Изобретаем частотомер на stm32f030

[ozforester]

Идея этого простого велосипеда частотомера появилась после задачи написать простой функционал вывода информации на дисплей с контроллером HD44780 (lcd-дисплей из 16 символов в 2 строки и ему подобные) До сих пор не требовалось подключать этот дисплей к stm32. Возможно, причина в том, что обычно они пятивольтовые и от трех вольт не фурычат. Приходится или уходить в минус на выводе Vo, или предусмотренный схемой шим допаивать. Шима такого в наличии нет, а таймеры лишние внутри микроконтроллера есть. Будем получать отрицательное напряжение от одного из таймеров.
И раз уж собираем макет для проверки, то не просто ради пустогоэкрана, а добавим что-нибудь полезное. Выдадим с одного из выводов микроконтроллера сигнал, а другим выводом его измеряем и выведем на дисплей. Схему для начала соберем без претензий на точность, даже тактирование будет без кварца. Получится неплохой шаблон для экспериментов, в который можно будет будет добавить и кварц, и обратный счет, и все остальное, на что хватит фантазии.
Для начала попробуем простой прямой счет. Один таймер отмеряет односекундный измерительный интервал, запуская и останавливая другой таймер, который тактируется от измерительного входа. То есть сколько ведомый таймер насчитает импульсов на входе за одну секунду, такая и частота в герцах.
Какой взять микроконтроллер для эксперимента? На момент написания, есть несколько доступных по цене клонов 32-разрядных микроконтроллеров с архитектурой ARM, которые можно найти под их оригинальными маркировками или перемаркироваными под stm32. Обычно примерка начинается с бюджетных stm32f030. На макетной плате имеется stm32f030k6t6 в корпусе tqfp32 (с 32 выводами по периметру), у него 4 кБ оперативной памяти и 32 кБ флэша. Он подходит, так как задача подразумевает тактирование одного из таймеров внешним сигналом, для чего требуется вход ETR, который в данном корпусе уже выведен наружу.
Макетная плата самодельная, выкладывалась где-то ранее, могу повторить если будет интерес. (Она рисовалась специально для проводочного монтажа на бредбордах, с которыми не дружат квадратные переходные адаптеры. Если макет под пайку, то и адаптер без разницы.)
Итак, плата на макете. Запитана. Контрольный светодиод, предупреждающий о непредвиденных токах на макете, поставлен на шину питания. Включаем. Диод продолжает гореть, дым не идёт.



Для питания используем программатор st-link-v2, поэтому сразу проверяем доступность микроконтроллера подходящей утилитой. В данном примере система линух, поэтому используется команда из набора утилит st-utils.

$ st-info --probe
Found 1 stlink programmers
  version:    V2J17S4
  serial:     56FF6D064883535226351087
  flash:      32768 (pagesize: 1024)
  sram:       4096
  chipid:     0x0444
  descr:      F0xx small

Программатор видит микроконтроллер и готов к работе.

Для LCD рисуем схему преобразователя напряжения, например. Тоже где-то выкладывалась, но днем с огнем не отыскать. Так как из четырех деталей, то проще нарисовать заново. Предварительно зарезервируем на схеме таймер TIM14 под преобразователь.

Скрытый текст

Выбор программного обеспечения для сборки исходного кода на языке Си для архитектуры ARM. Мне симпатична GCC (коллекция компиляторов ГНУ - бесплатные компиляторы с нескольких языков и открытым исходным кодом) Можно найти и скачать скомпилированный тулчейн, а можно скачать его исходный код и скомпилировать на своем компьютере. Заранее собранный тулчейн вызывает меньше вопросов. Здесь будет использоваться предсобранный тулчейн, скачанный несколько лет назад, поэтому ссылку не прилагаю. Если найдете, скачаете и протестируете более актуальную версию, просто поделитесь ссылкой с коллегами.
Для программирования микроконтроллера и отладки программы обычно используется openocd (open on-chip debugger), здесь ограничимся вышеупомянутыми st-utils (набор утилит с открытым исходным кодом для ST микроконтроллеров). В виндосе можно использовать любую утилиту для stm32 из доступных.
Ещё потребуются заголовочные файлы для stm32f030. Их можно скачать с гитхаба, с сайта разработчика, найти в каком-нибудь проекте на таком же микроконтроллере в папке cmsis. Полный набор содержит файлы для всех разновидностей мк данной модели и занимает пару сотен мегабайт с примерами и прочим грузом. Скопируем лишь несколько нужных файлов из cmsis в папку с исходным кодом. Ошибки при сборке подскажут, чего не хватает.

Начинаем с простого кода. Пустой шаблон будущей программы с включением светодиода с резистором между пинам. PB0 и PB1

#include "main.h"
int main()
{
led_on();
while(1){}
}

void led_on( void ){
  RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOBEN; // clock port
  GPIOB->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_0; // out
  GPIOB->MODER |= GPIO_MODER_MODER1_0; // out
  GPIOB->BSRR  |= GPIO_BSRR_BS_0; // PB0 set (led anode)
  GPIOB->BSRR  |= GPIO_BSRR_BR_1; // PB1 reset (led cathode)
}

Собрали. Прошили. Светодиод включился.



Добавляем на схему новый фукционал. Здесь два пути, или сразу подумать о трассировке и назначить наиболее удобные выводы мк для дисплея и шима, или переназначить выводы уже перед трассировкой платы. Пойдем по второму пути. Проводки простят неоптимальный выбор, к тому же в любой момент можно что-то поменять, не рискуя разрушить иллюзию прежней правильности. (светодиод уже переехал на другие выводы)



Добавляем в код шим для отрицательного напряжения. Подбираем заполнение шима для небольшого отрицательного напряжения на Vo, и появляются черные квадратики в верхней строчке. Это символы 0xFF а ячейках памяти после подачи питания на контоллер.



Добавляем в код функционал работы с лсд-дисплеем. Начальную инициализацию, установку позиции курсора, очистку и т.п. (способы написания драйверов каждый раз разные, на этот раз макросов получилось многовато, зато голова не болит) После инициализации и очистки экрана дисплей выглядит вот так.



Теперь выведем на дисплей какое-нибудь слово.



Получилось, можно подумать о настройке таймера для измерения частоты.
Таймеры настроены. (пока без тонких настроек)



Эксперимент завершен. Основной задачей было запустить дисплей HD44780 в схеме с низким напряжением питания.

Описание получилось сжатое, но достаточное для того, чтобы начинать собственный проект не с чистого листа. Тема для всех, кто интересуется самостоятельным использованием stm32 в измерениях. Делитесь вопросами и ответами.
Исходный код и схема в KiCad на гитхабе.

И, на всякий случай, прошивка.

[ozforester]

Изменил немножко схему. Вместо шима, подал на вход счетчика выход мастер-клока. Мастер -клок переключил на выход PLL без делителя. Это ползволило получить на выводе микроконтроллера более интересную для измерения частоту. Обновления схемы и кода на гитхабе. Короткое видео, где видна "нехватка" двух импульсов (асинхронный вход таймера был поделен на восемь) тоже есть. Способов компенсации такой погрешности существует несколько, здесь уже начинается творчество и.. чтение функционального описания таймеров в руководстве разработчика. Сразу отмечу, что измерение микроконтроллером "самого себя" удобно лишь при отладке вносимых при обработке задержек, поскольку выходной и входной сигнал "синхронны" по фронтам. По этой же причине не проявится отклонение абсолютного значения частоты, которое заметно лишь при измерении несвязанного с тактированием микроконтроллера сигнала. Это к пояснению, почему могут быть получены неплохие показания при тактировании схемы от внутреннего тактового RC-генератора, который не отличается стабильностью. Кварц с программной коррекцией обеспечивает лучшую стабильность, а еще лучшую, недорогой термостатированный генератор.

[veso74]

Можете попробовать использовать каскадное включение таймеров (TIM1 + TIM3) = 32-битный таймер, управление "подчиненным" через Update. Так будет исключено возможность одновременного возникновения прерываний на обоих таймерах. А "окно измерения" по времени - с одним из других таймеров (здесь Вы дали им приоритет). Использую на нескольких типах STM32, предпочитаю его перед ручная модификация TIMX_ovf++ при переполнении. Для других применений так можно сделать 32-битный таймер (если отсутствует), 48-битный, 64-битный ...

[ozforester]

Помнится, на этой модели доступно или каскадное включение счетчиков, или точный запуск и останов первого. Время счета более актуально, как мне кажется. Возможность запускать и останавливать счетчик внешним событием не проверял, поэтому остается небольшая вероятность этого аппаратного решения. В противном случае придется переходить на другой микроконтроллер. Сейчас используется такой принцип - остановленный таймер-счетчик прерывания не вызывает, а при выполнении уже запущенного прерывания счетчика в момент необходимости остановки, гейт-таймер просто отработает поверх этого прерывания. Прибавление счетчика старшего разряда (переменной) не требует изменения в реальном времени. (не смотрел текущие значения, просто добавил приоритеты в качестве шаблона для интересующихся)
Повторюсь, способов повышения точности несколько. Чтобы выснить, какие из них больше подходят, нужно пробовать. Смысл в том, чтобы самостоятельно получить представление о возможностях stm32f030. Именно поэтому не останавливался таймер-счетчик, предполагая возможность применения кольцевого буфера и/или дма. Например, сейчас добавил счет с остановкой. Точность повысилась. При выборе другого способа, сначала придется сделать шаг назад. На гитхабе можно перейти на старые "слепки" проекта, только придется еще и про гитхаб читать. Сейчас есть схема в кайкэде, пустая печатная плата, масса возможностей. Добавить желание, и получится собственный простой частотомер. На тех деталях и с теми размерами, которые нужны. Еще добавить желания, и получится более сложный. Когда исчерпаются возможности этой модели, появится понимание, к чему можно стремиться. И бонусом навыки работы с замечательной средой сквозного проектирования КайКэд. (=

[veso74]

Напр. для частотомеров "переключитесь" на другие типы STM32. И цена (почти) та же, а возможностей больше (напр. была получена более высокая максимальная частота измерения).
Напр. получил из F031F6P6: HSE, 8 x 6 = 48 MHz, TIM_CLOCKPRESCALER_ DIV8, Fmax = 153 MHz, получил из G030F6P6 HSE 24 MHz x 4, 96 MHz, Fmax = 203 MHz
Но лучше (цена/полученные параметры): на STM32F/G4xx.

[ozforester]

Вроде бы у F401 есть клоны недорогие, и там уже есть fpu и dfu. Недавно F401 был дешевле G030. Но дело не только в цене. Смысл F030 в простоте при изучении. Аналогично attiny13. Примеры кода для периферии есть в самом референсе. Вроде бы этот F030 до 100 МГц должен посчитать, может и до 150. Но скорость тоже не главное. Главное знания. А знания поначалу требуют жертв. Когда только начинаешь изучать, пять микрокнтроллеров за $2 это в пять раз лучше, чем один. (=
(G030 уже новая модель, сильно лучше F030)

[_Falcon_]

По частотомеру на СТМ32 https://vrtp.ru/index.php?showtopic=...dpost&p=875457

[ozforester]

Добрался до консоли "human detected" компьютера, а то мой клаудфлэра давно не пропускает. Что сказать. Мосье знает толк в доступных комплектующих не по наслышке и умеет их вкусно приготовить.
Здесь же цель была сподвигнуть других на самостоятельное творчество. Шаблон для продолжения. ~Не так страшен микрокнтроллер и програмирование, как те небылицы, что про них сочиняют.

[ozforester]

Попробовал вариант A.8.15 из рефренса. (высвобождение внутреннего триггера от третьего таймера с использованием таймера под ведомый счетчик) Хоть использвание внешнего триггера и не повышает точность, но оно добавляет два дополнительных механизма управления интервалом. Можно использовать pps выход часового таймера или ШИМ свободного таймера. С часовым таймером добавляется небольшая погрешность на синхронизаторе, хотя это несущественно для такой простой конструкции. Использование ШИМ позволяет использовать скважность одновременно для задания измерительного интервала, и паузы на выборку из регистров счетчика. То есть, при кратковременно-неактивном выходе шима (остановленном счетном таймере), считываются и подготавливаются счетчики. Расчет и отображение результата происходит во время накопления следующего интервала. Расчет начинается по флагу, установленному в прерывании сравнения шим-таймера и заканчивается сбросом флага.
После использования двух внешних выводов таймера, схема немного изменилась.

На схеме опечатка. Не 48, а 50 МГц тактовая частота при испозовании кварца на 25 МГц. На PA7 так же подвешен светодиод для наблюдения измерительного интервала при отладке.

[veso74]

Без внутренней схемы по крайней мере на таймерах, описания и программного кода непонятно, что именно реализовали. По крайней мере, дайте таймерам четкое указание, кто за что отвечает. (Думаю, что аппаратное подключение не обязательно - все можно реализовать программно).

Цель: недостаточно таймеров для других дел? (напр. генератор (PWM) напряжения для ЖК-дисплея?).

Для частотомер с выбранным МК достаточно:
- 2 таймеров: первой: на напр, 1 секунду и второй: на вход с ETR (+переполнение в переменная) или
- 3 таймера: первой: на напр. 1 секунду и два: в каскадном соединении

Болеее нравится второй вариант. Есть еще 2 (или 3) таймера для других целей. И это в "бедном" ресурсами F030.