samostanou práci doma.možnost programování pomocí mbed. V laboratoři bude kit využíván ve funkci generátor, osciloskop, Cena je cca 360 Kč. ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 31

32 Pole osazené STM042 osazené pole LED 1 +3,3 V VBUS=+5 V +3,3 V GND VBUS=+5 V STM32F042 GND LED 2 eset egul. 3,3 V BOOT ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha +3,3 V Vnější sběrnice GND- zem 32

33 Zapojení kitu s STM32F042 USB debug ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 33

34 Piny využité ve funkci voltmetr, osciloskop Pro oživení- v STM32F042 nahraný testovací program blikání na PA4: Aplikační program firmware PC aplikace společná Voltmetr + osciloskop PWM out pin 14 generátor PWM pro funkci voltmetr i osciloskop CH1 pin 11 pro funkci voltmetr i osciloskop CH2 pin 12 pro funkci voltmetr i osciloskop CH1 pin 13 pro funkci voltmetr i osciloskop ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 34

35 Příprava Nainstalovat ovládač VCP virtual com port Nainstalovat program DfuSeDEMO Nahrát na disk program pro osciloskop s knihovnami Při problémech s instalací VCP, jít přímo do adresáře, kam se program VCP rozbalil tedy program files a dále STMicroelectronics/Sofrware/virtualcom port driver a spustit dpinst_amd64.exe ( 64 bit. Windows) dpinst_x86.exe pro 32 bit. Windows Podobně postupovat v případě problému s DfuSeDEMO ETC club, 1_3B , ČVUT- FEL, Praha 35