ADS1256 24 bites adatgyűjtő modul STM32F103C8T6-tal, 8 csatorna, RS232, UART

A modul ugyanazon a lapon egyesíti a 24 bites ADS1256 analóg-digitális konvertert és az STM32F103C8T6 mikrokontrollert, kiindulópontként gondolva saját precíziós adatgyűjtő, mérlegelő, ipari monitorozó vagy laboratóriumi méréseket végző projektekhez. Egy már előre programozott modullal ellentétben ez a lap kivezeti tűkre a mikrokontroller összes erőforrását, így saját programot írhattok az ADS1256 kiolvasására és az eredmények egy számítógépnek vagy egy másik lapnak való elküldésére.

Ebben az oktatóanyagban elvégezzük a modul első üzembe helyezését, ellenőrizzük az UART bootloaderen keresztüli programozási láncot és a soros kapcsolatot egy monitorként használt Arduino Uno felé, mielőtt rátérnénk az ADS1256 saját driverének megírására.

Hogyan működik:

Az ADS1256 egy 24 bites delta-szigma konverter, beépített programozható erősítővel (PGA), amelynek erősítése 1 és 64 között állítható. A lapra szerelt dedikált 7.68 MHz-es kristály által taktolva, a konverter akár 30 kSPS sebességgel is tud szolgáltatni. Minden konverzió eredménye egy 24 bites kettes komplemens kódolású érték, a mért feszültséget pedig a Feszültség = Kód x Referencia_feszültség / (Erősítés x 2^23) képletből kapjuk. A lapon lévő 2.5 V-os referenciával és 1-es erősítéssel egy lépés (LSB) körülbelül 0.3 uV-ot jelent, 64-es erősítésnél pedig a lépés körülbelül 0.0047 uV-ra csökken, ezért a nagy erősítések nagyon gyenge jelekhez hasznosak, de rövid kábeleket és tiszta tápforrást igényelnek.

Az STM32F103C8T6 mikrokontroller a saját belső buszán keresztül olvassa ki az ADS1256-ot, és az eredményeket tovább küldi UART-on keresztül a P4 csatlakozóhoz (TX, RX, G), vagy a MAX3232 áramkörön keresztül a DB9 csatlakozóhoz, RS232 céljára. A lap kivezeti tűkre a mikrokontroller összes bemeneti-kimeneti portját, beleértve a P8 és P9 tüskesorokat is, pontosan azért, hogy a felhasználó megírhassa és feltölthesse saját adatgyűjtő firmware-jét, a lap ugyanis fejlesztési alapnak van szánva, nem pedig gyártói rögzített programmal rendelkező eszköznek.

Szükséged lesz:

• 1 x ADS1256 24 bites adatgyűjtő modul STM32F103C8T6-tal, 8 csatorna, RS232, UART
• 1 x Uno R3 fejlesztői lap ESP8266 Wifi-vel, Arduino-kompatibilis
• 1 x UART TTL - USB HID konverter, CH9329, 5V
• 1 x 40 db Dupont vezeték 20cm, Apa-Anya
• 1 x MiniUSB kábel, 30cm

Csatlakoztatás:

A modul UART jelei (P4: TX, RX, G) 3.3 V-os logikán dolgoznak, az STM32F103 USART1 tűi azonban 5 V-ot toleráló kivitelűek, így közvetlenül köthetők az Arduino Uno-hoz, szintillesztő nélkül. A modul vagy külön táplálható 6 - 9 VDC-vel a P1 terminálon keresztül, vagy közvetlenül 5 VDC-vel a J2 tűkön keresztül, ez utóbbi esetben az Arduino Uno 5V-os kimenetét is használhatjátok, azzal a feltétellel, hogy ne tápláljátok egyszerre a P1-en keresztül is.

Könyvtárak:

Az Arduino Uno-ra kerülő kód csak a SoftwareSerial könyvtárat használja, amely alapból benne van az Arduino IDE-ben, külön telepítés nélkül. Az STM32F103C8T6-ra feltöltött firmware nem használ semmilyen külső könyvtárat, csak a Serial1 objektumot, amelyet az Arduino IDE STM32 lap csomagja biztosít.

Kód:

Töltsétek fel először a teszt firmware-t a modulra, majd az alábbi programot az Arduino Uno-ra, hogy lássátok a soros monitoron a modul által küldött üzeneteket.

/*
  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);
  }
}

Hogyan működik a kód:

Az STM32F103C8T6-on futó firmware inicializálja a Serial1-et, vagyis a PA9 és PA10 tűkön lévő USART1-et, pontosan azt az interfészt, amelyet a lap UART bootloadere is használ, majd elküld egy indító üzenetet és a loop ciklusban növeli a counter változót, és elküldi minden másodpercben a Serial1.println segítségével. Ez a firmware még nem olvassa ki az ADS1256-ot, csak a programozás és a soros kapcsolat ellenőrzésére szolgál, mielőtt hozzáadnánk a saját adatgyűjtő kódot.

Az Arduino Uno-n a moduleSerial objektum, SoftwareSerial típusú, a MODULE_RX_PIN és MODULE_TX_PIN tűkön van definiálva, és MODULE_BAUD sebességgel inicializálva. A loop függvényben, minden alkalommal amikor a moduleSerial.available() azt mutatja, hogy megérkezett egy karakter, azt a moduleSerial.read() olvassa ki, és azonnal elküldi a számítógépnek a Serial.write(c) segítségével, így az Arduino IDE soros monitora pontosan azt mutatja, amit a modul küld.

Eredmény:

Nyissátok meg az Arduino IDE soros monitorát 9600 baud sebességgel, az Arduino Uno COM portján. A modul resetelése után látnotok kellene az indító üzenetet, amelyet a másodpercenként növekvő counter érték követ.

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

Gyakori problémák:

Semmi nem jelenik meg a soros monitoron: ellenőrizzétek, hogy helyesen keresztbe kötöttétek-e a vezetékeket, vagyis a modul P4 TX tűje a D2-re megy, nem a D3-ra, és hogy a Serial1.begin, a moduleSerial.begin és a soros monitor sebessége ugyanaz, 9600 baud.

A STM32CubeProgrammer nem érzékeli a lapot a firmware feltöltésekor: győződjetek meg róla, hogy a jumperek BOOT0 az 1-es, BOOT1 pedig a 0-s állásban vannak, és hogy megnyomtátok a RESET gombot a jumperek átállítása után, mielőtt elkezdenétek a kapcsolódást a programban.

Programozás után a lap elakadtnak tűnik és nem küld semmit: valószínűleg a BOOT0 1-es állásban maradt, így a lap mindig bootloaderbe indul, állítsátok vissza a BOOT0 jumpert 0-ra, és nyomjátok meg újra a RESET gombot, hogy a feltöltött program fusson.

A soros monitoron a karakterek keverednek vagy olvashatatlanok: az ok szinte mindig a két oldal közötti baud rate eltérés, ellenőrizzétek mindhárom helyet, ahol a sebesség be van állítva.

A tápellátás LED-je nem világít, és a lap halottnak tűnik: ellenőrizzétek a polaritást a P1 terminálon vagy a J2 tűkön, és egyszerre csak egy tápforrást használjatok, soha ne a P1-et és a J2-t egyszerre.

Karaktereket veszítetek, vagy a szöveg csonka, még ha a sebességek helyesnek is tűnnek: az Arduino Uno SoftwareSerial-ja nem stabil nagy sebességeken, tartsátok a kapcsolatot 9600 baud-on az állandó eredményekért.

Korlátok és tanácsok:

Ez a teszt a tápellátást, az UART bootloaderen keresztüli programozást és a soros kapcsolatot ellenőrzi, nem pedig az ADS1256 tényleges kiolvasását, amelyhez saját drivert kell írnotok az ADS1256 adatlapjában (RREG, WREG, SELFCAL, RDATA) található parancsok alapján, mivel az STM32F103C8T6 és az ADS1256 közötti belső kapcsolat a gyártó által rögzített a lapon, és kívülről nem elérhető.

Vegyétek figyelembe, hogy a PGA erősítésének növelése javítja a felbontást, de csökkenti a bemeneti tartományt és növeli a zajra való érzékenységet, a mintavételezési ráta növelése pedig csökkenti az egyes konverziók átlagolási idejét, ezért nagyon gyenge jelekhez (termoelemek, Wheatstone-hidak) válasszatok nagy erősítést kisebb mintavételezési rátával együtt.

Stabil mérésekhez használjatok rövid és árnyékolt kábeleket az érzékelő és az I0 - I7 bemenetek között, tartsátok a modult távol az elektromágneses zavarforrásoktól, mint például relék, motorok vagy kapcsolóüzemű tápegységek, és nagy erősítéseknél ügyeljetek arra, hogy a jel földje közös legyen a tápellátás földjével.