Modulo di acquisizione dati ADS1256 a 24 bit con STM32F103C8T6, 8 canali, RS232, UART

Il modulo combina sulla stessa scheda il convertitore analogico-digitale a 24 bit ADS1256 e il microcontrollore STM32F103C8T6. È pensato come punto di partenza per progetti personali di acquisizione dati di precisione, pesatura, monitoraggio industriale o misure di laboratorio. A differenza di un modulo già programmato, questa scheda porta all'esterno tutte le risorse del microcontrollore, così potete scrivere il vostro programma per leggere l'ADS1256 e inviare i risultati a un computer o a un'altra scheda.

In questo tutorial eseguiamo la prima messa in funzione del modulo e verifichiamo la catena di programmazione tramite il bootloader UART e il collegamento seriale verso un Arduino Uno usato come monitor, prima di passare alla scrittura del driver personalizzato per l'ADS1256.

Come funziona:

L'ADS1256 è un convertitore delta-sigma a 24 bit con amplificatore a guadagno programmabile (PGA) integrato, con guadagno regolabile da 1 a 64. Con il clock del quarzo dedicato da 7.68 MHz montato sulla scheda, il convertitore può fornire fino a 30 kSPS. Il risultato di ogni conversione è un codice a 24 bit in complemento a due, e la tensione misurata si ottiene dalla formula Tensione = Codice x Tensione_riferimento / (Guadagno x 2^23). Con il riferimento da 2.5 V presente sulla scheda e guadagno 1, un passo (LSB) equivale a circa 0.3 uV, mentre con guadagno 64 il passo scende a circa 0.0047 uV. Per questo i guadagni elevati sono utili per segnali molto deboli, ma richiedono anche cavi corti e un'alimentazione pulita.

Il microcontrollore STM32F103C8T6 legge l'ADS1256 tramite il proprio bus interno e invia i risultati via UART al connettore P4 (TX, RX, G) oppure, attraverso il circuito MAX3232, al connettore DB9 per RS232. La scheda porta all'esterno tutte le porte di ingresso e uscita del microcontrollore, comprese le barre P8 e P9, proprio perché l'utente possa scrivere e caricare il proprio firmware di acquisizione. La scheda è pensata come base di sviluppo e non come strumento con un programma fisso del produttore.

Cosa ti serve:

• 1 x Modulo di acquisizione dati ADS1256 a 24 bit con STM32F103C8T6, 8 canali, RS232, UART
• 1 x Scheda di sviluppo Uno R3 con Wifi ESP8266, compatibile Arduino
• 1 x Convertitore UART TTL a USB HID, CH9329, 5V
• 1 x 40 fili Dupont 20cm, maschio-femmina
• 1 x Cavo MiniUSB, 30cm

Collegamento:

I segnali UART del modulo (P4: TX, RX, G) lavorano a logica 3.3 V, ma i pin USART1 dello STM32F103 sono tolleranti a 5 V, quindi possono essere collegati direttamente ad Arduino Uno senza convertitore di livello. Il modulo si può alimentare separatamente a 6 - 9 VDC tramite il morsetto P1, oppure direttamente a 5 VDC tramite i pin J2. In questo caso potete usare l'uscita 5V di Arduino Uno, a condizione di non alimentare contemporaneamente anche tramite P1.

Librerie:

Il codice su Arduino Uno usa solo la libreria SoftwareSerial, inclusa di default in Arduino IDE, senza bisogno di installazioni separate. Il firmware caricato sullo STM32F103C8T6 non usa nessuna libreria esterna, solo l'oggetto Serial1 messo a disposizione dal pacchetto di schede STM32 per Arduino IDE.

Il codice:

Caricate prima il firmware di test sul modulo, poi il programma qui sotto su Arduino Uno, per vedere sul monitor seriale i messaggi inviati dal modulo.

/*
  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);
  }
}

Come funziona il codice:

Il firmware dello STM32F103C8T6 inizializza Serial1, cioè USART1 sui pin PA9 e PA10, esattamente l'interfaccia usata anche dal bootloader UART della scheda. Poi invia un messaggio di avvio e, nel ciclo loop, incrementa la variabile counter e la invia ogni secondo con Serial1.println. Questo firmware non legge ancora l'ADS1256, serve solo a verificare la programmazione e il collegamento seriale, prima di aggiungere il vostro codice di acquisizione.

Su Arduino Uno, l'oggetto moduleSerial, di tipo SoftwareSerial, è definito sui pin MODULE_RX_PIN e MODULE_TX_PIN e inizializzato alla velocità MODULE_BAUD. Nella funzione loop, ogni volta che moduleSerial.available() indica l'arrivo di un carattere, questo viene letto con moduleSerial.read() e inviato subito al computer con Serial.write(c). In questo modo il monitor seriale di Arduino IDE mostra esattamente ciò che invia il modulo.

Risultato:

Aprite il monitor seriale di Arduino IDE a 9600 baud, sulla porta COM di Arduino Uno. Dopo il reset del modulo dovreste vedere il messaggio di avvio seguito dal valore counter che aumenta di secondo in secondo.

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

Problemi frequenti:

Sul monitor seriale non appare nulla: verificate di aver incrociato correttamente i fili, cioè che P4 TX del modulo vada a D2 e non a D3, e che la velocità in Serial1.begin, in moduleSerial.begin e nel monitor seriale sia la stessa, 9600 baud.

STM32CubeProgrammer non rileva la scheda durante il caricamento del firmware: assicuratevi che i jumper siano BOOT0 su 1 e BOOT1 su 0 e di aver premuto il pulsante RESET dopo aver cambiato i jumper, prima di iniziare la connessione nel programma.

Dopo la programmazione la scheda sembra bloccata e non invia più nulla: molto probabilmente BOOT0 è rimasto su 1, quindi la scheda si avvia ancora nel bootloader. Riportate il jumper BOOT0 su 0 e premete di nuovo RESET per eseguire il programma caricato.

I caratteri sul monitor seriale sono confusi o illeggibili: la causa è quasi sempre una differenza di baud rate tra le due parti, quindi controllate tutti e tre i punti in cui si imposta la velocità.

Il LED di alimentazione non si accende e la scheda sembra morta: verificate la polarità sul morsetto P1 o sui pin J2 e usate una sola fonte di alimentazione alla volta, mai P1 e J2 contemporaneamente.

Perdete caratteri o il testo arriva troncato anche se le velocità sembrano corrette: SoftwareSerial su Arduino Uno non è stabile a velocità elevate, mantenete il collegamento a 9600 baud per ottenere risultati costanti.

Limiti e consigli:

Questo test convalida l'alimentazione, la programmazione tramite bootloader UART e il collegamento seriale, ma non la lettura effettiva dell'ADS1256. Per quella dovrete scrivere un driver personalizzato seguendo i comandi del datasheet dell'ADS1256 (RREG, WREG, SELFCAL, RDATA), perché il collegamento interno tra STM32F103C8T6 e ADS1256 è fissato dal produttore sulla scheda e non è accessibile dall'esterno.

Tenete presente che aumentare il guadagno del PGA migliora la risoluzione ma riduce il campo di ingresso e aumenta la sensibilità al rumore. Inoltre, aumentare la frequenza di campionamento riduce il tempo di media di ogni conversione, quindi per segnali molto deboli (termocoppie, ponti di Wheatstone) scegliete un guadagno elevato insieme a una frequenza di campionamento più bassa.

Per misure stabili usate cavi corti e schermati tra il sensore e gli ingressi I0 - I7, tenete il modulo lontano da fonti di disturbo elettromagnetico come relè, motori o alimentatori switching. Con guadagni elevati fate attenzione che la massa del segnale sia in comune con la massa di alimentazione.