Mikrokontrolery STM32 - Użycie interfejsu I2C, USART, SPI.pdf - STM32 - kubuspucharek

PODZESPOŁY

Dodatkowe materiały >>

Mikrokontrolery STM32

Użycie interfejsu I 2 C, USART, SPI

Wszystkie nieco bardziej zaawansowane systemy mikroprocesorowe

muszą komunikować się z układami dodatkowymi. Mogą one być

zamontowane na tej samej płytce drukowanej, ale również mogą

to być elementy interfejsu zewnętrznego, przykładowo komputer.

Wspólnym mianownikiem przy projektowaniu takiego systemu jest

wybór odpowiedniego standardu transmisji danych.

Wszystkie przedstawione w artykule przykłady zostały uruchomione

na płytce ewaluacyjnej STM3210B – EVAL/A, natomiast

przedstawione przykłady zostały napisane w oparciu o bibliotekę API

dostarczaną przez ﬁrmę STMicroelectronics.

resowania wpisywany jest do niego adres 7- lub

10-bitowy. Ostatnimi czynnościami konﬁgura-

cyjnymi jest włączenie lub wyłączenie potwier-

dzeń.

W ten sposób skonﬁgurowany,a następnie

włączony kontroler I 2 C jest gotowy do nawiąza-

nia komunikacji. Na rys. 2 przedstawiono prze-

biegi sygnałów podczas komunikacji I 2 C. Każdą

transmisję rozpoczyna układ nadrzędny wysy-

łając sekwencję START. Po wykryciu sekwencji

startowej wszystkie układy podrzędne przełą-

czają się w tryb odbioru danych, ściślej – adre-

su. Ostatni bit (ACK) to potwierdzenie odebrania

danych, wystawiane przez układ odbierający in-

formację.

Istotną cechą transmisji I 2 C jest wymóg

stałości sygnału danych podczas trwania stanu

wysokiego na linii zegarowej. Jeśli w tym czasie

pojawią się stany nieustalone, to przesyłany bit

jest nieważny. Na końcu ramki danych transmi-

towana jest zawsze sekwencja STOP. Jak pokaza-

no na rys. 2, zmiany SDA podczas trwania stanu

wysokiego na SCL mogą mieć miejsce tylko przy

przesyłaniu znaków START i STOP.

W celu nawiązania komunikacji z odpo-

wiednim układem podrzędnym, należy przesłać

jego adres. Ponieważ omawiany przykład nie

pracuje w oparciu o przerwania, to należy po

każdym poleceniu poczekać na jego wykonanie.

Służy do tego funkcja I2C_CheckEvent() ,

która sprawdza, czy podane jako argument zda-

rzenie miało miejsce i zwraca wartość PRAWDA

wtedy, jeśli wynik testu jest pozytywny.

Wysyłanie i odbiór danych wykonuje ta

sama pętla while() , która wykonywana jest

tyle razy, ile wynosi długość bufora wysyłanych

danych. Wysyłanie danych do tego samego

układu ma raczej niewielki sens i tu służy tylko

celom demonstracyjnym.

Obecnie każdy producent mikrokontro-

lerów ma w swojej ofercie układy z wbudo-

waną większością popularnych sprzętowych

kontrolerów komunikacyjnych. Znacznie

upraszcza to proces tworzenia aplikacji, po-

nieważ programista nie musi wnikać w szcze-

góły transmisji. Płytka ewaluacyjna STM3210B

– EVAL/A jest wyposażona w mikrokontroler

STM32F103VBT, który oferuje w sumie pięć

różnych, szeregowych interfejsów komunika-

cyjnych. Do wykorzystania są: 2×I 2 C, 3×USART,

2×SPI, CAN, USB 2.0

W celu ukazania zasady nawiązywania ko-

munikacji i wymiany danych uruchomimy prosty

przykład. Układ STM32F103VBT posiada wbu-

dowane dwa sterowniki magistrali I 2 C. Można

je wykorzystać w przykładzie programowania

tak, aby mikrokontroler komunikował się sam

ze sobą. Kontroler I2C1 będzie skonﬁgurowa-

ny jako master dla I2C2. Bufor I2C1_TxBuf[32] ,

wypełniony przykładowymi danymi jest wysy-

łany przez urządzenie I2C1 do urządzenia I2C2.

Program realizujący te zadania to plik o nazwie

i2c.txt zamieszczony na CD-EP2/2009B. Fizycz-

nie na płytce ewaluacyjnej trzeba połączyć: PB6

(I2C1_SCL) z PB10 (I2C2_SCL) i PB7 (I2C1_SDA)

z PB11 (I2C2_SDA). Linie interfejsu (SDA i SCL)

muszą być zasilone przez rezystory o wartości

4,7 k V .

Kontroler I 2 C może pracować w jednym

z trzech trybów: I 2 C i dwóch SMBus. Wyboru

dokonuje się wypełniając I2C_Mode struktury

inicjującej. Przedstawiony przykład wykorzy-

stuje I 2 C, co wskazano przy inicjacji. Ustalenie

prędkości transmisji odbywa się przez inicjację

pola I2C_ClockSpeed . Jeżeli zegar będzie usta-

lony powyżej 100 kHz, będzie to oznaczać

wybór szybkiego trybu komunikacji. Wówczas

znaczenia nabiera wartość I2C_DutyCycle ,

która określa relację pomiędzy czasem trwania

poziomu wysokiego i niskiego na wyjściu zega-

rowym. Możliwe do ustawienia relacje to 16 do

9 oraz 2 do 1.

Wartość adresu kontrolera I 2 C ustala pole

I2C_OwnAddress1 . W zależności od typu ad-

I 2 C

Magistrala I 2 C jest dwukierunkowym, dwu-

przewodowym interfejsem komunikacyjnym za-

projektowanym przez ﬁrmę Philips. Oryginalnie

przeznaczona jest do wymiany informacji po-

między układami scalonymi znajdującymi się na

tej samej płytce. Na rys. 1 przedstawiono spo-

sób połączenia dwóch układów magistralą I 2 C

i przykładowy kierunek przesyłania danych oraz

sygnału zegarowego. Jak wynika z rysunku,

połączenie takie składa się z linii danych (SDA)

i linii sygnału zegarowego (SCL).

Sprzętowy kontroler I 2 C, w jaki wyposa-

żony jest mikrokontroler, umożliwia transmisję

z prędkością do 100 kbps w trybie standard,

lub do 400 kbps w trybie szybkim. Może praco-

wać jako: podrzędny ( slave ) nadajnik lub odbior-

nik, nadrzędny ( master ) nadajnik lub odbiornik.

Domyślnie kontroler jest ustawiony do pracy

jako slave .

Uniwersalny synchroniczny/

asynchroniczny port szeregowy

– USART

Kontroler USART oprócz obsługi standar-

dowej komunikacji szeregowej, może pracować

z protokołem IrDA lub SMARTCARD. Pierwszy

Rys. 1. Sposób połączenia układów I 2 C Rys. 2. Przebiegi na liniach SDA:SCL podczas transmisji danych

128

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009

Użycie interfejsu I 2 C, USART, SPI

umożliwia kodowanie i dekodowanie danych

w standardzie IrDA, co upraszcza aplikacje

transmisji danych z użyciem podczerwieni.

Do współpracy z portem szeregowym, tak jak

w przypadku wszystkich interfejsów komuni-

kacyjnych, może być wykorzystany kontroler

DMA.

Liczba 1 odejmowana od indeksu tablicy

w chwili sprawdzania warunku końca polecenia

wynika z użycia postinkrementacji w trakcie

odczytu danych z rejestru odbiorczego portu

szeregowego. W związku z tym, w momencie

sprawdzania końca komunikatu indeks wskazuje

na element o jedną pozycję dalej. Po zakończe-

niu odbioru konieczne jest zdekodowanie łańcu-

cha znaków zawartego w tablicy RxBuf[] .

Wszystkie znaki zawarte w tablicy bufora od-

biorczego reprezentowane są przez kody ASCII.

Spoglądając na tabele kodów ASCII można zaob-

serwować pewną zależność. Zarówno cyfry jak

i litery są uszeregowane w oddzielnych ciągach

rosnących. Zmiana kodu ASCII na cyfrę może się

odbywać przez zwyczajne odejmowanie od liczby

w kodzie ASCII, kodu znaku „zero”.

Wyznaczenie właściwego pinu odbywa się

dzięki przesuwaniu bitowemu. Zaglądając do

pliku nagłówkowego stm32f10x_gpio.h z bi-

blioteki API znajdujemy, w jaki sposób są kodo-

wane poszczególne wyprowadzenia. Fragment

tego pliku umieszczono poniżej:

/* GPIO pins Deﬁne -------------------

-------------*/

#deﬁne GPIO_Pin_0 ((u16)0x0001) /*

Pin 0 selected */

#deﬁne GPIO_Pin_1 ((u16)0x0002) /*

Pin 1 selected */

#deﬁne GPIO_Pin_2 ((u16)0x0004) /*

Pin 2 selected */

#deﬁne GPIO_Pin_3 ((u16)0x0008) /*

Pin 3 selected */

#deﬁne GPIO_Pin_4 ((u16)0x0010) /*

Pin 4 selected */

Sprawdzanie, który bit portu jest ustawiony,

a który nie, również wykorzystywane jest za po-

mocą operacji bitowych. W zależności od tego,

który aktualnie cykl jest realizowany przez pętlę

for , tyle razy wartość zmiennej stan_portu

przesuwana jest bitowo w prawo. Na koniec

maskowane są wszystkie bity oprócz najmłod-

szego. Jeśli wartość otrzymanego wyrażenia bę-

dzie równa 1, to oznacza, że wyprowadzenie mi-

krokontrolera jest w stanie wysokim. Wówczas

wypełniane są dwa kolejne pola tablicy bufora

przeznaczonego do wysłania TxBuf[] . Diody

na płytce ewaluacyjnej są ponumerowane od 1,

a nie od 0 i dlatego do końcowej wartości do-

dawany jest kod cyfry „1”. Na ostatniej pozycji

wstawiany jest znak CR, a następnie włączana

jest przerwanie od nadajnika USART i zawartość

bufora wysyłana jest przez port szeregowy do

komputera.

Komunikacja z terminalem

Uruchomienie omawianego przykładu bę-

dzie wymagało podłączenia zestawu ewaluacyj-

nego do komputera z uruchomionym termina-

lem portu szeregowego.

W pliku usart.txt zamieszczonym na CD_

EP2/2009B umieszczono fragment aplikacji bę-

dącej prostą powłoką, umożliwiającą użytkow-

nikowi sterowanie wyjściami mikrokontrolera

za pomocą odpowiednich poleceń wydawanych

z użyciem terminala. Efektem ich realizacji bę-

dzie zmiana stanów wyprowadzeń, co sygnali-

zuje zaświecanie i gaszenie diod LED. Ponadto

naciśnięcie przycisku „Key” powoduje wysłanie

przez USART aktualnego stanu diod. Prawidło-

we polecenie ma postać: N<nr diody><Enter>.

Np. polecenie N6 po naciśnięciu Enter spowo-

duje pojawienie się stanu wysokiego na wypro-

wadzeniu PC6 i zaświecenie diody LD1. Analo-

gicznie do gaszenia diod służy polecenie F<nr

diody><Enter>. W tym przykładzie będzie to

F6 Enter. Sprawdzenie stanu starszej połowy

portu C odbywa się przez naciśnięcie przycisku

„Key”. Jeśli założymy, że zaświecone są diody

LD2 i LD4, to zostanie wtedy w terminalu wy-

świetlony komunikat: onLED: 2,4,

Całość komunikacji obsługiwana jest przez

przerwania od kontrolera USART. Parametry

transmisji to: prędkość 9600 bps, 1 bit stopu,

brak kontroli parzystości.

Po skonﬁgurowaniaukładuUSARTdopracy,

włączane są przerwania od bufora odbiorczego.

Podstawowym zadaniem pętli głównej progra-

mu jest sprawdzanie, czy nie został naciśnięty

przycisk. Funkcja obsługi przerwań zostanie wy-

wołana za każdym razem, kiedy do bufora od-

biorczego portu szeregowego zostanie wpisany

nowy bajt. Ponadto, gdy mikrokontroler wykryje

stan niski na linii PB9, to po przygotowaniu da-

nych do wysyłki, zostanie włączone przerwanie

od bufora nadawczego portu szeregowego.

Przerwanie to jest wywoływane za każdym ra-

zem, gdy bufor Tx jest pusty.

SPI

Interfejs SPI ( Serial Peripheral Interface )

służy do dwukierunkowej, synchronicznej trans-

misji danych. Poprawne nawiązanie komunika-

cji wymaga trzech linii: zegarowej SCK, MOSI,

MISO. Akronim MOSI jest pochodzi od Master

Out/Slave In , czyli na tej linii dane są przesyłane

z układu nadrzędnego (master) do podrzędnego

(slave). Analogicznie linia MISO ( Master In/Slave

Out ) służy do przesyłania informacji od układu

podporządkowanego (slave) do nadrzędnego.

Istnieje możliwość skonﬁgurowania kontrolera

SPI do pracy z tylko jedną linią danych.

Kontroler SPI, znajdujący się w mikrokon-

trolerze STM32F103VBT, umożliwia transmisję

z prędkością do 18 Mb/s. Ramka danych może

mieć rozmiar 8 lub 16 bitów. Kolejność przesyła-

nia bitów jest konﬁgurowana.

Podobnie jak to miało miejsce w przypadku

I 2 C, również tutaj zostanie wykorzystana do-

stępność dwóch kontrolerów sprzętowych. Do

uruchomienia przedstawionej aplikacji na płytce

ewaluacyjnej należy połączyć: PA5 (SPI1_SCK)

z PB13 (SPI2_SCK), PA6 (SPI1_MISO) z PB14

(SPI2_MISO), PA7 (SPI1_MOSI) z PB15 (SPI2_

MOSI).

Obydwa kontrolery skonﬁgurowane są do

pracy z pełnym dupleksem. Mikrokontroler

musi „wiedzieć”, który z interfejsów SPI jest

nadrzędny, a który podrzędny. Wyboru doko-

nuje się poprzez wypełnienie pola SPI_Mode

struktury inicjującej. Możliwe wartości, jakie

może przyjmować to SPI_Mode_Master oraz

SPI_Mode_Slave .

Jak wspomniano wcześniej sprzętowy in-

terfejs SPI w STM32 może pracować z ramka-

mi o długości 8 lub 16 bitów. Przedstawiany

przykład wykorzystuje ramki 8-bitowe. Kolej-

ność transmisji bitów jest programowana. Do

nastawy służy pole o nazwie SPI_FirstBit .

Jeśli aplikacja wymaga, aby bity przesyłane były

w kolejności od najstarszego do najmłodszego,

to polu należy nadać wartość SPI_FirstBit_

MSB . W przeciwnym przypadku należy użyć

SPI_FirstBit_LSB .

Każdy pin jest reprezentowany przez poje-

dynczy bit na odpowiadającej mu pozycji. Aby

zmodyﬁkować stan wyprowadzenia należy do-

konać operacje przesunięcia bitowego w lewo

tyle razy, ile wynosi jego numer. Wszystkie opi-

sane wyżej operacje wykonuje jedna, zwięzła

linijka kodu.

Wysyłanie danych

Przerwanie od nadajnika portu szeregowego

generowane jest natychmiast po jego włączeniu,

jeśli tylko rejestr danych do wysłania jest pusty.

Podobnie jak dla odbioru, w pierwszej kolejno-

ści należy sprawdzić, czy przerwanie faktycznie

pochodzi od nadajnika. Służy do tego funkcja

USART_GetITStatus() . Następnie, wywołu-

jąc funkcję USART_SendData() i podając jako

jej argumenty wywołania numer USART i bajt

do wysyłki, wysyłamy porcję danych. Sprawdza-

nie końca danych przeznaczonych do wysyłki

odbywa się w ten sam sposób, jak w przypad-

ku odbioru. Na koniec transmisji wyłączane jest

przerwanie od nadajnika USART.

Kodowanie danych do wysłania rozpoczy-

na się od odczytania stanu portu, do którego

są podłączone diody LED (GPIOC). Zajmują one

wyprowadzenia PC6…PC9 i dlatego wartość

zwracana przez funkcję odczytu stanu portu

przesuwana jest bitowo w prawo o 6 pozycji.

Pola pozostające z lewej strony dodatkowo są

maskowane.

Stały łańcuch, który wysyłany jest do kom-

putera ma długość 7 znaków, więc bufor wysył-

ki zapisywany jest zaczynając od pozycji ósmej.

Odbiór danych

Funkcja obsługi przerwania od portu sze-

regowego sprawdza, czy przerwanie pochodzi

od części nadawczej, czy odbiorczej. Jeśli dane

przysyłane są do mikrokontrolera, to ich odczyt

z rejestru danych odebranych odbywa się za po-

mocą funkcji USART_ReceiveData() . Zwraca-

na wartość jest zapisywana do tablicy bufora

odbiorczego RxBuf[] . Teraz funkcja sprawdza,

czy ostatni odebrany znak jest kodem CR. Jeżeli

tak, to indeks tablicy ustawiany jest na jej począ-

tek i ustawiana jest ﬂaga informująca o nadej-

ściu polecenia.

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009

129

PODZESPOŁY

Rys. 3. Tryby pracy interfejsu SPI

W omawianym przykładzie

funkcja NSS nie jest wyko-

rzystywana.

Dane przesyłane są

w pętli while() , która

wykonuje się tyle razy, ile

wynosi rozmiar bufora. Do

sprawdzania, czy dany frag-

ment komunikacji został

zakończony służy funkcja

SPI_I2S_GetFlagSta-

tus() . Przy każdym wyko-

naniu się pętli przesyłany

jest jeden bajt z buforów

SPI1_TxBuf[] i SPI2_

TxBuf[] . Jeśli rejestr da-

nych przeznaczonych do

wysyłki jest pusty, to mikro-

kontroler rozpoczyna wysy-

łanie danych przez interfejs

SPI1 i SPI2. Następnie, po

poprawnym odebraniu

przekazywanej informacji,

następuje proces wysyłania

kolejnej porcji danych.

Do wyboru polaryzacji linii zegarowej

w stanie spoczynku oraz momentu próbkowa-

nia/zmiany stanu linii danych służą odpowied-

nio nastawy pól SPI_CPOL i SPI_CPHA .

Nazwa te wynikają wprost z nazw bitów

w rejestrze kontrolnym SPI – SPI_CR1 .

Wartość SPI_CPHA określa, na którym zboczu

sygnału zegarowego stany na liniach danych

mają być zatrzaskiwane. W połączeniu z para-

metrem SPI_CPOL otrzymywane są 4 możliwe

sytuacje próbkowania linii danych ( rys. 3).

Kontroler SPI1 skonﬁgurowano do pra-

cy jako układ nadrzędny, natomiast SPI2 jako

układ podrzędny. Transmisję zawsze rozpoczy-

na i kończy układ nadrzędny (master). Dłu-

gość ramki wynosi 8 bitów, a częstotliwość

linii zegarowej SCK jest równa częstotliwości

PCLK podzielonej przez zawartość SPI_Bau-

dRatePrescaler . W omawianym przy-

kładzie PCLK jest dzielone przez 2, więc czę-

stotliwość linii zegarowej jest równa około:

36 MHz/128=280 kHz. Jako pierwszy wysyła-

ny/odbierany jest bit najbardziej znaczący.

Nieco obszerniejszego komentarza wy-

maga pole SPI_NSS struktury inicjującej. Od-

powiada ono linii NSS wyprowadzonej na ze-

wnątrz mikrokontrolera. Wszystkie urządzenia

podłączone do interfejsu SPI mogą być pod-

łączone również do linii NSS. Stan niski NSS

może być wymuszony przez układ zewnętrzny

i wówczas to on przejmuje kontrolę nad trans-

misją. Również programowa zmiana roli ukła-

du (master/slave) powoduje automatycznie

wymuszenie odpowiedniego stanu linii NSS.

I 2 S

Interfejs I 2 S został stworzony do szerego-

wej transmisji dźwięku pomiędzy urządzenia-

mi. Jest dostępny tylko w mikrokontrolerach

STM32 z najwyższej półki, a więc na płytce

STM3210B – EVAL/A nie ma możliwości uru-

chomienia programów wykorzystujących ten

interfejs. Kontroler I 2 S został tak zaprojektowa-

ny, aby jego nastawy odpowiadały standardom

dźwięku przesyłanego cyfrowo. Przykładem

może tutaj być format danych, do wyboru

mamy słowa o długości 16, 24, lub 32 bitów.

Pełną specyﬁkację interfejsu I 2 S przedstawio-

no w nocie katalogowej mikrokontrolerów

STM32.

Krzysztof Paprocki

130

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009

Mikrokontrolery STM32 - Użycie interfejsu I2C, USART, SPI.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: