Datenakquisemodul ADS1256 24 Bit mit STM32F103C8T6, 8 Kanäle, RS232, UART

Das Modul vereint auf einer Platine den 24-Bit-Analog-Digital-Wandler ADS1256 und den Mikrocontroller STM32F103C8T6. Es ist als Ausgangspunkt für eigene Projekte zur Präzisions-Datenerfassung, Wägetechnik, Industrieüberwachung oder für Labormessungen gedacht. Anders als ein fertig programmiertes Modul legt diese Platine alle Ressourcen des Mikrocontrollers auf Pins heraus. So können Sie Ihr eigenes Programm schreiben, das den ADS1256 ausliest und die Ergebnisse an einen Computer oder an eine andere Platine sendet.

In diesem Tutorial nehmen wir das Modul zum ersten Mal in Betrieb. Wir prüfen die Programmierkette über den UART-Bootloader und die serielle Verbindung zu einem Arduino Uno, der als Monitor dient. Erst danach schreiben wir den eigenen Treiber für den ADS1256.

So funktioniert es:

Der ADS1256 ist ein 24-Bit-Delta-Sigma-Wandler mit integriertem programmierbarem Verstärker (PGA), dessen Verstärkung zwischen 1 und 64 einstellbar ist. Getaktet vom dedizierten 7.68-MHz-Quarz auf der Platine, liefert der Wandler bis zu 30 kSPS. Das Ergebnis jeder Wandlung ist ein 24-Bit-Code im Zweierkomplement. Die gemessene Spannung ergibt sich aus der Formel Spannung = Code x Referenzspannung / (Verstärkung x 2^23). Mit der 2.5-V-Referenz der Platine und Verstärkung 1 entspricht ein Schritt (LSB) etwa 0.3 uV, bei Verstärkung 64 sinkt der Schritt auf etwa 0.0047 uV. Deshalb sind hohe Verstärkungen für sehr schwache Signale nützlich, verlangen aber auch kurze Kabel und eine saubere Stromversorgung.

Der Mikrocontroller STM32F103C8T6 liest den ADS1256 über seinen internen Bus aus und sendet die Ergebnisse per UART weiter an den Anschluss P4 (TX, RX, G) oder über den Schaltkreis MAX3232 an den DB9-Anschluss für RS232. Die Platine legt alle Ein- und Ausgabeports des Mikrocontrollers auf Pins heraus, auch die Stiftleisten P8 und P9. So kann der Anwender seine eigene Firmware zur Datenerfassung schreiben und hochladen. Die Platine ist als Entwicklungsbasis gedacht und nicht als Gerät mit fester Firmware des Herstellers.

Was Sie benötigen:

• 1 x Datenakquisemodul ADS1256 24 Bit mit STM32F103C8T6, 8 Kanäle, RS232, UART
• 1 x Placa dezvoltare Uno R3 cu Wifi ESP8266, compatibila Arduino
• 1 x Convertor UART TTL la USB HID, CH9329, 5V
• 1 x 40 Fire Dupont 20cm, Tata-Mama
• 1 x Cablu MiniUSB, 30cm

Anschluss:

Die UART-Signale des Moduls (P4: TX, RX, G) arbeiten mit 3.3-V-Logik. Die USART1-Pins des STM32F103 sind jedoch 5-V-tolerant, daher können sie ohne Pegelwandler direkt mit dem Arduino Uno verbunden werden. Das Modul lässt sich entweder separat mit 6 - 9 VDC über die Klemme P1 versorgen oder direkt mit 5 VDC über die Pins J2. In diesem Fall können Sie den 5V-Ausgang des Arduino Uno nutzen, vorausgesetzt, Sie speisen nicht gleichzeitig auch über P1 ein.

Bibliotheken:

Der Code auf dem Arduino Uno verwendet nur die Bibliothek SoftwareSerial, die standardmäßig in der Arduino IDE enthalten ist und nicht separat installiert werden muss. Die auf den STM32F103C8T6 geladene Firmware verwendet keine externe Bibliothek, sondern nur das Objekt Serial1, das vom STM32-Boardpaket für die Arduino IDE bereitgestellt wird.

Der Code:

Laden Sie zuerst die Test-Firmware auf das Modul und danach das folgende Programm auf den Arduino Uno. So sehen Sie im seriellen Monitor die vom Modul gesendeten Meldungen.

/*
  Arduino Uno - serial monitor bridge for the
  ADS1256 + STM32F103C8T6 data acquisition module
  Wiring:
  Module P4 TX  -> Arduino Uno pin D2 (SoftwareSerial RX)
  Module P4 RX  -> Arduino Uno pin D3 (SoftwareSerial TX)
  Module P4 G   -> Arduino Uno GND
  Module J2 +5V -> Arduino Uno 5V
  Module J2 GND -> Arduino Uno GND
  Library used: SoftwareSerial, bundled with the Arduino IDE,
  no separate installation needed
*/
#include <SoftwareSerial.h>
const int MODULE_RX_PIN = 2;
const int MODULE_TX_PIN = 3;
const long MODULE_BAUD = 9600;
SoftwareSerial moduleSerial(MODULE_RX_PIN, MODULE_TX_PIN);
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  moduleSerial.begin(MODULE_BAUD);
  Serial.println("Listening to the ADS1256 module...");
}
void loop() {
  if (moduleSerial.available()) {
    char c = moduleSerial.read();
    Serial.write(c);
  }
}

So funktioniert der Code:

Die Firmware auf dem STM32F103C8T6 initialisiert Serial1, also USART1 an den Pins PA9 und PA10. Das ist genau die Schnittstelle, die auch der UART-Bootloader der Platine nutzt. Danach sendet sie eine Startmeldung und erhöht in der Schleife loop die Variable counter, die sie jede Sekunde mit Serial1.println ausgibt. Diese Firmware liest den ADS1256 noch nicht aus. Sie dient nur dazu, die Programmierung und die serielle Verbindung zu prüfen, bevor Sie Ihren eigenen Erfassungscode hinzufügen.

Auf dem Arduino Uno ist das Objekt moduleSerial vom Typ SoftwareSerial an den Pins MODULE_RX_PIN und MODULE_TX_PIN definiert und mit der Geschwindigkeit MODULE_BAUD initialisiert. In der Funktion loop wird jedes Mal, wenn moduleSerial.available() ein eingetroffenes Zeichen anzeigt, dieses mit moduleSerial.read() gelesen und sofort mit Serial.write(c) an den Computer weitergeleitet. So zeigt der serielle Monitor der Arduino IDE genau das an, was das Modul sendet.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor der Arduino IDE mit 9600 Baud am COM-Port des Arduino Uno. Nach dem Zurücksetzen des Moduls sollten Sie die Startmeldung sehen, gefolgt vom Wert counter, der sekündlich ansteigt.

Listening to the ADS1256 module...
ADS1256 module - firmware test
Waiting for your own ADS1256 driver code
Counter: 1
Counter: 2
Counter: 3
Counter: 4
Counter: 5
Counter: 6

Häufige Probleme:

Im seriellen Monitor erscheint nichts: Prüfen Sie, ob die Leitungen richtig gekreuzt sind. P4 TX des Moduls gehört an D2 und nicht an D3. Außerdem muss die Geschwindigkeit in Serial1.begin, in moduleSerial.begin und im seriellen Monitor gleich sein, nämlich 9600 Baud.

STM32CubeProgrammer erkennt die Platine beim Hochladen der Firmware nicht: Stellen Sie sicher, dass die Jumper auf BOOT0 = 1 und BOOT1 = 0 stehen und dass Sie nach dem Umstecken der Jumper die Taste RESET gedrückt haben, bevor Sie die Verbindung im Programm starten.

Nach der Programmierung scheint die Platine blockiert zu sein und sendet nichts mehr: Höchstwahrscheinlich steht BOOT0 noch auf 1, sodass die Platine weiterhin im Bootloader startet. Setzen Sie den Jumper BOOT0 zurück auf 0 und drücken Sie erneut RESET, damit das hochgeladene Programm läuft.

Die Zeichen im seriellen Monitor sind durcheinander oder unlesbar: Die Ursache ist fast immer eine abweichende Baudrate zwischen den beiden Seiten. Prüfen Sie alle drei Stellen, an denen die Geschwindigkeit eingestellt wird.

Die Betriebs-LED leuchtet nicht und die Platine wirkt tot: Prüfen Sie die Polarität an der Klemme P1 oder an den Pins J2 und verwenden Sie immer nur eine Stromquelle, niemals P1 und J2 gleichzeitig.

Es gehen Zeichen verloren oder der Text kommt abgeschnitten an, obwohl die Geschwindigkeiten stimmen: SoftwareSerial auf dem Arduino Uno ist bei hohen Geschwindigkeiten nicht stabil. Bleiben Sie für konstante Ergebnisse bei 9600 Baud.

Einschränkungen und Tipps:

Dieser Test validiert die Stromversorgung, die Programmierung über den UART-Bootloader und die serielle Verbindung, nicht jedoch das eigentliche Auslesen des ADS1256. Dafür müssen Sie einen eigenen Treiber nach den Befehlen aus dem ADS1256-Datenblatt schreiben (RREG, WREG, SELFCAL, RDATA), da die interne Verbindung zwischen dem STM32F103C8T6 und dem ADS1256 vom Hersteller auf der Platine fest verdrahtet und von außen nicht zugänglich ist.

Beachten Sie, dass eine höhere PGA-Verstärkung die Auflösung verbessert, aber den Eingangsbereich verkleinert und die Rauschempfindlichkeit erhöht. Eine höhere Abtastrate verkürzt zudem die Mittelungszeit jeder Wandlung. Wählen Sie daher für sehr schwache Signale (Thermoelemente, Wheatstone-Brücken) eine hohe Verstärkung zusammen mit einer niedrigeren Abtastrate.

Für stabile Messungen verwenden Sie kurze, abgeschirmte Kabel zwischen Sensor und den Eingängen I0 - I7. Halten Sie das Modul fern von elektromagnetischen Störquellen wie Relais, Motoren oder Schaltnetzteilen. Achten Sie bei hohen Verstärkungen darauf, dass die Signalmasse mit der Versorgungsmasse verbunden ist.