diff --git a/assignment_3/report/images/console.png b/assignment_3/report/images/console.png new file mode 100644 index 0000000..7f38381 Binary files /dev/null and b/assignment_3/report/images/console.png differ diff --git a/assignment_3/report/images/shield_pcb.png b/assignment_3/report/images/shield_pcb.png new file mode 100755 index 0000000..81aea57 Binary files /dev/null and b/assignment_3/report/images/shield_pcb.png differ diff --git a/assignment_3/report/images/ui_states.png b/assignment_3/report/images/ui_states.png new file mode 100644 index 0000000..4ae48b0 Binary files /dev/null and b/assignment_3/report/images/ui_states.png differ diff --git a/assignment_3/report/images/ui_states.svg b/assignment_3/report/images/ui_states.svg new file mode 100644 index 0000000..84e8c41 --- /dev/null +++ b/assignment_3/report/images/ui_states.svg @@ -0,0 +1,601 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + image/svg+xml + + + + + + + + + ST_INIT + + + ST_COUNT + + + ST_USER + + + ST_AVERAGE + + + + + + + + + start proximity done measuring proximity proximity done measuring 10 sec lost proximity + diff --git a/assignment_3/report/report.pdf b/assignment_3/report/report.pdf new file mode 100644 index 0000000..87f19e2 Binary files /dev/null and b/assignment_3/report/report.pdf differ diff --git a/assignment_3/report/report.tex b/assignment_3/report/report.tex new file mode 100644 index 0000000..9816450 --- /dev/null +++ b/assignment_3/report/report.tex @@ -0,0 +1,208 @@ +% +% Microprocessors and peripherals 3nd assignement. +% +% author: +% Χρήστος Χουτουρίδης ΑΕΜ 8997 +% cchoutou@ece.auth.gr + + +% Document configuration +\newcommand{\ClassName}{Μικροεπεξεργαστές και Περιφερειακά} +\newcommand{\DocTitle}{3η Εργασία} +\newcommand{\InstructorName}{Παπαευσταθίου Ιωάννης} +\newcommand{\InstructorMail}{ygp@ece.auth.gr} +\newcommand{\CurrentDate}{\today} + +\input{config/AuthReportConfig.tex} + +%\renewcommand{\AuthorName}{Χρήστος Χουτουρίδης} +%\renewcommand{\AuthorMail}{cchoutou@ece.auth.gr} +%\renewcommand{\AuthorAEM}{8997} + +\setFancyHeadLR{\ClassName}{\DocTitle} +%\setFancyHeadLERO{\ClassName}{\DocTitle} + +% Document +% ================= +\begin{document} + +\FirstPage +%\TitleHeader + +%\tableofcontents +%\listoffigures +%\listoftables + +\section{Εισαγωγή} +Στην παρούσα εργασία το ζητούμενο ήταν η υλοποίηση ενός “έξυπνου θερμοστάτη” χρησιμοποιώντας αναπτυξιακό \eng{Nucleo-F401RE} της εταιρίας \eng{ST Microelectronics.} +Η τελική εφαρμογή θα πρέπει να έχει οθόνη, \eng{leds} αισθητήρα θερμοκρασίας και αισθητήρα εγγύτητας, υλικά που δεν είναι διαθέσιμα από το αναπτυξιακό. +Για το σκοπό αυτό αποφασίσαμε να προχωρήσουμε την εργασία λιγάκι παραπάνω και να κατασκευάσουμε ένα \eng{shield} για το \eng{Nucleo,} το οποίο ενσωματώνει σε ένα τυπωμένο κύκλωμα όλα τα απαραίτητα στοιχεία. +Τέλος, λόγο του ότι η διεπαφή χρήστη της εκφώνησης ήταν λιγάκι “φτωχή”, πήραμε την πρωτοβουλία και υλοποιήσαμε ένα μικρό \eng{serial interface} το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για να ρυθμίσει τον θερμοστάτη. +Η ανάπτυξη έγινε σε γλώσσα \eng{C} και χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο \eng{Keil uVision.} +Ο κώδικας της εργασίας, της παρούσας αναφοράς, αλλά και τα σχέδια της κατασκευής υπάρχουν και στον προσωπικό \eng{server}του συντάκτη, στο \href{https://git.hoo2.net/hoo2/Micro2020/src/branch/master/assignment_3}{αποθετήριο} για την εργασία. + +\section{Παραδοτέα} +Στο παραδοτέο \eng{.zip} αρχείο μπορείτε να βρείτε: +\begin{itemize} + \item Τον κατάλογο \textbf{\eng{/src}} που περιέχει τον κώδικα της εφαρμογής. + \item Τον κατάλογο \textbf{\eng{/Libraries}} που περιέχει τον κώδικα των βιβλιοθηκών που χρησιμοποιήσαμε, όπως το \eng{CMSIS} και το \eng{ST HAL,} αλλά και τους \eng{drivers} για τα περιφερειακά. + \item Το αρχείο \textbf{\eng{report.pdf}} που είναι η παρούσα αναφορά. + \item Τον κατάλογο \textbf{\eng{/Keil}} που περιέχει το \eng{project} που χρησιμοποιήθηκε στο \eng{Keil.}\\ + Στο \eng{project} αυτό περιέχονται επιπλέων οι ρυθμίσεις καθώς και τα αρχεία από τις βιβλιοθήκες που χρησιμοποιήθηκαν. +\end{itemize} +\par +Για την παρούσα εργασία χρησιμοποιήσαμε το \eng{CMSIS} και το \eng{STM32F4xx\_HAL} που παρέχει η εταιρία \eng{ST} στο επίσημο αποθετήριό της. +Η επιλογή αυτού έναντι των αρχείων από το \eng{STM32F4xx Std\_Peripheral} που περιεχόταν στο \eng{e-learning} του μαθήματος έγινε για να συμβαδίσουμε με τις βιβλιοθήκες που προτείνει η κατασκευάστρια εταιρία. +Επίσης η χρήση τους έγινε στο ίδιο χαμηλό επίπεδο της \eng{STM32F4xx\_Std\_Peripheral} κάτι το οποίο προτείνεται και από τον διδάσκοντα. +\emph{\textbf{Εξάλλου μια υψηλότερου επιπέδου χρήση δεν θα είχε νόημα καθώς θα ξέφευγε από τον μαθησιακό χαρακτήρα της εργασίας}}. + +\section{Υλοποίηση} +\subsection{Κατασκευή του\eng{shiled}} +\InsertFigure{0.8}{fig:shield_pcb}{shield_pcb.png}{ + \eng{3D} απεικόνιση του \eng{PCB.} +} +Η υλοποίηση της εφαρμογής έγινε σε δύο φάσεις. +Η πρώτη ήταν η ανάπτυξη και κατασκευή του \eng{shiled.} +Αυτό το κομμάτι δεν ήταν στα απαιτούμενα και γιαυτό δεν θα ασχοληθούμε πολύ παρουσιάζοντάς το. +Θα πρέπει όμως να αναφέρουμε κάποια βασικά στοιχεία. +Έτσι εν συντομία η κατασκευή απαρτίζεται από: +\begin{itemize} + \item Μια \textbf{οθόνη} υγρών κρυστάλλων \eng{2 x 16,} σε \eng{4bit} παράλληλη επικοινωνία με τον επεξεργαστή.\\ + Εκτός από την επικοινωνία ο επεξεργαστής ελέγχει και το \eng{back light} μέσω ενός μικρού \eng{MOSFET,} του \eng{MMBF170.} + Η οθόνη είναι σε μόνιμο \eng{write mode,} μιας και ο ακροδέκτης \eng{RW} είναι συνδεδεμένος μόνιμα στην γείωση. + \item Ένα \eng{\textbf{relay}} τύπου \eng{latching,} το\eng{\textbf{G2SU-2}} συνδεδεμένο μέσω Η-γέφυρας.\\ + Η επιλογή \eng{latching relay} έγινε με γνώμονα την πιθανή κατανάλωση της κατασκευής σε περίπτωση μελλοντικής χρήσης της. + Σε μια τέτοια περίπτωση ενώ τα υπόλοιπα υλικά της κατασκευής λίγο πολύ θα μπορούσαν να περιορίσουν την κατανάλωση τους, το \eng{relay} θα έπρεπε να καταναλώνει συνέχεια ρεύμα για να παραμένει οπλισμένο. + \item Ένα αισθητήριο θερμοκρασίας τύπου\eng{\textbf{DS18B20}.}\\ + Το αισθητήριο αυτό κάνει χρήση του πρωτοκόλλου επικοινωνίας \eng{1-wire} της \eng{Dallas semiconductors.} + Παρόλα αυτά στην κατασκευή είναι συνδεδεμένο στη σειριακή επικοινωνία του \eng{shield,} επιτρέποντας έτσι τη χρήση του \eng{\href{https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorials/2/214.html}{application note 214}} της \eng{maxim,} όπου περιγράφεται ένας τρόπος δημιουργίας του χρονισμού του \eng{1-wire bus} χρησιμοποιώντας τη σειριακή θύρα. + Με τον τρόπο αυτό ο επεξεργαστής αποδεσμεύεται από τον φόρτο να δημιουργεί ακριβείς χρονοκαθυστερήσεις, πιθανότατα απενεργοποιώντας τα \eng{interrupts} και αφήνει ένα περιφερειακό του να εκτελέσει αυτή τη δουλειά. + \item Ένα αισθητήριο εγγύτητας \eng{\textbf{HC-SR04}} που λειτουργεί με υπερήχους. + \item Διάφορα “\textbf{μικρούτσικα}” υλικά, όπως τρανζιστορ-άκια, αντιστάσεις, πυκνωτές, \eng{leds} κ.α. +\end{itemize} + +\subsection{Οδηγός του \eng{Nucleo} και του \eng{shiled}} +Η δεύτερη φάση της ανάπτυξης ήταν ο προγραμματισμός. +Ο επεξεργαστής που φέρει το εν λόγο αναπτυξιακό είναι πολύ μεγαλύτερος από τις ανάγκες της παρούσας εργασίας. +Έτσι τα υποσυστήματα που χρησιμοποιήσαμε ήταν ελάχιστα. +Για την ακρίβεια έγινε χρήση: +\begin{itemize} + \item Του \eng{\textbf{SysTick timer}} ώς βάση μέτρησης χρόνου.\\ + Η συχνότητα που επιλέξαμε είναι το \eng{1Khz,} το οποίο μας οδηγεί σε επαρκές βήμα \eng{1msec}. + \item Του \eng{\textbf{GPIO}} για την ανάγνωση του κουμπιού και την οδήγηση του \eng{LED} της πλακέτας, αλλά και την οδήγηση όλων των ψηφιακών σημάτων του \eng{shield.} + \item Του \eng{\textbf{RCC}} για τον έλεγχο και των σημάτων ρολογιού εσωτερικά του επεξεργαστή στα διάφορα υποσυστήματα. + \item Του \eng{\textbf{Cycle count}} μηχανισμού στον \eng{debugger.}\\ + Ο εν λόγο μηχανισμός χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση του χρόνου απόκρισης του αισθητηρίου εγγύτητας. +\end{itemize} +\par +Αξίζει ίσως σε αυτό το σημείο να αναφέρουμε πως για την μέτρηση χρόνου χρησιμοποιήσαμε μεταβλητές για απαρίθμηση των διακοπών του \eng{SysTick.} +Η εφαρμογή έτσι μπορούσε βλέποντας την τιμή τους να έχει εικόνα του χρόνου που έχει περάσει από το \eng{power up.} + +\par +Για την οδήγηση των περιφερειακών του \eng{shield} χρησιμοποιήσαμε επιπλέον: +\begin{itemize} + \item Τη σειριακή \eng{\textbf{USART2}} για την επικοινωνία με το υπολογιστή.\\ + Τη θύρα αυτή τη χρησιμοποιήσαμε για την δημιουργία ενός \eng{command interface,} μέσω του οποίου μπορούμε να δούμε την κατάσταση του θερμοστάτη, αλλά και να του αλλάξουμε τις ρυθμίσεις. + \item Τη σειριακή \eng{\textbf{USART6}} για το \eng{1-wire.}\\ + Η χρήση αυτής της θύρας έγινε όπως αναφέρθηκε και παραπάνω σύμφωνα με τις οδηγίες της \eng{maxim-ic (Dallas semiconductors).} +\end{itemize} +\par +Εδώ θα πρέπει να αναφέρουμε πως στο \eng{nucleo} οι ακροδέκτες της σειριακής επικοινωνίας\eng{(D0-D1)} είναι συνδεμένοι στην σειριακή του \eng{”USB to serial”} του \eng{ST-LINK2.} +Για να συνδέαμε μέσω αυτών των ακροδεκτών τη σειριακή για το \eng{1-wire} του \eng{shield} στον επεξεργαστή, θα έπρεπε να τοποθετούσαμε τα \eng{jumpers SB62, SB63.} +Έτσι η κατασκευή μας θα πληρούσε τις προδιαγραφές της εκφώνησης, αλλά δεν θα είχε την έξτρα δυνατότητα του \eng{serial console.} +Ανταυτού λοιπόν “αφήσαμε” το \eng{nucleo} απείραχτο και συνδέσαμε τη σειριακή του \eng{shield} στη θύρα \eng{USART6,} μέσω των \eng{morpho headers.} +Αυτό μας αφήνει με το \eng{configuration} που περιγράψαμε παραπάνω, ενώ η κατασκευή μας είναι η ίδια είτε υλοποιήσουμε μόνο τις προδιαγραφές της εκφώνησης είτε υλοποιήσουμε και το έξτρα \eng{command interface.} + +\subsection{Οδηγός περιφερειακών} +Στον κατάλογο \eng{Libraries/drivers/} εκτός από τους οδηγούς του \eng{nucleo} και του \eng{shield,} υπάρχουν οι οδηγοί των περιφερειακών πάνω στο \eng{shield,} αλλά και οι επιπλέων λειτουργίες που χρειαστήκαμε για την ορθή λειτουργία τους. +Οι οδηγοί είναι σε ζεύγη αρχείων κώδικα-κεφαλίδας(\eng{.c/.h}) και ο καθένας αποτελεί ένα \eng{module.} +Η αναλυτική παρουσίαση του κώδικα εδώ θα πλάτιαζε χωρίς να προσφέρει τίποτε χρήσιμο. +Θα αναφέρουμε όμως συνοπτικά το κάθε \eng{modul-}άκι και τον τρόπο λειτουργίας του γενικά. +\begin{itemize} + \item \textbf{\eng{jiffies:}}\\ + Στο \eng{module} αυτό ρυθμίζουμε ένα \eng{timer} του επεξεργαστή ώστε να μετράει αδιάκοπα μέχρι μία τιμή με \eng{auto-reload.} + Κάνοντας χρήση αυτού του \eng{timer} μπορούμε στη συνέχεια να δημιουργήσουμε χρονοκαθυστερήσεις μικρότερες από το \eng{time base} της εφαρμογής. + \item \textbf{\eng{deque08:}}\\ + Το \eng{module} αυτό υλοποιεί μια \eng{double-ended queue.} + Την ουρά αυτή τη χρησιμοποιούμε στη σειριακή επικοινωνία με τον υπολογιστή για το \eng{serial console.} + Η υλοποίηση είναι “όσο \eng{object oriented} γίνεται”. + Οι συναρτήσεις δηλαδή του \eng{module} έχουν όλες ένα δείκτη σ' ένα “αντικείμενο” τύπου ουράς που παίζει το ρόλο του \eng{this pointer} άλλων γλωσσών. + Έτσι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε περισσότερες από μία ουρές στο ίδιο \eng{project} με τον ίδιο κώδικα. + \item \textbf{\eng{onewire\_uart:}}\\ + Το \eng{module} αυτό υλοποιεί το πρωτόκολλο επικοινωνίας \eng{1-wire} κάνοντας χρήση της σειριακής. + Ομοίως και εδώ η υλοποίηση είναι \eng{object oriented like.} + Εδώ όμως \textbf{κάνουμε ένα ακόμη κόλπο}. + Αρχικά το \eng{module} προϋποθέτει πως οι ακροδέκτες \eng{Tx-Rx} της θύρας είναι βραχυκυκλωμένοι. + Το βασικό “αντικείμενο” του \eng{module} εσωτερικά έχει δύο δείκτες σε συναρτήσεις. + Τη μία την καλεί για να γράψει στη σειριακή και ταυτόχρονα να διαβάσει τo αποτέλεσμα της πραγματικής κατάστασης του \eng{bus} κατά την προσπάθεια. + Την άλλη τη χρησιμοποιεί για να αλλάξει το \eng{baudrate} της θύρας. + Σε όλο το σώμα του κώδικα του \eng{module} γίνεται χρήση μόνο αυτών των δύο δεικτών και έτσι \textbf{\textit{δεν υπάρχει καμία εξάρτηση από το \eng{hardware.}}} + Ο χρήστης του \eng{module} μπορεί να το χρησιμοποιήσει σε οποιαδήποτε κατασκευή που πληροί τις προϋποθέσεις, να υλοποιήσει για το δικό του \eng{hardware} τις δύο παραπάνω συναρτήσεις και να τις συνδέσει με το \eng{module.} + Κάτι τέτοιο κάναμε και εμείς εδώ, όπου υλοποιήσαμε τις συναρτήσεις \eng{\textit{SHIELD\_1W\_RW()}} και \eng{\textit{SHIELD\_1W\_UART\_BR()}} και τις συνδέσαμε με το \eng{module.} + \item \textbf{\eng{alcd:}}\\ + Το \eng{module} αυτό υλοποιεί ένα οδηγό για την οθόνη. + Ομοίως και εδώ η υλοποίηση είναι \eng{object oriented like,} αλλά και απεξαρτημένη από το \eng{hardware} μέσω δεικτών σε συναρτήσεις για τα \eng{pins DB[4..7], RS, EN, Back-light.} + Για τον χρονισμό των σημάτων εδώ κάνουμε χρήση των \eng{jiffies,} καθώς οι χρόνοι που χρειαζόμαστε είναι πολύ μικρότεροι από το \eng{time base.} + \item Τέλος το \eng{\textbf{hal:}}\\ + Το \eng{module} αυτό είναι ο συνδετικός κρίκος της εφαρμογής με τους οδηγούς. + Σε αυτό το αρχείο επίσης είναι υλοποιημένες και οι λειτουργίες για την αναγνώριση της εγγύτητας και η ανάγνωση της θερμοκρασίας. + \textit{Αυτές \textbf{οι τελευταίες λειτουργίες είναι οι πιο “ριγμένες”} της εργασίας, καθώς ο συντάκτης από καθαρή τεμπελιά δεν αξιώθηκε να τις κάνει ξεχωριστά \eng{modules.}} + Εξάλλου φαίνεται και με μια ματιά πως οι λειτουργίες που είναι υλοποιημένες είναι οι άκρως απαραίτητες για την εφαρμογή μας. +\end{itemize} + + +\subsection{Εφαρμογή} +\WrapFigure{0.45}{r}{fig:uistates}{ui_states.png}{ + Μηχανή καταστάσεων της διεπαφής χρήστη. +} +Έχοντας υλοποιήσει όλα τα παραπάνω η δουλειά μας για την εφαρμογή ήταν πολύ εύκολη. +Έτσι στην βασική λειτουργία της εκφώνησης προσθέσαμε ορισμένα πράγματα. +Για παράδειγμα η εφαρμογή έχει μια δομή \eng{\textbf{settings}} στην οποία υπάρχουν οι ρυθμίσεις του θερμοστάτη. +Πιο συγκεκριμένα αποθηκεύουμε τον τρόπο λειτουργίας, αν δηλαδή ο θερμοστάτης δουλεύει για \textbf{ψύξη ή θέρμανση}. +Την θερμοκρασία λειτουργίας και μια υστέρηση για αυτήν. +Την απόσταση κάτω από την οποία θεωρεί ο θερμοστάτης ότι έχει εγγύτητα και ομοίως μια απόσταση υστέρησης. + +\par +Ο κώδικας της εφαρμογής μας χωρίζεται σε τέσσερεις \eng{non-blocking} συναρτήσεις που καλούνται σε βρόχο επανάληψης από την \eng{main.} +\\ +1. \textbf{\eng{control():}}\\ +Η συνάρτηση αυτή αναλαμβάνει να διαβάσει τα αισθητήρια εγγύτητας και θερμοκρασίας και να υπολογίσει τη μέση τιμή τις θερμοκρασίας στο τέλος του κάθε παράθυρου. +Η επικοινωνία με τις άλλες συναρτήσεις για την εγγύτητα και την ολοκλήρωση του κύκλου μετρήσεων γίνεται μέσω των σημαιών \eng{flag\_proximity}και\eng{signal\_cycle}αντίστοιχα. +Ακόμα με βάση τις ρυθμίσεις και την τρέχουσα μέση θερμοκρασία, ορίζει τη σημαία της κατάστασης εξόδου \eng{flag\_output.} +\\ +2. \textbf{\eng{display():}}\\ +Η συνάρτηση αυτή υλοποιεί μια μηχανή καταστάσεων και αναλαμβάνει να εμφανίζει τα μηνύματα της οθόνης. +Στο διάγραμμα \ref{fig:uistates} φαίνονται οι καταστάσεις και ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η εναλλαγή. +Σε κάθε κατάσταση η συνάρτηση διαμορφώνει ανάλογα το κείμενο στην οθόνη ώστε να πληρούνται οι προδιαγραφές της εργασίας. +\\ +3. \textbf{\eng{outputs():}}\\ +Η συνάρτηση αυτή ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί τις εξόδους της κατασκευής μας, δηλαδή τα δύο \eng{led} και το \eng{relay.} +Το πράσινο \eng{led} ενεργοποιείται όταν ο θερμοστάτης είναι ρυθμισμένος για ψύξη και η μέση θερμοκρασία είναι πάνω από τη ρύθμιση. +Το κόκκινο αντίστοιχα όταν ο θερμοστάτης είναι ρυθμισμένος για θέρμανση και η μέση θερμοκρασία είναι κάτω από τη ρύθμιση. +Το \eng{relay} ενεργοποιείται όταν θέλουμε ψύξη ή θέρμανση. +\\ +4. \textbf{\eng{console():}}\\ +Η συνάρτηση αυτή υλοποιεί ένα πολύ απλό \eng{command interface} μέσω του οποίου μπορούμε από την σειριακή του υπολογιστή να δούμε όλες τις θερμοκρασίες και ρυθμίσεις της συσκευής. +Ακόμα μπορούμε να αλλάξουμε όλες τις ρυθμίσεις. +\InsertFigure{0.8}{fig:console}{console.png}{ + Στιγμιότυπο από την σειριακή επικοινωνία με τον θερμοστάτη. +} +\par +Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αναφέρουμε πως η λειτουργία των \eng{led} είναι λιγάκι αλλαγμένη από την εκφώνηση. +Ο λόγος είναι ότι ο εν λόγο θερμοστάτης πλέον έχει λειτουργία και ψύξης και θέρμανσης και θέλαμε να δώσουμε στο \eng{user interface} ένα πιο “δεμένο” ύφος. + +\section{Συμπεράσματα - Παρατηρήσεις} +Συνοψίζοντας την εμπειρία μας με την παρούσα εργασία δεν έχουμε να αναφέρουμε κάποιο ιδιαίτερο πρόβλημα ή δυσκολία. +Η κατασκευή του τυπωμένου ευτυχώς δεν δημιούργησε εκπλήξεις με αποτέλεσμα η συγγραφή του κώδικα να γίνει απρόσκοπτα, αν και ομολογούμε ότι την κάναμε τελευταία στιγμή. +Παρατηρώντας την υλοποίηση βέβαια δεν μπορούμε παρά να τονίσουμε και μια παράβλεψη. +Ο θερμοστάτης δεν έχει κάποιο τρόπο να αποθηκεύει τις ρυθμίσεις στη \eng{flash.} +Αυτή η λειτουργία θα μπορούσε να είναι αιτία για να ξανασχοληθούμε στο μέλλον με την εργασία και ελπίζουμε αυτή μας η παράβλεψη να πέσει στην κατηγορία \textit{“για το μάτι”}. + + +% References +% ============================ +%\begin{thebibliography}{100} +%\bibitem{item}item... +%\end{thebibliography} + +\end{document} \ No newline at end of file