ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická BAKALÁ SKÁ PRÁCE Michal Tomáš

Transkript

1 ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická BAKALÁ SKÁ PRÁCE 2009 Michal Tomáš

2 ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra m ení Vývojový modul s procesorem STM32 a jeho programování Ing. Jan Fischer, CSc. Michal Tomáš Praha 2009

3 Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalá skou práci vypracoval samostatn a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v p iloženém seznamu. Nemám závažný d vod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zm n n kterých zákon (autorský zákon). V Praze dne.. podpis ii

4 iii

5 Anotace Bakalá ská práce se zabývá seznámením s architekturou jedno ipového mikrokontroléru s jádrem ARM Cortex-M3 a jeho programování na úrovní jazyka Assembler. V práci je vytvo eno n kolik postup konfigurace vestav ných periferií mikrokontroléru a vlastních motiva ních program. Dále je vyvinuta metodika lad ní program p es sériové rozhraní RS232. Na záv r jsou vytvo eny demonstra ní úlohy k ovládání krokového a stejnosm rného motoru. Annotation The bachelor work deals with the introduction of the architecture of single-chip microcontroller with kernel ARM Cotrex-M3 and its programming at the Assembler language level. In the work there are created several procedures of configuration of embedded microcontroller peripherals and its own motivational programs. Furthermore, there is developed the methodology of the program debugging via serial interface RS232. Finally, there are created demonstration tasks for controlling of stepping and DC motors. iv

6 Obsah 1 Úvod Specifikace hardwaru a softvaru Deska vývojového modulu Vývojové prost edí Zavedení programu do procesoru Architektura ARM Cortex-M Registry jádra procesoru Pam ový prostor Instruk ní sada Zápis instrukce Instrukce p esunu Instrukce aritmetické Instrukce logické Instrukce posunutí Instrukce skoku Instrukce porovnání Zdroj hodinového signálu Vnit ní rychlý zdroj hodinového signálu - HSI Vn jší rychlý zdroj hodinového signálu - HSE Smy ka fázového záv su - PLL Základní jednoduché programy Blikaní LED diodou Konfigurace systému hodin Konfigurace portu Zm na úrovn na portu Komunikace p es sériové rozhraní - USART Konfigurace systému hodin Konfigurace portu Konfigurace USART...26 v

7 Výpo et p enosové rychlosti Vysílání a p íjem p es USART Programy složit jšího typu využívající peiferie Analogov - íslicový p evodník - ADC Konfigurace systému hodin Konfigurace portu Konfigurace A/D p evodníku Obsluha A/D p evodníku Data A/D p evodníku Senzor teploty Jednotka íta e/ asova e TIM Režim asova e a p erušení p i jeho p ete ení Režim pulzní ší kové modulace PWM Režim Encoder Demonstra ní úloha použití jednotky íta / asova e v režimu Ecoder Princip inkrementálního rota ního optického sníma e adi systém p erušení Prioritní systém Nastavení systému p erušení Vn jší zdroj p erušení EXTI Ladící program Monitor Ladící možnosti programu Monitor Princip ladící metody Jak Monitor používat Princi zavedení programu do pam ti Podmínka spušt ní programu Použití p erušení Nastavení taktování systému a p enosové rychlosti Ovládání programu Konfigura ní ást Ladící ást...50 vi

8 8 Demonstra ní úloha ovládání krokového motoru Princip innosti a ízení krokového motoru Unipolární a bipolární ízení Jednofázové a dvoufázové ízení ízení s polovi ním a plným krokem Použitá metoda ízení v úloze Použitý hardware a schéma zapojení krokového motoru Krokový motor Obvod budi e krokového motoru Schéma zapojení s krokovým motorem Možnosti ovládání krokového motoru Popis innosti programu pro krokový motor Demonstra ní úloha ovládání stejnosm rného motoru Metoda ovládání stejnosm rného motoru Princip innosti stejnosm rného motoru ízení stejnosm rného motoru Použitá metoda ízení v úloze Použitý hardware a schéma zapojení stejnosm rného motoru Mechanika se stejnosm rným motorem Obvod ízení stejnosm rného motoru Schéma zapojení se stejnosm rným motorem Popis innosti programu pro stejnosm rný motor Záv r Literatura P ílohy vii

9 Seznam obrázk Obr. 2.1: Nový projekt v prost edí Vision Obr. 3.1: Rozd lení pam ového prostoru...15 Obr. 4.1: Strom systému hodin...22 Obr. 5.1: Zapojení diody na vývojovém modulu...25 Obr. 6.1: innost íta e v režimu Encoder na zm nou úrovn obou signál...36 Obr. 6.2: Schéma p ipojení inkrement. sníma e IRC 110 k mikrokontroléru STM32F103R837 Obr. 6.3: Fotoelektrické snímání metodou prosv tlování...38 Obr. 6.4: Pr b hy výstup inkrementálního sníma e...38 Obr. 6.5: Priorita skupiny...40 Obr. 6.6: Priorita podskupiny...41 Obr. 6.7: Priorita skupiny a podskupiny...41 Obr. 7.1: Nep ímé propojení po íta e a mikrokontrolétu p es ladící rozhraní...43 Obr. 7.2: P ímé propojení po íta e a mikrokontroléru p es periferie...43 Obr. 7.3: Ladící metoda programu Monitor...46 Obr. 7.4: Zjednodušené schéma ladící metody programu Monitor...46 Obr. 7.5: Stav pam ti po zavedení ladícího a lad ného programu...47 Obr. 7.6: Odskok na adresu Monitoru v souboru STM32F10x.s...48 Obr. 7.7: Adresa tabulky vektor p erušení...48 Obr. 7.8: P íklad vytvo ení breakpointu programem Monitor...50 Obr. 7.9: P íklad tení z pam ti programem Monitor...50 Obr. 8.1: Spínání cívek krokového motoru v unipolárním režimu s polovi ním krokem...53 Obr. 8.2: Unipolární krokový motor s vyvedeným st edem...54 Obr. 8.3: Schéma zapojení jednoho spína e Darlingtonova páru budi e...54 Obr. 8.4: Schéma zapojení krokového motoru ovládaného procesorem STM32F103R Obr. 8.5: Obrazovka ovládání krokového motoru...55 Obr. 8.6: Vývojový diagram programu pro ovládání krokového motoru...56 Obr. 9.1: Náhradní schéma stejnosm rného motoru...58 Obr. 9.2: Ideové zapojení stejnosm rného motoru do H-m stku...58 Obr. 9.3: Vnit ní struktura obvodu L Obr. 9.4: Schéma zapojení ovládání stejnosm rného motoru procesorem STM32F103R Obr. 9.5: Vývojový diagram ízení stejnosm rného motoru...61 viii

10 Seznam tabulek Tab. 2.1: Volba Bootování...13 Tab. 3.1: Podmínky pro instrukce skoku a další operace...19 Tab. 5.1: Konfigurace bitu portu...25 Tab. 6.1: Parametry teplotního senzoru udávané výrobcem...32 Tab. 6.2: Volba výb ru aktivního signálu íta e/ asova e v režimu Encoder...35 Tab. 6.3: Tabulka vektor výjimek...39 Tab. 6.4: Stav zásobníku p i p erušení...40 Tab. 6.5: Nastavení priority 3 bitové úrovn s Priority Group Tab. 7.1: Nabídky programu Monitor konfigura ní ásti...49 Tab. 7.2: Nabídky programu Monitor ladící ásti...51 Tab. 8.1: Nabídka p íkaz pro ovládání krokového motoru...55 Tab. 9.1: ízení stejnosm rného motoru...60 ix

11 Seznam rovnic Rce. 3.1: Obecná rovnice bitové adresy...15 Rce. 3.2: Adresa v pam ovém prostoru...16 Rce. 5.1: Rovnice p enosové rychlosti pro USART...27 Rce. 6.1: Doba p evodu A/D p evodníku...29 Rce. 6.2: Velikost nap tí na jeden bit A/D p evodníku...31 Rce. 6.3: Stanovení teploty ve C...31 Rce. 6.4: Frekvence zm ny stavu íta e/ asova e...33 Rce. 6.5: Frekvence p ete ení jednotky íta e/ asova e...33 Rce. 6.6: initel pln ní signálu PWM jednotky íta e/ asova e...34 Rce. 9.1: Rovnice obvodu kotvy stejnosm rného motoru...57 Rce. 9.2: Moment stejnosm rného motoru...57 Rce. 9.3: Indukované nap tí kotvy stejnosm rného motoru...58 x

12 1 ÚVOD V dnešní dob jsou tém veškerá elektronická za ízení, jako výrobky spot ební elektroniky, výrobky m ící techniky, ale i výrobky dalších odv tví, vybavena alespo jedním mikroprocesorem. Spousta t chto aplikací stále používá populární, ale vývojov relativn staré jedno ipové mikrokontroléry ady 8051, p ípadn jejich klony. Jedná se o pom rn pomalé 8-bitové mikrokontroléry, a jelikož se nároky na výpo etní výkon, velikost pam ti a na vybavení vestav nými perifériemi neustále zvyšují, je pot eba hledat jinou variantu, která splní tyto požadavky. Vhodnou volbou mohou být mikroprocesory z rodiny 32-bitových jedno ipových mikrokontrolér s jádrem ARM Cortex-M3, které disponují relativn vysokým výkonem a umož ují spolupráci s adou využitelných periferií. Toto jádro se stalo stavebním kamenem n kterých výrobc jedno ipových mikrokontroler, jako ST Microelectronics, Luminary Micro, Actel a NXP, a liší se zejména práv volbou vestav ných periferií. Výsledná funkce tém každého mikrokontroléru je ur ena teprve až vloženým programem, a k jeho vytvo ení je pot ebná znalost vhodného programovacího jazyka. V sou asné dob je již mén populární programování v jazyce Assembler, ale dobrá znalost tohoto jazyka umožní vytvo it rychlý a efektivní kód i ve spoust složitých a technicky vybavených mikrokontrolérech. V porovnání s vyššími programovacími jazyky, nap íklad C a C++, lze pom rn snadno p istupovat k použitému hardwaru, v n kterých p ípadech je to dokonce i nutností. Tento jazyk však nutn vyžaduje úzkou spolupráci s technickým manuálem procesoru. Pro úplné za áte níky programovat v jazyce Assembler mikroprocesory s jádrem ARM Cortex-M3, by mohl být nesnadný úkol, proto je dobré mít n jaké základní znalosti z oblasti programování jedno ipových mikrokontrolér, nap íklad V této dob se výuka mikroprocesorové techniky snaží o p echod ze zastaralého mikrokontroléru 8051 na technologicky vysp lejší architekturu s jádrem ARM Cortex-M3. Hlavní cílem této bakalá ské práce je vytvo ení motiva ní program pro výuku s mikroprocesorem STM32F103R8 v jazyce Assembler. V tomto jazyce nejsou k dispozici knihovny se základním nastavením, jako je tomu nap íklad u jazyka C, je tedy pot ebné vytvo it zejména programy zam ené na konfiguraci periferií, která je pom rn složitá nejen pro úplné za áte níky. K snazšímu vytvo ení aplika ních program bude snaha o vývoj ladící metodiky p es sériové rozhraní RS232 bez jinak nutného hardwarového p ípravku s rozhraním JTAG. 11

13 2 SPECIFIKACE HARDWARU A SOFTVARU K vývoji programu pro mikrokontrolér je zapot ebí mít k dispozici vývojové prost edí pro napsání a simulaci zdrojového kódu a k p ekladu do kódu procesoru. Dále je nezbytný hardware, na kterém se program odladí pro chod v reálném ase. 2.1 Deska vývojového modulu K ov ení funkce program, je použit již hotový vývojový modul s mikrokontrolérem (viz. p íloha A: Zapojení desky s STM32, 48 pin ), který také obsahuje základní vybavení k jeho oživení, resetu a zavedení programu p es rozhraní RS232. Deska modulu je osazena i jednou diodou LED, která je voln k dispozici. Vyvedeny jsou všechny piny pouzdra procesoru, ale pouze n které jsou p izp sobeny k p ipojení na desku nepájivého kontaktního pole. Veškeré aplika ní programy jsou vytvo eny s ohledem na hardwarové možnosti dané desky. Jedná se zejména o p izp sobení k rozložení dostupných vývod pro p ipojení n kterých využívaných vn jších periferií. 2.2 Vývojové prost edí K vývoji a simulaci aplika ních program je využíváno prost edí Vision 3 spole nosti Keil. Umož uje pom rn jednoduchý náhled na stav registr jádra procesoru a pam ového prostoru. K vytvo ení projektu v prost edí Vision 3 je vhodné použít následující postup: 1. V otev eném vývojovém prost edí vytvo íme nový projekt: Project New vision Project, vybereme umíst ní a zadáme název a potvrdíme. 2. Ve vyvolaném okn vybereme typ procesoru: STMicroelectronic STM32F103R8, potvrdíme a následn potvrdíme i p idání Startup Code do projektu. 3. Nyní vytvo íme hlavní soubor, kam bude zapsán zdrojový kód: File New, pak soubor uložíme: File Save As a vhodn pojmenujeme s p íponou ASM do stejného projektu. 4. V okn Project Workspace p idáme vytvo ený soubor do projektu dvojklikem na složku Source Group 1 a v následujícím okn vybereme: Soubory typu: Asm Source File a p idáme náš soubor. 5. Nyní máme p ipraven prázdný projekt, a zbývá jen dopsat pot ebné hlavi ky a p izp sobení k použití p eddefinovaného nastaveni v Startup Code, viz. obr

14 Obr. 2.1: Nový projekt v prost edí Vision Zavedení programu do procesoru Mikrokontrolér podporuje zavedení programu pomocí Bootloader, tj. režim, ve kterém je procesor schopen zavést program do pam ti. Výše zmín ný modul umož uje zavedení programu pomocí sériového rozhraní ozna eného jako USART1 (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter). V jakém režimu má procesor pracovat ukazuje tab K samotnému zavedení programu do ipu je nutná aplikace Flash Loader Demonstrátor, která je voln ke stažení z webových stránek výrobce, jakož i manuál k této aplikaci [1]. Ozna ení pinu BOOT1 BOOT0 Mód bootování x 0 Hlavní programová pam Flash programu 0 1 Systémová pam pro zavedení programu Tab. 2.1: Volba Bootování 0 úrove logické nuly, 1 úrove logické jedni ky, x na úrovni nezáleží 13

15 3 ARCHITEKTURA ARM CORTEX-M3 Cortex-M3 pat í do skupiny 32-bitových mikroprocesor, to znamená, že datový tok je v ší i 32-bit, obsahuje banky 32-bitových registr a 32-bitové rozhraní pro p ístup k pam ti. Pam ový prostor je spole ný pro program i pro data, ale p ístup je dán odd leným sb rnicovým rozhraním, jedná se tedy o procesor harvardské architektury. Zp ístupn ním instrukcí i dat ve stejném okamžiku, je docíleno vyššího výkonu procesoru. 3.1 Registry jádra procesoru Jádro procesoru obsahuje n kolik registr, p es které procesor p ímo vykonává jednotlivé operace. Pro všeobecné použití je zde 13 registr ozna ených R0 R12, kde R8 R12 nelze použít pro 16-bitové instrukce, ostatní mají své specifické použití. Dva registry ukazatele vrcholu zásobníku (Stack Pointer) MSP a PSP, ale v daný okamžik je viditelný pouze jeden z nich a je ozna en jako R13 nebo SP a jeho hodnota se m ní vždy nejmén o velikost jednoho slova (word). Registr R14 nebo LR se nazývá Link Registr a je používán k uchování návratové adresy, nap íklad p i volání podprogramu. Velmi d ležitý registr, ozna ený jako R15 nebo PC, je používán jako programový íta (Program Counter). Procesor má dále ješt n kolik speciálních registr (PSR, PRIMASK, FAULTMASK, BESEPRI, CONTROL), které mohou být zp ístupn ny pouze pomocí speciálních instrukcí. Nap íklad registr PSR, což je stavový registr, který udává informaci o p íznacích po provedené instrukci (Negative, Zero, Carry, Overflow). 3.2 Pam ový prostor Mikroprocesory ARM Cortex-M3 mají již p edem definované rozd lení pam ového prostoru podle obr Pam programu, pam dat a registry vstupních/výstupních za ízení i vestav ných periférií jsou umíst ny do shodného lineárního adresového prostoru. P ístup do pam ti je umožn n 32-bitovou adresou, kde nejmenší adresovatelnou jednotkou je 1 byte, ale b žn se p istupuje k celému slovu (4 byte). V prostoru SRAM a periferií existuje tzv. Bit band region, což je oblast, kde lze bitov adresovat p íslušnou ást pam ti. Každému bitu z bitov adresovatelné oblasti náleží 32-bitová adresa v prostoru Bit band alias, potom pam ovému prostoru velikosti 1 MB odpovídá oblast bitových adres v rozsahu 32 MB. 14

16 ( byte _ offset 32) + ( bit _ 4) bit _ word _ addr = bit _ band _ base + number Kde: Rce. 3.1: Obecná rovnice bitové adresy bit_word_addr adresa jednoho bitu v bitov adresovatelné oblasti, bit_band_base po áte ní adresa bitov adresovatelné oblasti, byte_offset po et bajt v dané adresové oblasti, bit_number íslo bitu v adresovaném slov. P íklad: Výpo et bitové adresy bitu íslo 24 slova na adrese 0x : 0 x = 0x x Obr. 3.1: Rozd lení pam ového prostoru 15

17 Každá periferie i registry samotného jádra procesoru mají svoji unikátní bázovou adresu. K jejich p ístupu je d ležité se seznámit s mapou rozmíst ní jednotlivých komponent, str. 35- [2]. V technickém listu jsou uvedeny pouze offsety p íslušných registr. Výsledná adresa je kombinací báze a offsetu podle rce Kde: ADR = ADR _ base + ADR _ offset Rce. 3.2: Adresa v pam ovém prostoru ADR výsledný adresa registru v pam ti, ADR_base báze adresy registru v pam ti, ADR_offset offset adresy registru v pam ti. 3.3 Instruk ní sada Jeden z d ležitých rys mikroprocesor s jádrem Cortex-M3 je podpora instruk ní sady Thumb-2. Procesor pak m že využívat 32-bitové i 16-bitové instrukce ve stejném programu, a kód potom nabývá velké programové hustoty s vysokou ú inností. Sada podporovaných instrukcí je velmi rozsáhlá str [3], budou tedy zmín ny p íklady jen t ch nej ast ji používaných instrukcí Zápis instrukce Zápis podle typu dat MOV R0, R1 ; data v registru MOV R0, #1 ; p ímá data LDR R0, =1 ; p ímá data LDR R1, [R0] ; nep ímá adresa dat Sada instrukcí se liší možným zápisem typu a velikosti p ímých dat. Zápis s r zným po tem operand a ovlivn ní registru p íznak PSR ADD R0, R1 ; R0 = R0+R1, vliv na PSR ADD R0, R0, R1 ; R0 = R0+R1 ADDS R0, R0, R1 ; R0 = R0+R1, vliv na PSR P eklada v tšinou z ADD R0, R1 vytvo í tvar ADD R0, R0, R1. 16

18 Zápis s požadavkem na délku instrukce ADDS R0, #1 ; 16-bitová instrukce ADDS.N R0, #1 ; 16-bitová instrukce ADDS.W R0, #1 ; 32-bitová instrukce Délku instrukce a její modifikaci obstarává p eklada, ale lze specifikovat Instrukce p esunu Základní instrukce p esunu p ímé hodnoty MOV nebo negované MVN MOV R0, R1 ; R0 = R1 MOV R0, #1 ; R0 = 1 MVN R0, R1 ; R0 = negace R1 MVN R0, #1 ; R0 = 0xFFFFFFFE Instrukce p ístupu k pam ti, tení LDR a zápis STR LDR R0, =0x2000 ; R0 = 0x2000 adresa LDR R1, [R0] ; R1 = slovo na tené z adresy 0x2000 STR R1, [R0] ; R1 = slovo zapsané na adresu 0x2000 LDR R2, [R0, #4] ; R2 = slovo na tené z adresy 0x2004 STR R2, [R0, #8] ; R2 = slovo zapsané na adresu 0x2008 P idáním p ípony B, H nebo D lze p istupovat k bajtu, polovi nímu slovu nebo dvojslovu. Instrukce p ístupu k zásobníku, tení POP a zápis PUSH PUSH POP {R1-R3, LR} ; uložení R1, R2, R3, LR do zásobníku { R1-R3, PC} ; obnovení R1, R2, R3, PC ze zásobníku Tento zápis se používá p i volání podprogram a obsluhy p erušení Instrukce aritmetické Instrukce s ítání ADD a od ítání SUB ADD R0, R2, R1 ; R0 = R2+R1 SUB R0, R0, #1 ; R0 = R0-1 Instrukce násobení MUL a d lení znaménkové SDIV neznaménkové UDIV MUL R0, R0, R1 ; R0 = R0 *R1 UDIV R0, R0, R1 ; R0 = R0 /R1 17

19 3.3.4 Instrukce logické Instrukce logického sou inu AND a logického sou tu ORR AND R0, R0, R1 ; R0 = R0 & R1 ORR R0, R0, R1 ; R0 = R0 R1 Instrukce neg. logického sou inu BIC, neg. logického sou tu ORN a neg. Ekvivalence EOR BIC R0, R0, R1 ; R0 = R0 & (-R1) ORN R0, R0, R1 ; R0 = R0 ( -R1) EOR R0, R0, R1 ; R0 = R0 XOR R Instrukce posunutí Instrukce logické posuvu vpravo LSR a vlevo LSL a rotace vpravo ROR LSL R0, R0, #2 ; R0 = R0 «1, R0 = R0 *4 LSR R0, R0, #1 ; R0 = R0» 1, R0 = R0 /2 ROR R0, R0, #4 ; R0 = R0» 4 ROR R0, R0, #28 ; R0 = R0 « Instrukce skoku Instrukce nepodmín ného skoku podle náv ští a podle adresy v registru B NAVESTI ; skok na adresu NAVESTI BX Registr ; skok na adresu v Registru BL NAVESTI ; skok na adresu NAVESTI a uložení ; návratové adresy v LR BLX Registr ; skok na adresu v Registru a uložení ; návratové adresy v LR Instrukce BL NAVESTI se používá k volání podprogramu a instrukce BX LR pro návrat z podprogramu, kde LR je návratová adresa, která nesmí být p epsána, nap íklad dalším voláním podprogramu uvnit programu p vodního. 18

20 Instrukce podmín ného skoku, podmínky viz. tab. 3.1 BEQ NAVESTI ; skok na adresu NAVESTI p i Z = 1 BLT NAVESTI ; skok na adresu NAVESTI p i V N Zápis instrukce je stejný jako u instrukcí nepodmín ného skoku, ale p idáním p ípony je specifikována podmínka, podle které je proveden skok v závislosti na stavu p íznak v registru PSR. Instrukce skoku p í porovnání s nulou CBZ a CBNZ CBZ R0, NAVESTI ; skok na adresu NAVESTI p i R0 = 0 CBNZ R0, NAVESTI ; skok na adresu NAVESTI p i R0 0 P ípona Podmínka P íznak PSR EQ Equal Z = 1 NE Not equal Z = 0 CS/HS Carry set/unsigned higher or same C = 1 CC/LO Carry clear/unsigned lower C = 0 MI Carry set/unsigned higher or same N = 1 PL Minus/negative N = 0 VS Plus/positive or zero V = 1 VC No overflow V = 0 HI Unsigned higher C = 1 a Z = 0 LS Unsigned lower or same C = 0 a Z = 1 GE Greater than or equal N = V LT Less than N V GT Greater than Z = 0 nebo N = V LE Less than or equal Z = 1 nebo N V AL Always (unconditional) S Update PSR (flags) Tab. 3.1: Podmínky pro instrukce skoku a další operace Instrukce porovnání Instrukce vykonají danou operaci a nastaví p íznaky v PSR, ale bez zápisu výsledku. Používají se v kombinaci s instrukcemi podmín ného skoku. Instrukce porovnání od ítáním CMP CMP R0, R1 ; R0 R1 a nastavení p íznak PSR BLT NAVESTI ; skok na adresu NAVESTI ; p i R0 < R1 (V N) 19

21 Instrukce porovnání logickým sou inem TST TST R0, R1 ; R0 & R1 a nastavení p íznak PSR BLT NAVESTI ; skok na adresu NAVESTI p i V N 20

22 4 ZDROJ HODINOVÉHO SIGNÁLU Velmi d ležitou sou ástí každého mikroprocesoru je zdroj hodinového signálu. P i programování jakékoliv aplikace je dobré v d t s jakou frekvencí systémových hodin, bude procesor pracovat. Obecn platí, že s rostoucí frekvencí se zvyšuje výkon systému, ale také stoupá jeho spot eba elektrické energie. Používaný jedno ipový mikroprocesor má k dispozici t i základní zdroje taktování systému s vysokou rychlostí, které mohou být použity: HSI - vnit ní rychlý RC oscilátor, HSE - vn jší rychlý oscilátor (krystal), PLL - násobi ka se zdrojem HSI nebo HSE. Dále je možné ješt využít dva sekundární zdroje taktování systému s nízkou rychlostí 40 khz nebo 32,768 khz, nap íklad pro režim se sníženou spot ebou. Požadovanou frekvenci je možné do jisté míry nastavit použitím vestav ných d li ek, p ípadn násobi ek. Mikroprocesor podporuje maximální nejvyšší kmito et 72 MHz, který by nem l být p ekra ován. Je to také hrani ní frekvence n kterých vestav ných periferií, ale mnohdy musí být taktování ješt nižší. Podrobný náhled o maximálních frekvencích sb rnic periferií a systému d li ek a násobi ek poskytuje obr Vnit ní rychlý zdroj hodinového signálu - HSI Po resetu systému je HSI (High Speed Internal clock signal) vybrán jako zdroj systémových hodin, vnit ní RC oscilátor s frekvencí 8 MHz. Když jsou hodiny p ímo využívány k taktování procesoru nebo jsou zdrojem pro PLL, nelze je vypnout. P epnutí na jiný zdroj je možný nejd íve po dosažení stability p epínaného zdroje. 4.2 Vn jší rychlý zdroj hodinového signálu - HSE HSE (High Speed External clock signal) poskytuje hodinové pulzy pro systém, bu p ivedením externího signálu do 25 MHz, nebo použitím krystalu i keramického rezonátoru v rozsahu od 4 do 16 MHz. 4.3 Smy ka fázového záv su - PLL PLL (Phase Locked Loop) plní funkci násobi ky frekvence a m že být použita se zdrojem HSI nebo HSE, kde p i výb ru HSI je vstupní frekvence d lena dv ma, tedy HSI/ 2. 21

23 Koeficient násobení je nastavitelný v rozsahu x2 x16. Jakmile je funkce násobi ky povolena, koeficient již nelze zm nit. Maximální nastavitelná frekvence se vstupním zdrojem HSI je 64 MHz. Obr. 4.1: Strom systému hodin 22

24 5 ZÁKLADNÍ JEDNODUCHÉ PROGRAMY 5.1 Blikaní LED diodou První jednoduchý program, kterým lze ov it oživení a správnou funk nost mikroprocesoru, je nejlépe demonstrovat rozblikáním n jaké LED diody p ipojené k jeho brán. Je to vhodné zejména z d vodu pot eby minimálního hardwaru a funk nost je ov itelná i vizuáln. Spousta vývojových p ípravk nejmén jednu diodu obsahuje. Modul použitý pro tuto úlohu má p ipojenu jednu diodu v zapojení pull-up (obr. 5.1) na vývodu íslo 13 portu A. V následujícím textu bude ozna ení použitého vývodu ve shod s p íslušným vývodem pouzdra použitého procesoru, tak jako tomu je v str.16-[4]. Tedy pro tento p ípad se jedná o vývod PA13. Aby program správn fungoval, musí se provést nezbytná konfigurace systému hodin a odpovídajícího portu. Podstata programu spo ívá v periodické zm n úrovn na zvoleném bitu portu s frekvencí pozorovatelnou lidským okem Konfigurace systému hodin Procesor poskytuje n kolik zdroj pro systémové hodiny, viz. kapitola 4. P i po áte ním nastavení je vybrán zdroj HSI, který posta uje k taktování celého procesoru, ale nedosahuje takové p esnosti jako HSE s krystalový oscilátorem. Pro dosažení rychlého a p esného zdroje hodinového signálu je vhodné zvolit PLL násobi ku se zdrojem HSE. Na vývojovém modulu je použit HSE s krystalovým oscilátorem s frekvencí 8 MHz. Nyní bude uveden postup konfigurace PLL s HSE s výslednou taktovací frekvencí 72 MHz a podobné nastavení je použito i v následujících programech. 1. Nejprve je d ležité zapnout zdroj HSE a testovat, zda zdroj dosahuje požadované stability. K tomu slouží bity HSEON a HSERDY registru RCC_CR str. 74-[2]. Teprve po dosažení stability je zvolený zdroj p ipraven k použití. 2. Dále je vhodné nastavit pot ebné d li ky s ohledem na používané periferie, viz registr RCC_CFGR str. 75-[2]. Lepší orientaci poskytne obr Pro tento p ípad sta í nastavit d lící pom r u PPRE1 (APB1), a to s d lícím faktorem 2. D vodem je maximální frekvence 36 MHz sb rnice APB1. Ostatní d li ky jsou ponechány s d lícím faktorem Aby procesor správn fungoval, je nutností nastavit p íslušné ekací stavy k p ístupu Flash pam ti, viz. LATENCY v registru FLASH_ACR str. 21-[5]. Pro tento p ípad jsou 23

25 nastaveny 2 ekací stavy, protože taktovací frekvence je v rozsahu 48 MHz až 72 MHz. Zrychlení p ístupu k pam ti je docíleno povolením zachycení jednoho slova p i tení. Toto nastavení je již po resetu systému a je nutné p i volb d lícího pom ru r zného od d lícího faktoru 1 na d li ce AHB. Povolení je umožn no bitem PRFTBE v registru FLASH_ACR str. 21-[5]. 4. Použije-li se PLL násobi ka, vybere se zdroj vstupních hodin a koeficient násobení, bity PLLSRC a PLLMUL registru RCC_CFGR str. 75-[2]. S frekvencí zdroje HSE 8 MHz a koeficientem násobení x9, je PLL zdrojem hodin o frekvenci 72 MHz. 5. Je-li násobi ka nastavená, zbývá ji uvést do provozu nastavením bitu PLLON a provést test úsp šného rozb hnutí bit PLLRDY, bity jsou p ístupny v registru RCC_CR str. 74-[2]. 6. Samotný zdroj systémových hodin je vybrán bity SW registru RCC_CFGR str. 75-[2]. V tomto p ípad je zvolen PLL, který je nastaven na frekvenci 72 MHz. 7. Nyní jsou nakonfigurovány systémové hodiny, ale aby mohly být používány i požadované periférie, je nutné jim p ivést hodinový signál. Zde bude použit pin PA13, proto musí být povoleny hodiny alternativní funkce portu a vlastního portu A, bity AFIOEN a IOPBEN registru RCC_APB2ENR str. 86-[2] Konfigurace portu Hlavním smyslem portu mikroprocesoru je komunikace s okolím. Každý bit portu m že být nakonfigurován v jednom z mnoha režim dle tab Po áte ní nastavení v tšiny bit portu je aktivní v módu Input floating. Výjimku tvo í vývody, které jsou zárove používány s rozhraním JTAG, jsou to konkrétn vývody PA15, PA14, PA13 a PB4. Mají-li být využívány jinak, než je jejich p vodní funkce, je t eba tuto funkci zakázat. Vývojový modul má na PA13 LED diodu, proto funkce JTAG musí být zakázána, aby bylo možné diodu ovládat. Zakázání funkce JTAG lze bity SWJ_CFG v módu 100 registru AFIO_MAPR str [2]. Protože je LED dioda p ipojena jako výstupní za ízení, bude sta it nakonfigurovat vývod jako univerzální výstup typu push-pull. Jedná-li se o výstup, musí být ješt zvolen mód maximální rychlosti zm ny tohoto vývodu. Vybrat lze frekvenci 2, 10 nebo 50 MHz, pro diodu bude sta it nap íklad frekvence 2 MHz. Volba módu a konfigurace PA13 je provedena zápisem do registru GIPIOx_CRH str.103-[2]. 24

26 Mód portu Univerzální výstup Alternativní funkce výstupu Vstup Typ vstupu/výstupu Push-pull Open-drain Push-pull Open-drain Analog input Input floating Input pull-down Input pull-up Tab. 5.1: Konfigurace bitu portu Zm na úrovn na portu Dioda umíst ná na vývojovém modulu je v zapojení pull-up obr. 5.1, proto její rozsvícení je možné úrovní log. jedni ky. Ovládání úrovn log. 1 nebo log. 0 na výstupu je možné zápisem do registru GPIOx_ODR str. 104-[11]. Protože se jedná pouze o jeden bit, je výhodné provád t tento zápis p es bitov adresovatelnou oblast tzv. bit banding, viz. kapitola 4. Obr. 5.1: Zapojení diody na vývojovém modulu 5.2 Komunikace p es sériové rozhraní - USART Další z jednoduchých program je komunikace s okolím p es sériové rozhraní. Mikrokontrolér obsahuje t i tyto rozhraní pojmenované USART1, 2 a 3 (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) a deska vývojového modulu pracuje práv s USART1, kterého je také využíváno k zavedení programu do pam ti procesoru. Toto rozhraní se požívá k p enosu dat i jiné komunikaci mezi procesorem a osobním po íta em, notebookem nebo jiným za ízením s pot ebným vybavením. Pro pot ebnou komunikaci jsou op t d ležité po áte ní inicializace systému hodin, komunika ního portu a vlastní konfigurace USART. 25

27 5.2.1 Konfigurace systému hodin Podrobný popis jak nastavit zdroj systémových hodin, povolení hodin alternativní funkce portu a portu A, popisuje kapitola Protože je ješt využita další periferie USART1, je pot ebné ji poskytnou zdroj hodinových impulz povolením v registru RCC_APB2ENR str. 86-[2] bitem USART1EN Konfigurace portu Ke komunikaci pomocí USART1 musí být nastaveny dva bity portu, jeden pro vysílání (Tx) a druhý pro p íjem (Rx). Každá periferie má p edem definovány své alternativní vstupy p ípadn výstupy, a pro USART1 jsou to práv PA9 a PA10, jak ukazuje tabulka USART1 remapping v str. 112-[2]. Nastavení vývod portu A je pro PA9 (Tx) jako alternativní funkce výstupu push-pull a pro PA10 (Rx) jako vstup input floating v registru GIPIOx_CRH str.103- [2] Konfigurace USART USART je možné nakonfigurovat do spoustu p enosových mód s volitelnou rychlostí p enosu. Pro jednoduchou základní komunikaci je sériové rozhraní provozováno ob ma sm ry asynchronním p enosem s rychlostí 9600Bd (jeden start bit, osm datových bit a jeden stop bit). Jak USART nakonfigurovat, ukazuje následující postup: 1. Nejprve je nutné nastavit, jakou p enosovou rychlostí se bude komunikovat. Stanovení komunika ní rychlosti popisuje kapitola Dále se povolí vlastní p íjem bit RE, vysílání bit TE a nakonec se bitem UE umožní provoz USART, bity jsou p ístupny v registru USART_CR1 str. 631-[2]. Po et datových bit, start bit a stop bit je možné nastavit v registrech USART_CR1 a USART_CR2, ale není to nutné, nebo standardn po resetu je nastaven jeden start bit, jeden stop bit a osm datových bit Výpo et p enosové rychlosti Obvod rozhraní USART1 je taktován frekvencí PCLK2, která je odvozená rychlou d li kou APB2, viz. obr Ostatní obvody USART jsou taktovány frekvencí PCLK1, jež poskytuje pomalá d li ka APB1, USART1 tedy m že komunikovat rychleji než ostatní tyto obvody. K ur ení p enosové rychlosti (rce. 5.1) je nutné znát hodnotu frekvence PCLK a konstantu USART DIV. V tšinou je nutné ur it jakou rychlostí se bude komunikovat, a proto musí být 26

28 stanovena práv konstanta USART DIV, která je reprezentována racionálním íslem. Vyjád ení tohoto ísla v hexadecimální soustav ukazuje p íklad níže. f PCLK BAUD = 16 USART Rce. 5.1: Rovnice p enosové rychlosti pro USART DIV Kde: f PCLK taktovací frekvence USART, USART DIV konstanta pro výpo et p enosové rychlosti. P íklad: Výpo et konstanty USART DIV pro dosažení p enosové rychlosti 9600 Bd s frekvencí hodin f PCLK 72 MHz: USART DIV f PCLK = 16 BAUD 72 MHz = = 468, P evod racionálního ísla (USART DIV ) na hexadecimální (BRR): USART DIV = 468,75d celá ást = 468d = 0x1D 4 desetinná ást = 16 0,75 = 12d BRR = 0x1D 4C = 0xC Hodnota BRR je konstanta ur ující požadovanou komunika ní rychlost a zapisuje se do registru USART_BRR str. 630-[2] Vysílání a p íjem p es USART Objem vysílaných i p ijímaných dat m že být v ší i osmi nebo devíti bit, závisí na konkrétní konfiguraci. Data, která mají být vyslána, se zapisují do datového registru USART_DR str. 630-[2] a data p ijatá jsou taktéž p ístupna ze stejného registru. O stavu p enosu informují dva bity ve stavovém registru USART_SR str. 627 [2], a je vhodné je cyklicky testovat, aby nedocházelo ke kolizím i ztrát dat. Bit TC signalizuje svým nastavení, že data jsou již kompletn vyslána a zápisem dalších dat je tento bit op t vynulován, p ípadn p ímým zápisem logické nuly. Obdobn je tomu tak i pro p íjem, kde nastavením bitu RXNE je signalizováno, že jsou data kompletní. P e tením datového registru se tento p íznak nuluje a mohou být p ijata data následující. 27

29 6 PROGRAMY SLOŽIT JŠÍHO TYPU VYUŽÍVAJÍCÍ PEIFERIE Mikroprocesory STM32 mají na svém ipu k dispozici mnoho periferií, jako vstupní/výstupní porty, obvody USART, analogov íslicové p evodníky, jednotky íta e/ asova e, atd.. U každé periferie je nutné nastavit zdroj hodinového signálu a povolit jej v registru ADC_APB1ENR str.88-[2] nebo ADC_APB2ENR str.86-[2]. P ed nakonfigurováním do požadovaného režimu je také vhodné používanou jednotku uvést do výchozího stavu, registr ADC_APB1RSTR str.82-[2] nebo ADC_APB2RSTR str.80-[2], ale není nutné p i prvním použití po resetu celého systému. 6.1 Analogov - íslicový p evodník - ADC Velmi praktickou výbavou mikrokontroléru STM32F103R8 je analogov - íslicový p evodník, v následujícím textu jen jako A/D p evodník. Umož uje provoz v ad pracovních mód s pom rn rozsáhlou konfigurací. V této variant jsou na ipu k dispozici A/D p evodníky ADC1 a ADC2. Základní parametry A/D p evodníku: rozlišení 12 bit, vstupní nap tí V IN v rozsahu: V SSA < V IN < V DDA, napájecí nap tí v rozsahu 2,4 V až 3,6 V, minimální doba p evodu 1 s p i frekvenci hodin A/D p evodníku 14 MHz, 18 kanál (16 externích a 2 interní), p ímé nebo injektované, vlastní kalibrace, jednorázový nebo kontinuální p evod, možnost p enosu dat do pam ti pomocí DMA Konfigurace systému hodin K dosažení minimální doby jednoho A/D p evodu (viz. rce. 6.1), musí být hodnota frekvence systémových hodin nastavena na 56 MHz. Konfigurace je obdobná jako v kapitole 5.1.1, ale s nastaveným koeficientem násobení x7. Cílem je dosáhnou maximální taktovací frekvence A/D p evodníku, která je 14 MHz. Zdroj taktování tohoto p evodníku je možné upravit jeho p edd li kou, bity ADCPRE registru RCC_CFGR str. 75-[2]. Pro tento p ípad bude koeficient d lení roven 4 s ohledem na frekvenci systémových hodin 56 MHz. Nakonec je ješt nutné 28

30 povolit zdroj hodin pro p evodník v registru RCC_APB2ENR str. 86-[2] bitem ADC1EN, v p ípad použití p evodníku s ozna ením ADC1. Kde: t = ( t + 12,5) T PR VZ ADC Rce. 6.1: Doba p evodu A/D p evodníku t PR doba p evodu, t VZ doba vzorkování, T ADC perioda taktování p evodníku. P íklad: Zdroj taktování A/D p evodníku 14 MHz a doba odb ru vzorku t VZ = 1,5. t t PR PR = ( t VZ + 12,5) T ADC 1 = (1,5 + 12,5) 14 MHz = 1μs Konfigurace portu Porty mikrokontroléru, práv pro pot eby A/D p evodníku, umož ují nastavit své bity v režimu pro vstup analogového signálu. Využije-li se nap íklad vývod PA3, nastaví se na p íslušné pozici v registru GIPIOx_CRL str. 102-[2] mód pro vstup v režimu analog input Konfigurace A/D p evodníku P ed nakonfigurováním A/D p evodníku do požadovaného pracovního módu, je nejlépe provést jeho reset nastavením a vynulováním bitu ADC1RST registru RCC_APB2RSTR str. 80-[2], pro ADC1. Nyní bude popsáno jedno z mnoha nastavení A/D p evodníku, resp. jednorázový p evod s využitím kanálu íslo 3 v p ímém ( regular ) módu se softwarovou spouští a zarovnáním 12-bitových dat doprava. 1. Výb r externí spoušt p evodu, bity EXTSEL v registru ADC_CR2 str. 169-[2]. Softwarová spouš je zajišt na nastavením volby SWSTART. 2. Režim jednorázového nebo kontinuálního p evodu je zvolen bitem CONT registru ADC_CR2 str. 169-[2]. Po resetu je nastaven jednorázový p evod. 3. Data získaná z p evodníku mohou být zarovnána doprava nebo doleva, bit ALIGN registru ADC_CR2 str. 169-[2]. Po resetu jsou data zarovnána doprava. 29

31 4. Dále pro každý kanál lze vybrat dobu odb ru vzorku, pro kanál 3 zápis do registru ADC_SMPR2 str. 173-[2] na pozici SMP3. 5. Je-li vybráno více kanál, je možnost nastavit po adí p evodu na zvolených kanálech. Má-li být kanál 3 první v po adí, musí být do registru ADC_SQR3 str. 173-[2] na pozici SQ1 zapsána hodnota Nastavením bitu ADON v registru je povolena funkce a start p evodu A/D p evodníku ADC_CR2 str. 169-[2] (samotný p evod je proveden až na událost vyvolanou spouští). 7. D ležitou sou ástí konfigurace je kalibrace A/D p evodníku. Nastavení bitu RSTCAL na úrove logické jedni ky a následné testování jeho stavu. Po op tovné zm n úrovn na logickou nulu, se provede inicializace kalibra ního registru. Totéž je nutné provést i s bitem CAL, který signalizuje uskute n ní vlastní kalibrace A/D p evodníku. Bity jsou p ístupné v registru ADC_CR2 str. 169-[2] Obsluha A/D p evodníku Ke spušt ní samotného p evodu je t eba povolit spouš, bit EXTTRIG registru ADC_CR2 str. 169-[2], a vlastní p evod je zapo at reakcí na událost této spoušt. Jiný p ípad nastává, když je nakonfigurována softwarová spouš, pak odstartování p evodu nastává teprve zápisem logické jedni ky na bit SWSTART registru ADC_CR2 str. 169 [2], pro p ímý mód. Zda p evod je již kompletní, informuje svým nastavením bit EOC v registru ADC_CR2 str. 169-[2], je tedy nutné jeho úrove testovat. P evedená data jsou k dispozici v p ednastaveném zarovnání v registru ADC_DR str. 166-[2], pro p ímý mód. tením dat je zárove nulován bit EOC Data A/D p evodníku P evodník p em ní vstupní analogové nap tí na nap tí výstupní ideáln stejné velikosti, ale v digitální podob. S jakou p esností je vstupní nap tí p evedeno na výstupní, udává bitové rozlišení p evodníku. Aby data bylo možno zpracovat, je nutné zjistit, jak velká hodnota nap tí p ipadá na jeden bit (LSB), viz. rce Tato informace je závislá na velikosti referen ního nap tí V REF. Mikrokontolér na desce vývojového modulu nemá vstup pro referen ní nap tí, proto je zdroj reference napájecí nap tí A/D p evodníku (V DDA, V SSA ). 30

32 LSB = VREF VREF rozlišení p evodníku + Rce. 6.2: Velikost nap tí na jeden bit A/D p evodníku P íklad: Nap tí V DDA = V REF+ = 3,3 V a V SSA = V REF- = 0 V, rozlišení p evodníku je 12 bit (4096 možných hodnot). VREF + VREF LSB = rozlišení p evodníku 3,3 0 4 LSB = 8, V Senzor teploty ip mikrokotroléru obsahuje senzor teploty, kterým lze nap íklad m it orienta ní okolní teplotu tohoto za ízení. Teplotní senzor je p ipojen na vnit ní kanál íslo 16 A/D p evodníku a k m ení teploty lze p evodník nakonfigurovat obdobn, jako je uvedeno v kapitole V nastavení musí být vybrán kanál íslo 16 a doba vzorkování by se m la blížit hodnot 17,1 s, kterou doporu uje výrobce. Povolení vlastního senzoru je nastavením bitu TSVREFE v registru ADC_CR2 str. 169-[2]. Ur ení teploty spo ívá ve zm ení nap tí na vstupu vnit ního kanálu p evodníku (pravd podobn je nap tí m eno na tepeln závislém rezistoru). Nap tí se m ní p ibližn lineárn s teplotou až do 45 C. P epo et tohoto nap tí na teplotu ve C lze stanovit podle rce. 6.3 s využitím údaj výrobce podle tab Teplota V V 25 SENSE [ C] = + 25 Avg _ Slope Rce. 6.3: Stanovení teploty ve C Kde: V 25 hodnota nap tí p i teplot 25 C, V SENSE nam ená hodnota nap tí, Avg_Slope sm rnice lineárního pr b hu. 31

33 Tab. 6.1: Parametry teplotního senzoru udávané výrobcem 6.2 Jednotka íta e/ asova e TIM Mikrokontrolér obsahuje ty i jednotky íta e/ asova e ozna ené jako TIM1, TIM2, TIM3 a TIM4. Všechny jsou p ístupné pro volné použití a mají stejné hardwarové vybavení až na jednotku TIM1, která má ješt další rozší ené vybavení a možnosti použití. Maximální taktování t chto jednotek je 72 MHz, p i emž TIM1 je umíst n na sb rnici APB2 a ostatní na sb rnici APB1, viz. obr. 4.1, což je nutné brát v úvahu p i nastavení jejich taktování. Všechny jednotky TIM jsou 16-bitové a je možné je provozovat v režimu ítání nahoru nebo dolu. Dále každá jednotka obsahuje 16-bitovou p edd li ku a 16-bitový registr Autoreload, kterým lze omezit po et ítaných stav. Tyto íta e/ asova e mají ty i na sob nezávislé kanály využitelné v režimech Capture/Compare. P i azení konkrétních vývod k p íslušným kanál m, ukazují tabulky alternativní funkcí jednotek TIM, viz. str [2] Režim asova e a p erušení p i jeho p ete ení Nakonfigurování jednotky TIM v režimu asova e je vhodné k odm ení p esného asového intervalu (zdroj hodinového signálu je odvozen od systémových hodin). Úkon po uplynutí stanovené doby je nejlépe obsloužit pomocí p erušení použitého asova e. Nyní bude uveden postup jak nastavit asova s vyvoláním p erušení p i jeho p ete ení: 1. Do registru TIMx_ARR str. 319-[2] je nastavena hodnota p i které asova p ete e. Zpravidla je to velikosti periody nebo dopl ku periody. 2. P edd li ka asova e prodlužuje dobu, na kterou asova zvýší i sníží svou hodnotu, tj. kolik hodinových pulz p ipadne na jeden stav asova e. Nastavení je provedeno v registru TIMx_ARR str. 319-[2]. 3. Volba sm ru ítání je vybrána bitem DIR v registru TIMx_CR1 str. 304-[2]. Pro p ípad asova e je vhodn jší zvolit sm r nahoru z hlediska p ímého nastavení hodnoty periody. 32

34 4. Požadavek na p erušení p i p ete ení asova je povolen bitem UIE v registru TIMx_DIER str. 309-[2]. Sou asn je vhodné vynulovat p íznak p ete ení asova e, bit UIF v registru TIMx_SR str. 310-[2]. 5. Nakonec je nutné povolit vlastní jednotku íta e/ asova e a to bitem CEN registru TIMx_CR1 str. 304-[2]. Takto nastavený asova je p ipraven pro vyvolání daného typu p erušení, ale je ješt nutné nastavit vektor a globální p erušení pro celou jednotku TIM, podrobn ji v kapitole 6.3, která se zabývá p erušením. Jak vypo ítat požadovanou dobu p ete ení TIM (resp. frekvenci), ukazují následující rovnice: TIM CNT TIM CLK = PSC +1 Rce. 6.4: Frekvence zm ny stavu íta e/ asova e TIM OF TIM CNT = ARR +1 Rce. 6.5: Frekvence p ete ení jednotky íta e/ asova e Kde: TIM CNT frekvence zm ny jednoho stavu íta e/ asova e, TIM CLK frekvence taktování íta e, PSC hodnota registru p edd li ky TIM, TIM OF frekvence p ete ení TIM, ARR hodnota registru Auto-reload Režim pulzní ší kové modulace PWM Signál PWM je velmi užite ný v oblasti ízení (regulace jasu LED diody, ízení otá ek stejnosm rného motoru, atd.) a jednotkou TIM lze pom rn snadno tento signál generovat. Signál je možné p ímo p ivést na výstup procesoru pomocí kanál jednotky TIM. Jak nakonfigurovat íta v tomto režimu, vysv tluje následující konkrétní p íklad: P íklad: PWM signál má být generován na dvou kanálech TIM3 frekvencí 900 Hz a initelem pln ním 50% a 25%. Zdroj hodin pro TIM3 je 18 MHz (9 MHz na d li ce APB1). 33

35 1. íta bude p etékat na každých pulz, proto do registru TIMx_ARR str. 319-[2] je nutné zapsat hodnotu 9999 D (stav 0 až 9999). 2. P i nastavení v p edchozím bod a se zdrojem hodin 18 MHz bude požadovaná frekvence PWM docílena nastavením p edd li ky íta e na hodnotu 1, zápis do registru TIMx_ARR str. 319-[2]. 3. Sm r ítání bude zvolen nahoru nastavením bitu DIR v registru TIMx_CR1 str [2]. 4. V tomto bod budou nastaveny kanály ( íslo 1 a 2) íta e pro mód Output compare. Zápisem hodnoty 6868 H do registru TIMx_CCMR1 str. 312-[2] jsou povoleny p edvolby kanál 1 a 2 a PWM mód 1, který definuje aktivní úrove signálu v závislosti na sm ru ítání. Když íta ítá sm rem nahoru, trvá aktivní úrove až do hodnoty dané p edvolbou. Výchozí hodnota aktivní úrovn je logická jedni ka, ale je možné ji zm nit na logickou nulu. 5. Dále je t eba nastavit p edvolby kanál pro požadovaný initel pln ní. Kanál íslo 1 bude mít hodnotu p edvolby 5000 D pro pln ní 50%, zápis hodnoty do registru TIMx_CCR1 str. 319-[2], a kanál íslo 2 s p edvolbou 2500 D pro 25%, zápis hodnoty do registru TIMx_CCR2 str. 320-[2]. 6. Nakonec je ješt nutné povolit na kanálech jednotky Caprtur/Compare, bity CC1E a CC2E v registru TIMx_CCER str. 320-[2], a vlastní íta TIM3 nastavením bitu CEN registru TIMx_CR1 str.304-[2]. PWM signály jsou nyní k dispozici na vývodech PA6 kanál.1 a PA7 kanál.2, p ípadn na PB4 nebo PB5 po p emapování. Tyto vývody musí být nakonfigurovány jako výstup v režimu alternativní funkce portu. CCR T DUTY [%] = 100 ARR Kde: Rce. 6.6: initel pln ní signálu PWM jednotky íta e/ asova e T DUTY initel pln ní, CCR hodnota p evolby registru Capture/Compare, ARR hodnota registru Auto-reload. 34

36 S využítím vztah rce. 6.4, rce. 6.5 a rce. 6.6 jsou stanoveny parametry PWM signálu. Frekvence signálu PWM: 9 MHz TIM OF = = 900 Hz MHz TIM CNT = = 9 MHz 1+ 1 initel pln ní: 5000 kanál.1: TIM DUTY = 100 = 50% kanál.2: TIM DUTY = 100 = 25% Režim Encoder Každá jednotka íta / asova umož uje nastavení do režimu Encoder, který se používá zejména pro výstupy inkrementálních sníma, nap íklad jako zp tná vazba pro ízení motor. Nakonfigurovaná jednotka íta e/ asova e je schopna zpracovat dva signály z inkrementálního idla, podle kterých lze ur it polohu, sm r pohybu a p ípadn i rychlost a zrychlení. Stav tohoto íta e se m ní v závislosti na t chto dvou signálech p evedených na kanály jednotky (TI1, TI2), resp. na zm nu úrovn prvního, druhého nebo obou signál (viz. tab. 6.2). Tab. 6.2: Volba výb ru aktivního signálu íta e/ asova e v režimu Encoder 35

37 Obr. 6.1: innost íta e v režimu Encoder na zm nou úrovn obou signál Jednotku íta e/ asova e v režimu Encoder je možné nakonfigurovat podle následujícího postupu: 1. Do registru TIMx_ARR str.319-[2] lze nastavit rozsah hodnot, které íta zaznamená, než p ete e. Maximáln 16-bitová hodnota. 2. Velikost hodnoty p edd li ky je nejlépe nastavit na 0, aby stav íta e byl zm n n na každou úrove signálu. Zápis do registru TIMx_ARR str. 319-[2]. 3. P i azení vstup (TI1, TI2) kanál m íta e v módu Input capture je p ístupné v registru TIMx_CCMR1 str. 312-[2]. Nap íklad kanálu CC1 bude p i azen vstup TI1 (bity CC1S) a kanálu CC2 bude p i azen vstup TI2 (bity CC2S). 4. Bity CC1P a CC2P v registru TIMx_CCER str.317-[2] je umožn no zvolit, zda vstupní signál bude invertován. 5. Povolení jednotky Caprtur/Compare pro výše zmín né kanály, bity CC1E a CC2E, je p ístupno v registru TIMx_CCER str. 317-[2]. 6. Nyní je d ležité spustit vlastní íta nastavením bitu CEN registru TIMx_CR1 str [2]. 7. Vlastní výb r alternativního režimu, ve kterém bude íta pracovat, je vybrán bity SMS v registru TIMx_SMCR str.306-[2]. Aby íta zaznamenával zm nu úrovn obou vstupních signál, musí být vybrán Encoder mode Demonstra ní úloha použití jednotky íta / asova e v režimu Ecoder Mikrokontrolér je nakonfigurován pro zpracování signálu z inkrementálního optického sníma e IRC 110. Využívá se jednotky TIM4 v režimu Encoder ke snímání kvadraturní stopy sníma e (dva fázov posunuté signály). Dále je využito nulového pulzu (referen ní pulz) k nastavení výchozího stavu íta e v obsluze vn jšího p erušení EXTI4. Vlastní p ipojení sníma e k mikrokontroléru je p es port B, kde kvadraturní stopa je p ivedena na PB7, PB6 36

38 a nulový pulz na PB4 (viz. obr. 6.2). Stav íta e (tj. poloha) je pomocí rozhraní USART vysílán na terminál po íta e. Obr. 6.2: Schéma p ipojení inkrementálního sníma e IRC 110 k mikrokontroléru STM32F103R8 Parametry optického rota ního inkrementálního sníma e IRC 110: kvadraturní výstup, referen ní výstup (jeden pulz na otá ku), rozlišení kotou e 1250 dílk, žárovka jako zdroj sv telného toku (4 Vss). P i detekci na náb žnou i spádovou hrany signálu obou stop kvadraturního výstupu tohoto sníma e, lze dosáhnout až 5000 (4 hrany krát 1250 dílk ) stav íta e na jednu otá ku Princip inkrementálního rota ního optického sníma e Jádrem sníma e je oto ný optický disk, který je mechanicky spojen s p ipojovací h ídelí. Princip innosti je založen na clon ní sv telného toku mezi zdrojem sv tla a fotodetektorem. Vlastní innost lze demonstrovat podle obr. 6.3, kde jsou proti sob pevné a pohyblivé m ížky. Pokud jsou m ížky ve shodné poloze, prochází skrz n maximální sv telný tok, který fotodetektor zapracuje a nastaví p íslušnou úrove na svém výstupu. Naopak je tomu p i zaclon ní sv telného toku, kdy fotodetektor zm ní svou úrove na opa nou. Otá ením kotou e s m ížkou proti pevné m ížce se tedy periodicky m ní výstupní signál fotodetektoru. 37

39 Inkrementální rota ní sníma e obvykle používají ty i m ížky pro vytvá ení dvou výsledných o /2 fázov posunutých obdélníkových signál a navíc jednu m ížku pro referen ní zna ku (spodní m ížka na obr. 6.3), tzv. nulový index, ur ující po átek otá ení, který je generován pouze jednou za otá ku. Obr. 6.3: Fotoelektrické snímání metodou prosv tlování P íklad pr b hu výstupních signál z inkrementálního sníma e je na obr. 6.4, kde A a B jsou kvadraturní signály a I je signál referen ní zna ky. Obr. 6.4: Pr b hy výstup inkrementálního sníma e 38

40 6.3 adi systém p erušení adi p erušení není p ímo periferie mikrokontroléru, ale je to výbava jádra procesoru, která umož uje tyto periférie obsluhovat. Jádro ARM Cortex-M3 pracuje se systémem tzv. výjimek, kterým jsou procesoru oznamovány mimo ádné stavy. Seznam t chto výjimek je pevn dán tabulkou vektor a každá položka rezervuje pam ové místo velikosti 4 B. Obsahem každé této bu ky je adresa obslužné rutiny. Tabulka procesoru, kterým je vybavena i deska vývojového modulu, obsahuje 58 položek, ale samotné jádro jich m že mýt až 256 (tab. 6.3). Prvních 15 položek používá samotné jádro a obsahuje vektory resetu, nemaskovatelného p erušení, chybové a další vektory. Zbývající položky od ísla 16 jsou k dispozici periferiím a ozna ují se jako vektory p erušení. Po adí v tabulce udává prioritu vykonání p íslušné obsluhy a v tšinu t chto priorit lze podle pot eby nastavit. Po áte ní nastavení procesoru má tabulku vektor umíst nu od adresy nula (oblast pam ti typu Flash), první položka s íslem nula obsahuje adresu ukazatele vrcholu zásobníku a druhá položka s íslem jedna adresu první instrukce, kterou procesor bude vykonávat. Celou tabulku je možné p emístit do jiné oblasti Flash pam ti nebo do RAM, kde lze vektory m nit i v pr b hu vykonávání programu. Tab. 6.3: Tabulka vektor výjimek 39