Rozdíly

Zde můžete vidět rozdíly mezi vybranou verzí a aktuální verzí dané stránky.

--- 2017:fn-generator [2018/01/14 21:52]
Martin Lelek [Hardware]
+++ 2017:fn-generator [2018/01/14 23:56] (aktuální)
Martin Lelek [Závěr]
@@ Řádek 1: / Řádek 1: @@
-======== Zadání ========
+======== Funkční generátor ========
-Na vhodné architektuře (STM32F407) implementujte algoritmus schopný přes DA převodník generovat základní funkční signály v pásmu minimálně do 50kHz (AUDIO). Generátor umožní regulovat kmitočet, amplitudu a stejnosměrný offset výstupního signálu. Dále implementujte vhodné ovládání (LCD, tlačítka, rotační kodér apod.) pro pohodlné řízení generátoru. Pro FW procesoru realizujte vhodnou HW nadstavbu s potřebnými analogovými obvody včetně napájení.
 **Vypracoval: Martin Lelek**
+----
+======= Zadání =======
+Na vhodné architektuře (STM32F407) implementujte algoritmus schopný přes DA převodník generovat základní funkční signály v pásmu minimálně do 50kHz (AUDIO). Generátor umožní regulovat kmitočet, amplitudu a stejnosměrný offset výstupního signálu. Dále implementujte vhodné ovládání (LCD, tlačítka, rotační kodér apod.) pro pohodlné řízení generátoru. Pro FW procesoru realizujte vhodnou HW nadstavbu s potřebnými analogovými obvody včetně napájení.
 ----
@@ Řádek 20: / Řádek 25: @@
 == Ovládání ==
-Rozšiřující modul pro zmíněný vývojový kit je osazen běžným alfanumerickým LCD o rozměrech 2x16 znaků s klasickým řadičem HD44780. Po pravé straně LCD jsou rozmístěny do kříže čtyři tlačítka sloužící pro ovládání.
+Rozšiřující modul pro zmíněný vývojový kit je osazen běžným alfanumerickým LCD o rozměrech 2x16 znaků s klasickým řadičem HD44780. Po pravé straně LCD jsou rozmístěny do kříže čtyři tlačítka sloužící pro ovládání. Displej je napojen svými datovými vstupy na prvním osm GPIO portu A, řízení pak probíhá pomocí pinů PC5 (RS), PC6 (RW) a PC7 (EN). Tlačítka jsou napojena na GPIO PD0 - PD3.
 == Napájení ==
@@ Řádek 30: / Řádek 35: @@
 == D/A ==
-Jako DA převodník byl ze šuplíkových zásob vybrán obvod AD5260 fy Analog Devices. Jedná se o převodník komunikující po sběrnici SPI pomocí tří vodičů (jednosměrná komunikace). Převodník disponuje rozlišením 16b, má vnitřně separovanou digitální a analogovou část. Digitální část je napájena z větvě 3V3, analogová pak z větve 5V. Převodník umožňuje na výstupu dosáhnout napětí až 4V, jako (samostatná) reference byl zvolen obvod TL431 nastavený na 2,5V, což je hodnota udávající peak - peak napětí výstupu AD převodníku. Pin Chip Select je připojen na GPIO PC9, jež je namapovaný na výstup timeru 3. Tento slouží pro generování CS pulzů a pro obsluhu odesílání SPI dat.
+Jako DA převodník byl ze šuplíkových zásob vybrán obvod AD5260 fy Analog Devices. Jedná se o převodník komunikující po sběrnici SPI pomocí tří vodičů (jednosměrná komunikace). Převodník disponuje rozlišením 16b, má vnitřně separovanou digitální a analogovou část. Digitální část je napájena z větvě 3V3, analogová pak z větve 5V. Převodník umožňuje na výstupu dosáhnout napětí až 4V, jako (samostatná) reference byl zvolen obvod TL431 nastavený na 2,5V, což je hodnota udávající peak - peak napětí výstupu AD převodníku. Pin Chip Select je připojen na GPIO PC9, jež je namapovaný na výstup timeru 3. Tento slouží pro generování CS pulzů a pro obsluhu odesílání SPI dat. Pro odesílání dat byla využita sběrnice SPI2 na pinech PB13 (SCK) a PB15 (DATA).
 == Regulace amplitudy a DC offsetu ==
@@ Řádek 41: / Řádek 46: @@
 Zmíněný digitální potenciometr AD5260 komunikuje po sběrnici SPI. Disponuje vstupem DI a výstupem DO, potenciometry a jiná zařízení lze na tuto sběrnici serializovat a sloučit tak vstupy Chip Select. Jinak tomu není ani zde - první digitální potenciometr je svým datovým vstupem připojen na SPI sběrnici stejně, jako použitý DA převodník. Na výstup DO tohoto potenciometru je připojen potenciometr druhý, Chip Select piny jsou pak spojeny a ovládány skrz pin PD7.
-Kompletní schema zapojení:
+__Kompletní schema zapojení:__
-{{:2017:stm32f407disco_gen.png?600|}}
+{{ :2017:fn_gen:stm32f407disco_gen.png?direct |}}
 -----
+===== Firmware =====
+Firmware generátoru byl psán v Open Source prostředí EmBitz, kostra programu s nastavením periferií byla vytvořena pomocí programu STM32 CubeMX. V tomto programu bylo provedeno nastavení periferie SPI a čítače TIM3 sloužícího pro generování vzorkovacího kmitočtu. Dále byly nastaveny potřebné GPIO piny pro alfanumerickou LCD, čtveřici tlačítek a Chip Select signály digitálních potenciometrů a DA převodníku.
+Popis jednotlivých proměnných a maker:
+<code c>
+#define SAMps   100000			//definice vzorkovacího kmitočtu
+#define N       10000			//počet vzorků na periodu sinusového signálu
+static volatile uint8_t necessary = 1;	//flag potřeby aktualizace hodnot digitálních potenciometrů
+char buffer[10];			//buffer funkce sprintf()
+uint16_t sine_buff[N];			//buffer sinusové funkce
+uint16_t frequency = 1000;		//proměnná kmitočtu
+uint8_t  pot_buff[2] = {125, 250};   	//proměnné DC offsetu a amplitudy
+uint8_t  func = 1;			//proměnná definující zvolenou funkci
+uint8_t  cursor = 0;			//proměnná definující pozici kurzoru
+</code>
+== Inicializace ==
+Po spuštění hlavní funkce MAIN dojde k inicializaci veškerých potřebných periferií pomocí funkcí HAL_Init(), SystemClock_Config(),  MX_GPIO_Init(),  MX_SPI2_Init() a MX_TIM3_Init(). Dále se provede inicializace alfanumerického LCD pomocí uzemnění pinu R/W. Po vypsání uvítací obrazovky „STM32F4“ spolu s „Initialize“ se aktivuje blikající kurzor LCD. Následuje zavolání funkce sine_calc(), která do pole sine_buff() uloží N vzorků jedné periody sinusové funkce:
+<code c>
+void sine_calc(void)
+{
+    uint16_t i = 0;
+    float FI = 0;
+    for(i = 0; i < N; i++)
+    {
+        FI = (( M_PI* 2)/ N)* i;
+        sine_buff[i] = ( 16383 *sin( FI)) + 16383;
+    }
+}
+</code>
+Procesor STM32F407 má dostatek paměti RAM pro pojmutí tohoto pole.
+Po vypočtení pole hodnot sinusové funkce se po návratu spustí čítač TIM3 pomocí funkcí HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3) a HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4). Vzorkovací kmitočet činí 100 kHz, je generován jako invertovaný signál PWM se střídou přibližně 3%, po která je tento signál v log. 1. Tímto krátkým pulzem dojde k zapsání dat do vnitřního 24b registru, do kterého byla po SPI tato data předtím vyslána. Sestupnou hranou pulzu je generováno přerušení – volání CallBack funkce pro jeho obsluhu.
+== Ovládání ==
+Po spuštění čítače je zinicializována obrazovka LCD a vypsány primární hodnoty. Program dále skočí do hlavní smyčky programu, ve které testuje čtyři tlačítka.
+Tlačítka doprava a doleva (GPIO_PIN_0 a GPIO_PIN_1) slouží pro posuv kurzoru po LCD, v jejich podmínkách se pouze inkrementuje a dekrementuje hodnota proměnné cursor. Podmínky též obsahují jednoduché odrušení řešené pomocí zpoždění.
+Další dvě tlačítka (GPIO_PIN_2 a GPIO_PIN_3) slouží pro nastavení aktuálně zvolené pozice kurzoru. Nastavování na dané pozici je řešeno pomocí funkce switch, jež má jako parametr proměnnou cursor. V první části funkce switch je nastavován kmitočet s ohledem na možné meze, v druhé části je měněna hodnota proměnné func, jež určuje svojí hodnotou typ funkce průběhu (SINE, SAW, SQUARE, ZERO).
+Ve třetí a čtvrté části funkce switch je podobným způsobem nastavována hodnota amplitudy a stejnosměrného offsetu. Při změně těchto hodnot dojde k nastavení flagu necessary, jež je zahrnut při odesílání dat v CallBack funkci přerušení čítače TIM3.
+== CallBack timeru a odesílání dat ==
+Ve funkci CallBack je na základě hodnoty proměnné func rozhodnuto, který daný vzorek bude po sběrnici vyslán ven. Odpovídá-li hodnota proměnné funkci SINE, odesílají se periodicky vzorky z tabulky sine_buff do DA převodníku.
+Ten který vzorek má být odeslán, je určeno pomocí jednoduchého výpočtu z vzorkovacího kmitočtu, nastaveného kmitočtu a celkového počtu vzorků na periodu:
+<code c>
+case 1:     //SINE
+    if( sam_num < ( ( N* 10) - frequency - 10))
+    {
+        sam_num = sam_num + frequency;
+    }
+    else
+    {
+        sam_num = frequency - (( N* 10) - sam_num - 10);
+    }
+    buff[2] = sine_buff[ sam_num/ 10] >> 0;    //LOWER  bits
+    buff[1] = sine_buff[ sam_num/ 10] >> 8;    //HIGHER bits
+    //buff[0] = 0;
+break;
+</code>
+Pro generování funkcí SAW a SQUARE je pro jednoduchost využit výpočet v reálném čase. Na závěr CallBack funkce jsou odesílána data po SPI – buď vzorek do DA převodníku, nebo v případě nastavení flagu necessary pouze data do digitálních potenciometrů.
+Funkce out_freq, out_amp a out_dc jsou využity pouze pro vypisování proměnných odpovídajících těmto třem parametrům, podobně funkce set_cursor a put_func.
+-----
+===== Závěr =====
+Vynaloženým úsilím se podařilo vytvořit funkční prototyp generátoru sinusového, pilovitého a obdélníkového signálu. Ve firmwaru kontroléru nebyla využita sběrnice DMA pro odesílání SPI dat, byl využit přímo dostupný HAL driver. Toto řešení se ne příliš později projevilo jako fatální v omezení schopností celého zařízení při použitém vzorkovacím kmitočtu a požadovaného kmitočtu signálu na výstupu. Měřením na datových a CS vodičích bylo zjištěno, že tento přístup k SPI periferii zanáší mezi zavoláním funkce pro odeslání dat a samotným odesláním dat z periferie zpoždění přibližně třetinu periody vzorkovacího kmitočtu. Důsledkem tohoto, jelikož jsou odesílány tři bajty dat za sebou, nelze vzorkovací kmitočet již dále zvyšovat. Řešením by bylo použití sběrnice DMA, popřípadě emulované sběrnice SPI.
+Dalším opomenutým nešvarem budiž absence rekonstrukčního filtru. Podvědomí autora si nejspíše naivně myslelo, že se sinusovka o kmitočtu 50kHz bude při vzorkovacím kmitočtu 100kHz jevit plynule jako vycházející a zapadající slunce.. Leč byl to omyl a to více než krutý. Tímto opomenutím je relativně dobrá použitelnost prototypu omezena na pásmo do 20kHz, což však pro použití v audio pásmu v podstatě stačí.
+**Fotografie nasazeného modulu je zde:**
+{{ :2017:fn_gen:gen_proto.jpg?direct&400 |}}
+**ZIP archiv se schematem a PCB v SW Eagle a zdrojovými kódy:**
+{{ :2017:fn_gen:xlelek02_2017_project_mpoa.zip |}}
+**Krátké video demonstrující funkci:**
+https://youtu.be/UYy0PPRKk28
+{{ youtube>UYy0PPRKk28?medium |}}

Individální projekty MPOA

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Rozdíly

Nástroje pro stránku