Далекомір HC-SR04 -- зміст

Взято тут -- із тексту
якраз про змісти.

Якось так, слово за словом, постів про ультразвуковий далекомір  HC-SR04 написав багато -- робота із ним виявилася напрочуд хорошим педагогічним прикладом. При чому, пости ці сильно розкидані по часу. Тому вирішив створити окремий зміст.

Більш пізні тексти, в значній мірі, покладаються на попередні. Ключове для даного поста повторюється, навіть якщо згадувалося раніше, але повністю не переказується -- без деталізації та пов'язаних міркувань. Також, наступні пости виходять із того, що міркування у попередніх зрозумілі і можна трохи менше розжовувати.

Проекти із кодом, який використовується в постах, зазвичай можна скачати за посилання в кінці посту. Історично склалося так, що проекти для CoIDE. В принципі, зараз перейшов на System Workbench for STM32, але якщо б взявся всі пости переносити -- їх написання точно б ніколи не завершилося. Та й STM32VLDiscovery він не підтримує.

Використано мікроконтролери сімейства STM32, детальніше в тексті.

Код, в основному, написаний на С -- використання C++ додало б декілька зайвих рухів, майже не додавши "педагогічної цінності". Однак, в своїх реальних проектах використовую С++. Проекти в міру (сподіваюся -- в міру) неохайні, хоч і старався, щоб зовсім потворними вони не були. Якщо бачите помилки -- пишіть. 

Див. також зміст суміжної серії постів: "Таймери STM32".

Далекомір HC-SR04 -- зовнішні переривання EXTI/HAL

Подивимося, що в порівнянні із використанням CMSIS, надає нам STM32CubeMX разом із HAL для організації обробки переривань від зовнішніх джерел, традиційно -- реалізувавши приклад із попереднього CMSIS-поста.

Периферія сконфігурована як і раніше:

• Trig -- пін PA10,  вивід. Ми керуватимемо ним третім каналом таймера TIM1.
• Echo -- PA6, генеруємо переривання.

"Малюємо" відповідну конфігурацію:

Далекомір HC-SR04 -- зовнішні переривання EXTI/CMSIS

Взято тут: "STM32 External Interrupt"

Перекласти всю роботу із далекоміром на таймери (чи таймер) -- зручно, але, іноді, надміру складно -- якісь Capture-compare, захоплення ШІМ, інший "страх и ужас". Мікроконтролери мають ще один, простіший спосіб фіксувати тривалість імпульсу -- за допомогою "банального" зовнішнього переривання -- EXTI: фіксується момент зміни стану лінії ECHO з 0 в 1, потім -- назад, тривалість -- різниця часу між ними. Таймер, звичайно, використовується -- для вимірювання часу, але лише як лічильник. 

Спрощений варіант роботи за допомогою переривань було розглянуто в "методичному" пості: "Зовсім просто про далекомір HC-SR04 із GPIO/HAL", тут дотримуватимуся більш систематичного, але дещо заскладного для конкретної простої задачі підходу. 

Далекомір HC-SR04 -- один таймер/HAL

Повторимо зроблене в попередньому пості, із використанням HAL/SMT32CubeMX. Такі, трішки нестандартні, режими роботи, HAL безпосередньо не підтримує, але і не заважає сильно -- все ж, абстракція, надана цією бібліотекою, зовсім тоненька.

Нагадаємо апаратну конфігурацію:

• TRIG -- PA6 (TIM3_CH1)
• ECHO -- PB0 (TIM3_CH3)
• PC8 -- синій світлодіод
• PC9 -- зелений світлодіод 

За потреби, Cube вміє автоматично робити ремапінг. Тут в ньому потреби немає:

Далекомір HC-SR04 -- трасування, додаток

Взято тут.

Як вже згадувалося, використання дебагера для пошуку помилок можливе не завжди. Причин дві -- таймери, які не обов'язково зупиняються при зупинці головної програми та периферія, яка має свої часові характеристики, і часто не може вийти за їх межі. Якщо для таймерів мікроконтролер підтримує режим зневадження із їх зупинкою (при тому, не всі середовища розробки надають доступ до нього), то з периферією складніше. Наприклад, якщо шина I2C цілком терпима до доступних людині затримок, то  HC-SR04 не чекатиме -- через мілісекунди після запуску, видає результат, тривалістю до десятків мілісекунд і на тому завершує.

Один із способів пошуку помилок у таких програмах -- зберегти послідовність виконання програми в самому мікроконтролері, а потім передати її на комп'ютер -- так зване трасування. Воно використовувалося для створення програм, які працюють із далекоміром з використанням таймерів (чесно кажучи, однотаймерний варіант я б без трасування не зміг би до ладу довести, принаймні, це забрало б на порядок більше часу). Розглянемо використаний там підхід.

Увага: дана реалізація дуже примітивна і має багато недоліків! Створювалася нашвидкоруч і без якихось подальших перспектив. На С++ можна зробити багато краще та надійніше. Та й на чистому С є простір для покращення.

Крім того, навіть ідеально реалізований, цей метод придатний не всюди -- він не підійде, наприклад, для дуже чутливої до часів реакції апаратури, або коли пам'яті не вистачає. Однак, на загал, інструмент зручний.

Отож, поїхали.

Далекомір HC-SR04 -- один таймер/CMSIS

Приклад скінченного автомата,
який визначає чи двійкове число
має непарну кількість 0.
(c) Wiki

Чим простіший код, тим краще. Код, де пінами ECHO та TRIG керують окремі таймери відносно простий. Однак, з одного боку, таймери -- ресурс цінний та обмежений. На STM32F100, котрим обладнана наша плата, таймерів, здатних генерувати PWM -- десяток, але вони сильно відрізняються за можливостями. Для реальних пристроїв це не так вже і багато! З іншого боку, частина таймерів мають багато каналів. (Для цього контролера п'ять -- по 4 канали, три -- по 2, і три -- єдиний (комплементарні не рахуючи). 

Захоплення ШІМ, на яке ми покладаємося, потребує двох каналів, генерація TRIG -- ще одного. Отож, одного таймера для керування далекоміром має вистачити. 

Заради простоти я не став вішати на четвертий канал ШІМ для візуального відображення віддалі світлодіодом. Залишимо це на домашнє завдання. Видається, це можливо, хоч гарантії, не зробивши, не дам.

Користуватимемося таймером TIM3, його CH1 i CH2 займатимуться захопленням ECHO, а CH3 -- TRIG. Тому, без використання ремапінгу, апаратна конфігурація така:

• TRIG -- PA6 (TIM3_CH1)
• ECHO -- PB0 (TIM3_CH3)
• PC8 -- синій світлодіод
• PC9 -- зелений світлодіод 

 Думаю, можна зробити краще, вважатимемо приклад нижче лише технологічною демонстрацією.

Логіка роботи програми

Далекомір HC-SR04 -- два таймери/HAL

Традиційно, вирішимо задачу із попереднього посту, користуючись тим же підходом, з використанням HAL та SMT32CubeMX.

Апаратна конфігурація та ж:

• TRIG -- PA10  (TIM1_CH3)
• ECHO -- PA6 (TIM3_CH1, CH2 indirect)
• Світлодіод, яскравість якого показує віддаль до перешкоди -- PA0 (TIM2_CH1)
• Світлодіоди плати, як завжди, синій на піні PB8 і зелений на PB9
• TIM1 генеруватиме імпульс заданої довжини ~ 10-15 мкс, в ролі TRIG, на PA10
• TIM3 вимірюватиме тривалість імпульсу на лінії ECHO, PA6
• TIM2 -- PWM (ШІМ) на PA0

 Візуально це виглядатиме так:

Клікабельно!

Далекомір HC-SR04 -- два таймери/CMSIS

Лого однойменної групи. Не маю ні найменшого
уявлення, що у них за музика. Здавалося б, невинне
словосполучення: "Two timers".
Дивимося словники: TheFreeDictionary
та UrbanDictionary

Озброївшись знаннями про таймери, спробуємо вирішити задачу роботи із далекоміром більш елегантно. Спершу зробимо марнотратно -- кожній під-задачі виділимо свій таймер. Насправді, назва посту трішки обманює -- використано аж три таймери, а не два:

• TIM1 генеруватиме імпульс заданої довжини ~ 10-15 мкс, в ролі TRIG
• TIM3 вимірюватиме тривалість імпульсу на лінії ECHO
• TIM2 -- не важливий для власне роботи, тому не врахований в заголовку, візуально показуватиме віддаль до перешкоди, за допомогою світлодіоду та PWM (ШІМ)

Спочатку зробимо це засобами CMSIS.

Апаратна конфігурація відрізняється від попередніх прикладів із використанням GPIO, так як канали таймерів прив'язані до конкретних піні (навіть із ремапінгом варіантів не так багато). Для цього прикладу вона наступна:

• TRIG -- PA10  (TIM1_CH3)
• ECHO -- PA6 (TIM3_CH1, CH2 indirect)
• Світлодіод, яскравість якого показує віддаль до перешкоди -- PA0 (TIM2_CH1)
• Світлодіоди плати, як завжди, синій на піні PB8 і зелений на PB9

Логіка роботи програми

Таймери STM32 -- зміст

Статей про таймери вийшло багато. Щоб краще орієнтуватися, пасує зробити зміст. Потім треба буде його зробити ще й для постів про далекомір. Аналогічний зміст для постів про далекомір.

Проекти із кодом, який використовується в постах, зазвичай можна скачати за посиланням в кінці посту. Історично склалося так, що більшість проектів проекти для CoIDE. В принципі, зараз перейшов на System Workbench for STM32, але якби взявся всі проекти переносити -- написання цих постів точно ніколи б не завершилося.

Розглядається використання CMSIS та HAL+STM32CubeMX. Код Cube та HAL розтинається та аналізується аж до рівня CMSIS -- безпосередньої маніпуляції регістрами.

На жаль, не передбачено простого візуального способу пропустити цей reverse engineering для тих, кому цікаво лише знайти підказку, як скористатися тією чи іншою можливістю. Однак, в тексті все-таки відділяється опис способі використання від аналізу подробиць роботи.

Зовсім просто про далекомір HC-SR04 із GPIO/HAL

Взято тут.

Пост: "Далекомір HC-SR04 -- використовуючи GPIO/HAL/STM32CubeMX" написано виходячи із того, що попередні тексти, зокрема: "Далекомір HC-SR04 -- використовуючи GPIO/CMSIS" читачу відомі, виклад зосереджено лише на нюансах роботи з Cube/CoIDE/HAL. 

Для деяких моїх задач це виявилося незручним. Тому вирішив написати даний текст, де розглянуто роботу із далекоміром, не відволікаючись на подробиці реалізації внутрішньої HAL. 

Подробиці генерації проекту та роботи із середовищем тут не описуватимемо, за ними див., посилання вище та "GPIO мікроконтролерів STM32F303 з використанням HAL". Нам достатньо знати, що один пін, в режимі GPIO-Output, виділено під Trig, один -- в режимі GPIO-Input, під Echo:

Звертаюся самі-знаєте-до-кого -- бездумно "перемальовувати" схему із скріншота -- погана ідея. Для запобігання, тут, за можливості, наводжу лише важливі фрагменти.

Підключаємо їх до відповідних пінів далекоміра.  Увага -- він нормально спрацьовує від логічної одинички 3.3В-мікроконтролера, але для свого живлення потребує 5 вольт!

Принципи роботи із даним пристроєм описані тут: "Далекомір HC-SR04 -- огляд", коротко нагадаємо їх:

Далекомір HC-SR04 -- GPIO/висновки

Взято тут.

Як було показано в попередніх постах [1, 2, 3, 4, 5], працювати з HC-SR04 просто. Однак, описаний там спосіб -- з використанням GPIO, зовсім вульгарний. Контролери мають значно вишуканіші засоби вимірювати та керувати тривалістю імпульсів, ніж просто неперервно пильнувати за станом "ніжки": переривання, різноманітні потужні та гнучкі таймерів на додачу до SysTick. Про них і напишемо наступного разу. А тут підведемо підсумки GPIO-підходу. 

Результати вимірів у всіх підходів приблизно однакові (хоча метрологічної звірки й не проводив, але це і не було ціллю, про уточнення результатів поговоримо окремо). Акуратні порівняння швидкодії згенерованого різними  способами коду (особливо -- після оптимізації) вимагатиме багато зусиль -- більше, ніж я зараз тому можу приділити, тому, при всій важливості, теж поки не робитиму. 

Розглянемо те, що залишилося. Порівняємо особливості програмування різними способами та відповідні розміри прошивок i RAM. 

Щоб не дублювати весь код, розглянемо дві прості але важливі операції:

• ініціалізацію піну PB1 на виведення,
• виведення одиниці, 

 зроблені в рамках різних підходів.

Далекомір HC-SR04 -- GPIO/C++

Взято тут: "C++ template metaprogramming introduction"

C++

Раз вже цей приклад представлено в стількох варіантах, продемонструю, як C++ може бути корисним під час роботи з контролерами. Людина із ніком fede.tft запропонувала цікавий підхід спрощення роботи з STM32 і подібними пристроями, з використанням шаблонів та інших сучасних фішок С++: "STM32 GPIOs and Template Metaprogramming". Замість або плутаного, або багатослівного, підходів, описаних в попередніх постах, без втрати продуктивності (!), можна робити так:

typedef Gpio<GPIOB_BASE,1>  trig;
trig::mode(Mode::OUTPUT);
trig::high();
trig::low();

typedef Gpio<GPIOB_BASE,2>  echo;
echo::mode(Mode::INPUT);
if( echo::value() )
{
...
}

Далекомір HC-SR04 -- використовуючи GPIO/HAL/STM32CubeMX

Як вже говорилося, CMSIS -- занадто низькорівнева, SPL від неї не далеко втекла. Після років роздумів та роботи, інженери STMicroelecronics випустили чергову спробу --- пакет STM32Cube. Він складається із двох частин: 

• Коду для мікроконтролерів: бібліотеки, призначеної замінити SPL -- HAL, (Hardware Abstraction Layer) та всіляких middleware ("проміжних")  компонент -- бібліотеку підтримки FAT, бібліотеку для роботи із USB, TCP/IP  стек, RTOS, тощо.
• STM32CubeMX -- програми для комп'ютера, яка дозволяє графічно конфігурувати периферію, генеруючи код мовою С, який реалізує "намальоване". 

Після  кількох років дозрівання проект став дуже потужним. Особисті враження: як мало треба для щастя -- лише не виставляти ті сотні бітиків вручну, медитуючи над даташітами і аппнотами (appnotes). 

Подивимося, як із ним працювати, на прикладі нашого простенького коду роботи із далекоміром.

Інсталяція 

Далекомір HC-SR04 -- використовуючи GPIO/CoX

Структура CoX

Мушу зізнатися, написано цю серію постів було ще в 2012-му році. На фоні тодішньої ситуації, бібліотека периферії від CooCox - розробників CoIDE, виглядала перспективною. Зараз я в цьому вже дуже сумніваюся -- вона, на жаль, практично закинута. Однак, викидати тодішній приклад шкода, тому ось.

COX

CooCox, автори CoIDE, розробили також свою бібліотеку роботи із периферією, аналог SPL -- COX. Її перевага -- вона платформонезалежна (кросплатформова), працює і з контролерами ARM Cortex від інших виробників -- підтримуються пристрої від Nuvoton, NXP, ST, TI, Holtek, FreeScale, тоді як код із попередніх постів ([1], [2]), працюватиме лише на STM32 від STMicroelectronics.

Апаратна конфігурація та ж, що й в інших GPIO-прикладах:

• PB1 -- Trig
• PB2 -- Echo
• PC8 -- синій світлодіод
• PC9 -- зелений світлодіод

Далекомір HC-SR04 -- використовуючи GPIO/SPL

Ієрархія засобів програмування, орієнтована на SPL.
Клікабельно. (c) STMicroelectronics

CMSIS, про яку йшла мова минулого разу, штука потужна, але дуже вже низькорівнева. (Кожен раз себе так відчуваю, ніби попав у кабіну авіалайнера -- ті сотні бітиків, які треба правильно сконфігурувати, інакше нічого не працюватиме.) В STMicroelectronics теж розуміли, що користуватися нею, в більшості випадків, не дуже зручно. Першою спробою надати більш високий рівень абстракції для роботи із їхніми мікроконтролерами, була SPL -- Standard Peripherals Library. (Нагадую, основа CMSIS універсальна, від розробника ядра ARM Cortex-M, ARM Inc., виробники конкретних мікроконтролерів її хіба розширяють, а ось SPL -- специфічна для STM32). 

Зауваження -- не плутайте SPL із STL з С++ -- стандартною бібліотекою шаблонів. ;-)

Повторимо те ж, що і в попередньому пості, засобами  Standard Peripherals Library, SPL. Апаратна конфігурація та ж:

• PB1 -- Trig
• PB2 -- Echo
• PC8 -- синій світлодіод
• PC9 -- зелений світлодіод

Далекомір HC-SR04 -- використовуючи GPIO/CMSIS

Структура GPIO-піна, з
офіційної документації.
Клікабельно.

В попередньому пості було описано цікавий пристрій -- ультразвуковий далекомір, HC-SR04. Він може служити хорошим демонстраційним прикладом для багатьох технік роботи із мікроконтролерами. 

Подальші пости використовуватимуть плату STM32VLDiscovery із її мікроконтролером  STM32F100RB, архітектури ARM Cortex M3, котрий має 128Кб пам'яті програм та 8Кб RAM. Для інших споріднених мікроконтролерів відмінності будуть мінімальними. 

Спершу розглянемо найбільш базову (але, відповідно, і найбільш низькорівневу) методику -- із використанням CMSIS. Також, буде використано найбільш примітивну техніку роботи із пристроєм -- безпосереднє смикання ніжок мікроконтролера та читання рівнів на них (іншими словами, самим GPIO, без використання переривань).

CMSIS -- GPIO

Далекомір HC-SR04 -- огляд

Купив я колись, багато років тому, собі таку штуку, як на фото -- ультразвуковий далекомір-"ехолокатор", HC-SR04. (Взагалі, перша моя покупка на e-bay. Купляв по 2.5 бкс, зараз менше 2. Та й продавець той, "Чіп партнер", як показала практика,  цілком приємний).

Пристрій простий, як двері. Datasheet -- аж дві сторінки крупним шрифтом із малюнками.