Как перестать бояться и полюбить mbed [Часть 3]04.10.2016 14:03

Напомню, что речь идет о разработке устройства с сенсорным экраном, которое служит для высокоскоростного измерения температуры и относительной влажности. Самое интересное в этой истории — подход к созданию встроенного ПО. Для написания программы используется онлайн IDE mbed, позволяющая создавать железонезависимый код, который одинаково работает на отладочных платах от SiLabs, Atmel, Wiznet, STM32, NXP и других производителей.

Сегодня подключаем датчик.

Содержание цикла публикаций:

1. Обзор использованных программных и аппаратных решений.
2. Начало работы с графическим контроллером FT800. Использование готовых mbed-библиотек для периферийных устройств.
3. Подключение датчика HYT-271. Создание и публикация в mbed собственной библиотеки для периферийных устройств.
4. Разработка приложения: Структура программы, работа с сенсорным экраном.
5. Разработка приложения: Вывод изображений на дисплей, проблемы русификации.
6. Печать деталей корпуса. Анализ ошибок проектирования и другие выводы.

Сегодня подключаем датчик температуры и относительной влажности серии HYT. Датчик представляет собой законченный цифровой узел — он содержит емкостный чувствительный элемент для измерения влажности, датчик температуры и схему обработки сигналов, кроме того, как и большинство подобных датчиков, HYT имеет заводскую калибровку. Всё это значит одно — для использования датчика достаточно подключить его к управляющему контроллеру и освоить протокол, по которому датчик опрашивается.

Формат посылок и пример реализации соответствующих функций на Си подробно описан в этой статье. Сейчас я постараюсь не сильно дублировать уже сказанное и сосредоточусь на вопросах использовании датчика HYT-271* в mbed-проекте.

* серия HYT состоит из трех моделей — HYT-271, HYT-221 и HYT-939. Они отличаются только корпусом, поэтому всё что я пишу о включении HYT-271 актуально и для остальных моделей.

• Питание (подойдут и 3.3, и 5 В)
• Земля
• Линия данных SDA
• Линия тактирования SLC

Сразу скажу, что в mbed-библиотеке HYT отсутствуют функции для смены I2C-адреса. Причины этого — моя природная лень и отсутствие прямой необходимости, ведь в большинстве случаев на шине висит единственный датчик и для работы достаточно реализовать процедуры опроса и получения результатов измерений.

Measuring Request — это пакет, состоящий только из заголовочного байта — адреса датчика и флага записи. Соответствующая функция MRCommand () осуществляет отправку на I2C пустого пакета.

Команда Data Fetch — это заголовочный байт с флагом чтения и четыре байта данных, которые контроллер получает с датчика.

Второй бит первого байта — служебный Stale bit. Если он установлен в »1», значит после выполнения очередного цикла измерений получены те же значения температуры и влажности, что и в предыдущем цикле.

Следующие 14 разрядов кодируют относительную влажность, следующие 14 разрядов — температуру. Далее идут два незначащих бита.

Соответствующая функция DFCommand () осуществляет передачу соответствующего пакета на I2C и декодирование полученных с датчика данных. Значения относительной влажности и температуры вычисляются по следующим формулам:

RH [%] = (100 / (214 — 1)) * RHвх
T [°C] = (165 / (214 — 1)) * Tвх — 40

Естественно, поддержку новой отладочной платы может обеспечить только производитель микроконтроллеров, а вот с поддержкой новых периферийных компонентов всё обстоит интереснее. Ещё пару месяцев назад новые устройства мог добавлять любой пользователь и над списком поддерживаемых компонентов висела кнопка Add new component. Сейчас ARM меняет политику: любой зарегистрированный пользователь может опубликовать библиотеку и описание для нового компонента, однако для того чтобы добавить свой драйвер в список поддерживаемых компонентов требуются расширенные права (у меня такие теперь есть, хи-хи-хи).

Все mbed-библиотеки для периферийных устройств представляют собой С++ классы, содержащие необходимые для работы с устройством функции. Как правило, конструктор такого класса принимает в качестве аргументов линии ввода/вывода, к которым подключается компонент. Если при подключении устройства требуется некая процедура инициализации, то эту процедуру тоже логично включить в конструктор класса. Примером библиотеки, содержащей процедуру инициализации, служит библиотека графического контроллера FT800, подробное описание которой приводилось в предыдущей статье.

В случае с датчиком HYT всё гораздо проще: инициализации датчика не требуется, а для получения результатов измерений необходимо всего две функции.

Файл HYT.h

#define HYT_ADDR 0x50 // 01010000
 
class HYT
{
public:
    /**
     * HYT constructor.
     *
     * @param   sda mbed pin to use for SDA line of I2C interface.
     * @param   scl mbed pin to use for SCL line of I2C interface.
     * 
     * Remember about pull-up resistors on sda and scl. Recommended value is 2.4 kΩ
     */
    HYT(PinName sda, PinName scl);
    /**
     * @brief   The totals (temperature in Celsius, relative humidity in percentages)
     */
    float humidity;
    float temperature;
    /**
     * @brief   Send "Measuring Request" command
     * @details Initiates a measuring cycle of HYT sensor
     * @details More information: http://www.ist-ag.com/eh/ist-ag/resource.nsf/imgref/Download_AHHYTM_E2.2.5.pdf/$FILE/AHHYTM_E2.2.5.pdf
     */     
    void MRCommand(void);
    /**
     * @brief   Send "Data Fetch" command & processing the data
     * @details Fetch the last measured value of humidity and temperature from sensor
     * @details Calculate values of temperature in Celsius, relative humidity in percentages
     * @details More information: http://www.ist-ag.com/eh/ist-ag/resource.nsf/imgref/Download_AHHYTM_E2.2.5.pdf/$FILE/AHHYTM_E2.2.5.pdf
     * @returns 0 if no errors, -1 if no new value received from sensor.
     */    
     int DFCommand(void);
private:
    I2C _i2c;
};

#include "HYT.h"
#include "mbed.h"
 
HYT::HYT(PinName sda, PinName scl) : _i2c(sda, scl)
{
}
 
/*************************************************************************************************************************/
void HYT::MRCommand(void)
{
    _i2c.write(HYT_ADDR, 0, 0);
}
 
/*************************************************************************************************************************/
int HYT::DFCommand(void)
{
    char    dataI2C[4];
    int     stateBit;
    int     humidityRaw;
    int     temperatureRaw;
 
    _i2c.read(HYT_ADDR, dataI2C, 4);
 
    stateBit = (dataI2C[0] & 0x40) >> 6;
    if (stateBit == 0) {
        humidityRaw = ((dataI2C[0] & 0x3F) << 8) | dataI2C[1];
        temperatureRaw = ((dataI2C[2] << 8) | dataI2C[3]) >> 2;
        if (temperatureRaw < 0x3FFF && humidityRaw < 0x3FFF) {
            temperature = ((float)(temperatureRaw) * 165.0f / 16383.0f) - 40.0f;
            humidity = (float)humidityRaw * 100.0f / 16383.0f;
        } else {   // sensor returns wrong data (1111...11)
            return -1;
        }
    } else {   // no new value received from sensor
        return 0;    
    } 
    return 0;
}

При публикации mbed-библиотеки для нового компонента полагается не только создать и должным образом задокументировать код. Помимо этого желательно снабдить библиотеку описанием аппаратного модуля, типовой схемой включения устройства и Hello World program — простым примером использования библиотеки. Для создания такого примера я снова использую проект-заготовку из первой статьи данного цикла публикаций.

#include "mbed.h"

Serial              pc(USBTX, USBRX);
Ticker              timeKeeping;
volatile uint64_t     seconds = 0;

void secondsCallback(void) {
    pc.printf("Number of seconds: %x\r\n", seconds);
    seconds ++;
}
 
int main() {
    timeKeeping.attach(&secondsCallback, 1.0f);
    while(1) {}
}

• создаем объект SENSOR класса HYT, передавая в качестве аргументов называния выводов, на которых доступен интерфейс I2C
• добавляем функцию опроса датчика dataUpdate () и вызываем её в бесконечном цикле
• вместо счетчика секунд выводим на последовательный интерфейс полученные данные о температуре и относительной влажности

#include "mbed.h"
#include "HYT.h"
 
Serial              pc(USBTX, USBRX);
Ticker              timeKeeping;

HYT                 SENSOR (PD6, PD7); // sda, scl [SLSTK3400A]
//HYT               SENSOR (D14, D15); // sda, scl [WIZwiki-W7500P]
//HYT               SENSOR (PA08, PA09); // sda, scl [ATSAMD21-XPRO]
 
// HYT sensor polling cycle
void dataUpdate(void)
{
    SENSOR.MRCommand();
    wait_ms(100);
    SENSOR.DFCommand();
}
 
void secondsCallback(void) {
    pc.printf("Humidity level: %.1f\r\n%", SENSOR.humidity);
    pc.printf("Temperature level: %.1f\r\n%", SENSOR.temperature);
    pc.printf("-------------------------------\r\n%", SENSOR.temperature);
}
 
int main()
{
    timeKeeping.attach(&secondsCallback, 1.0f);
    while(1) {
        dataUpdate();
    }
}

HYT SENSOR (PD6, PD7); // sda, scl [SLSTK3400A]
FT800 TFT (PE10, PE11, PE12, PE13, PB11, PD4); // mosi, miso, sck, ss, int, pd [SLSTK3400A]
//HYT SENSOR (D14, D15); // sda, scl [WIZwiki-W7500P]
//FT800 TFT (D11, D12, D13, D10, D9, D8); // mosi, miso, sck, ss, int, pd [WIZwiki-W7500P]
//HYT SENSOR (PA08, PA09); // sda, scl [ATSAMD21-XPRO]
//FT800 TFT (PA18, PA16, PA19, PA17, PA20, PA21); // mosi, miso, sck, ss, int, pd [ATSAMD21-XPRO]

void dataUpdate(void)
{
    SENSOR.MRCommand();
    wait_ms(100);
    SENSOR.DFCommand();
}

• Начало дисплей-листа, установка белого цвета как цвета по умолчанию
• Установка черного цвета, вывод двух текстовых строк
• Установка темно-зеленого цвета, вывод графического примитива «Прямоугольник»
• Установка белого цвета, вывод текстовой строки и числа (значения относительной влажности)
• Установка темно-синего цвета, вывод графического примитива «Прямоугольник»
• Установка белого цвета, вывод текстовой строки и числа (значения температуры)
• Установка черного цвета, вывод текстовой строки
• Вывод графического примитива «Прямая линия»
• Конец дисплей-листа, загрузка картинки на дисплей

void drawTimeScreen(void)
{
    TFT.DLstart();
    TFT.DL(CLEAR_COLOR_RGB(255, 255, 255));
    TFT.DL(CLEAR(1, 1, 1));

    TFT.DL(COLOR_RGB(0, 0, 0));
    TFT.Text(11, 15, 30, 0, "Demo-project for habrahabr.ru");
    TFT.Text(13, 15 + 40, 28, 0, "Using FT800 library and HYT library");

    TFT.DL(COLOR_RGB(9, 40, 3));
    TFT.DL(BEGIN(RECTS));
    TFT.DL(VERTEX2II(11, 105, 0, 0));
    TFT.DL(VERTEX2II(11 + 222, 105 + 100, 0, 0));

    TFT.DL(COLOR_RGB(255, 255, 255));
    TFT.Text(11 + 10, 105 + 10, 28, 0, "Relative humidity, %");
    TFT.Number(11 + 10, 105 + 10 + 30, 31, 0, SENSOR.humidity);

    TFT.DL(COLOR_RGB(9, 3, 40));
    TFT.DL(BEGIN(RECTS));
    TFT.DL(VERTEX2II(11 + 222 + 14, 105, 0, 0));
    TFT.DL(VERTEX2II(11 + 222 + 14 + 222, 105 + 100, 0, 0));

    TFT.DL(COLOR_RGB(255, 255, 255));
    TFT.Text(11 + 222 + 14 + 10, 105 + 10, 28, 0, "Temperature, C");
    TFT.Number(11 + 222 + 14 + 10, 105 + 10 + 30, 31, 0, SENSOR.temperature);
    
    TFT.DL(COLOR_RGB(0, 0, 0));
    TFT.Text(300, 105 + 100 + 35, 28, 0, "e-mail: xk@efo.ru");
    
    TFT.DL(BEGIN(LINES));
    TFT.DL(LINE_WIDTH(8));
    TFT.DL(VERTEX2II(11, 15 + 40 + 30, 0, 0));
    TFT.DL(VERTEX2II(460, 15 + 40 + 30, 0, 0));

    TFT.DL(DISPLAY());
    TFT.Swap();
}

int main()
{
    while(1) {
        dataUpdate();
        drawTimeScreen();
    }
}

Как и на остальных этапах разработки проекта, я запускаю полученную программу на трех разных платах — SLSTK3400A от SiLabs, ATSAMD21-XPRO от Atmel и WIZwiki-W7500P от Wiznet.

а) сменить целевую платформу (в правом верхнем углу компилятора),
б) переназначить использованные для подключения дисплея выводы (в коде),
в) подключить дисплей к новой плате.

Переход, как помнит читатель, прошел гладко и mbed-овская программа с ходу заработала на всех трех платах.

Для новой программы понадобится также:

г) переназначить использованные для подключения дисплея выводы (в коде),
д) подключить дисплей к новой плате, не забывая о подтягивающих резисторах.

Вот при подключении датчика наконец-то начали вылезать различия отладочных плат.

Wiznet сработал без сюрпризов — достаточно было подключить датчик по рекомендованной схеме и загрузить прошивку.

Данные с платы SiLabs удалось получить даже без использования дискретных резисторов. Дело в том, что все GPIO микроконтроллеров EFM32 имеют встроенные подтягивающие резисторы, при работе в десктопной IDE Simplicity Studio режим работы каждой линии (open-drain push-pull и т.д.) настраивается вручную. Судя по всему, mbed автоматически подтянул к питанию те линии, на которых реализованы SDA и SCL.

Слабым звеном сегодня объявляем Atmel — на плате ATSAMD21-XPRO интерфейс I2C (он же TWI) доступен на линиях, которые как-то использует отладчик Atmel Embedded Debugger. Я не разбиралась в этом вопросе подробно, но факт остается фактом: при питании платы от USB прием данных по I2C прекращается через 2–3 секунды. Если же подать питание на отдельный разъем 5.0V IN, то вся программа работает корректно.

Однако нужно признать, что по работе софта нареканий так и не возникло, а значит имеет смысл продолжить разработку с использованием mbed.

В следующей статье будет дан небольшой обзор структуры программы и подробные инструкции по работе с сенсорным вводом на TFT-модуле Riverdi. Таким образом мы всё ближе и ближе подбираемся к полноценному приложению, работа которого продемонстрирована на видео.

Комментарии (0)