GPIO Extender-F: руководство по Forth | UnitX - электронные устройства

GPIO Extender-F — мини-контроллер на STM32F042 с интерактивным Mecrisp-Stellaris Forth. Команды и определения вводятся через USB CDC и выполняются сразу: программу можно отладить в оперативной памяти, а готовую версию сохранить во флеш-памяти.

Характеристики

Параметр	Значение
Микроконтроллер	STM32F042, ARM Cortex-M0
Тактовая частота	48 МГц
Интерфейс	USB CDC, виртуальный COM-порт
Питание	USB 5 В
Управляемые выводы	10 GPIO
АЦП (ADC)	8 выводов
ШИМ (PWM)	4 канала TIM2
Флеш-память	32 КБ, пользовательскому коду доступно около 7 КБ
Габариты	54 × 15 × 10 мм

Первый запуск

Подключите контроллер к USB.
Откройте появившийся порт в PuTTY, TeraTerm, Minicom, screen или pyserial-miniterm.
Нажмите Enter. В терминале должно появиться приглашение Forth и ok..
Проверьте интерпретатор выражением 2 3 + .: результат должен быть 5.

В Forth операнды сначала помещаются в стек, а операция снимает их со стека и возвращает результат. Слова разделяются пробелами; новое слово определяется между : и ;.

2 3 + .          \ сложение и вывод результата
: double 2 * ;   \ новое слово
5 double .       \ результат: 10

Распиновка

Контакт	Алиас	STM32	Функции
1	`IO1`	PA4	GPIO, АЦП
2	`IO2`	PA2	GPIO, ШИМ TIM2 CH3, АЦП
3	`IO3`	PA0	GPIO, ШИМ TIM2 CH1, АЦП
4	`IO4`	PA7	GPIO, АЦП
5	`IO5`	PA6	GPIO, АЦП
6	`IO6`	PA3	GPIO, ШИМ TIM2 CH4, АЦП
7	`IO7`	PA1	GPIO, ШИМ TIM2 CH2, АЦП
8	`IO8`	PA13	GPIO
9	`IO9`	PB1	GPIO, АЦП
10	`IO10`	PA14	GPIO
—	`LED1`	PF0	встроенный светодиод
—	`LED2`	PF1	встроенный светодиод

GPIO работают с логическими уровнями 3,3 В. Не подключайте двигатель, лампу, соленоид или катушку реле непосредственно к выводу.

Оперативная и флеш-память

Во время разработки компилируйте слова в оперативную память: их можно быстро менять, а после перезагрузки они исчезнут. Когда программа проверена, переключитесь на флеш-память и повторно отправьте окончательный исходный текст. Переключение режима само по себе не переносит уже скомпилированные слова.

compiletoram     \ новые слова будут находиться в оперативной памяти
compiletoflash   \ новые слова будут записываться во флеш-память
eraseflash       \ удалить пользовательский код из флеш-памяти

Сохраните исходный текст на компьютере до eraseflash. Для точки возврата можно создать cornerstone во флеш-памяти:

compiletoflash
: basic_image
  begin here dup flash-pagesize 1- and while 0 h, repeat
  does> begin dup dup flash-pagesize 1- and while 2+ repeat
  cr eraseflashfrom ;

Вызов basic_image удалит определения, созданные после этой точки.

GPIO

OMODE-PP IO3 io-mode!    \ двухтактный выход
IMODE-HIGH IO7 io-mode!  \ вход с подтяжкой вверх
IMODE-LOW IO2 io-mode!   \ вход с подтяжкой вниз
IMODE-ADC IO6 io-mode!   \ аналоговый вход

1 IO3 io!                \ высокий уровень
0 IO3 io!                \ низкий уровень
IO3 iox!                 \ инвертировать выход
IO7 io@ .                \ прочитать вход

Пример ожидания кнопки между IO7 и GND:

: wait-button
  IMODE-HIGH IO7 io-mode!
  begin IO7 io@ 0= until
  ." Кнопка нажата!" ;

АЦП (ADC)

Если adc-init, adc-deinit, adc-once и adc отсутствуют в списке words, сначала выполните приведённые ниже определения:

: adc-calib ( -- )
  31 bit ADC-CR bis!
  begin 31 bit ADC-CR bit@ 0= until ;

: adc-once ( -- u )
  2 bit ADC-CR bis!
  begin 2 bit ADC-ISR bit@ until
  ADC-DR @ ;

: adc-init ( -- )
  9 bit $40021018 bis!  \ включить тактирование ADC
  adc-calib
  1 ADC-CR !
  adc-once drop ;

: adc-deinit ( -- )
  1 bit ADC-CR bis!
  9 bit $40021018 bic! ;

: adc ( pin -- u )
  io# bit ADC-CHSELR !
  adc-once drop adc-once ;

После этого переведите вывод в аналоговый режим и включите АЦП. Необработанное значение лежит в диапазоне 0…4095; adc-mv возвращает милливольты.

adc-init
IMODE-ADC IO3 io-mode!
IO3 adc .       \ сырое значение
IO3 adc-mv .    \ милливольты
adc-temp .      \ температура кристалла
adc-deinit

Пример отдельного слова:

: check-voltage
  IMODE-ADC IO1 io-mode!
  adc-init
  ." Напряжение на IO1: " IO1 adc-mv . ." мВ" cr
  adc-deinit ;

ШИМ (PWM)

ШИМ доступна на IO3/PA0, IO7/PA1, IO2/PA2 и IO6/PA3. Если слов pwm-init и pwm нет в words, выполните приведённые ниже определения:

: timer-base ( n -- addr )
  drop $40000000 ;

: timer-enabit ( n -- bit addr )
  drop 0 bit RCC RCC_APB1ENR_OFFSET + ;

: timer-init ( u n -- )
  dup timer-enabit bis!
  timer-base >r
  dup 16 rshift TIM.PSC r@ + !
  $FFFF and TIM.ARR r@ + !
  8 bit TIM.DIER r@ + bis!
  %010 4 lshift TIM.CR2 r@ + !
  0 bit TIM.CR1 r@ + bis!
  r> drop ;

: timer-deinit ( n -- )
  timer-enabit bic! ;

: p2tim ( pin -- n ) drop 2 ;
: p2cmp ( pin -- n ) $3 and ;

: pin-af2 ( pin -- )
  dup PA0 = if
    GPIO-BASE GPIO.AFRL + dup @
    $FFFFFFF0 and 2 or swap !
  else dup PA1 = if
    GPIO-BASE GPIO.AFRL + dup @
    $FFFFF0FF and 2 4 lshift or swap !
  else dup PA2 = if
    GPIO-BASE GPIO.AFRL + dup @
    $FFFF0FFF and 2 8 lshift or swap !
  else dup PA3 = if
    GPIO-BASE GPIO.AFRL + dup @
    $FFF0FFFF and 2 12 lshift or swap !
  then then then then drop ;

: pwm-init ( hz pin -- )
  >r
  OMODE-AF-PP r@ io-mode!
  r@ pin-af2
  48000000 swap /
  dup 65536 > if
    dup 65536 / 1+
    dup 1- >r
    / 1-
    r> swap
  else
    0 swap 1-
  then
  swap 16 lshift or
  r@ p2tim timer-init
  r@ p2cmp dup 2 < if
    2 * 8 * $68 swap lshift
    r@ p2tim timer-base TIM.CCMR1 + bis!
  else
    2 - 2 * 8 * $68 swap lshift
    r@ p2tim timer-base TIM.CCMR2 + bis!
  then
  r@ p2cmp 4 * bit r> p2tim timer-base TIM.CCER + bis! ;

: pwm ( u pin -- )
  >r
  r@ p2tim timer-base TIM.ARR + @
  1+ swap 10000 */
  r@ p2cmp cells
  r> p2tim timer-base $34 + + ! ;

Частота pwm-init задаётся в герцах, заполнение pwm — числом от 0 до 10000.

1000 IO3 pwm-init  \ частота 1000 Гц
5000 IO3 pwm       \ заполнение 50 %

: led-fade
  1000 IO3 pwm-init
  10 0 do
    i 1000 * IO3 pwm
    500 ms-delay
  loop
  0 IO3 pwm ;

Все четыре ШИМ-вывода используют TIM2. При одновременной работе нескольких каналов задавайте одну и ту же частоту:

: multi-pwm-test
  1000 IO3 pwm-init
  1000 IO7 pwm-init
  1000 IO2 pwm-init
  1000 IO6 pwm-init
  2500 IO3 pwm
  5000 IO7 pwm
  7500 IO2 pwm
  9000 IO6 pwm ;

Системный и сторожевой таймеры

systick-init
ms_tick_cnt @ .

: measure-time
  systick-init
  ms_tick_cnt @
  1000 0 do loop
  ms_tick_cnt @ swap -
  ." Время выполнения: " . ." мс" ;

IWDG должен обновляться чаще заданного тайм-аута:

1000 iwdg-init-timeout
iwdg-refresh

: safe-loop
  1000 iwdg-init-timeout
  begin
    ." Работаю... " cr
    500 ms-delay
    iwdg-refresh
  again ;

После запуска IWDG остановить его программно нельзя; сначала проверяйте цикл в оперативной памяти и держите исходник сохранённым на компьютере.

Пользовательские настройки во флеш-памяти

Последняя страница флеш-памяти зарезервирована под настройки по адресу 0x08007c00. Не размещайте там пользовательский код, если планируете хранить настройки. Запись во флеш-память имеет ограниченный ресурс, поэтому не выполняйте её в каждом проходе цикла.

$08007c00 constant SETTINGS_PAGE

: settings-write ( value addr -- )
  SETTINGS_PAGE +
  2dup h@ = if
    2drop
  else
    $08000000 - hflash!
  then ;

: settings-read ( addr -- value )
  SETTINGS_PAGE + h@ ;

: settings-erase ( -- )
  SETTINGS_PAGE $08000000 - flashpageerase ;

Пример сохранения двух значений:

0 constant CFG_PWM_FREQ
2 constant CFG_ADC_THRESH

: save-config ( pwm-freq adc-thresh -- )
  settings-erase
  CFG_ADC_THRESH settings-write
  CFG_PWM_FREQ settings-write ;

: load-config
  CFG_PWM_FREQ settings-read
  CFG_ADC_THRESH settings-read ;

Готовые примеры

Мигание встроенным светодиодом:

: blink
  10 0 do
    1 LED1 io!
    500 ms-delay
    0 LED1 io!
    500 ms-delay
  loop ;

Управление стандартным сервоприводом с ШИМ 50 Гц:

: servo-init
  50 IO3 pwm-init ;

: servo-set ( angle -- )
  180 min 0 max
  500 * 180 /
  500 +
  IO3 pwm ;

: servo-test
  servo-init
  0 servo-set 1000 ms-delay
  90 servo-set 1000 ms-delay
  180 servo-set 1000 ms-delay
  90 servo-set ;

Здесь углу 0…180° соответствует импульс 1…2 мс: при частоте 50 Гц это 5…10 % периода, или 500…1000 в шкале команды pwm. Не расширяйте диапазон без проверки документации конкретного сервопривода.

Перед подключением сервопривода используйте отдельный источник питания, рассчитанный на его пусковой ток, и объедините GND источника с GND контроллера.

Пороговый сигнал по АЦП:

: threshold-alert
  IMODE-ADC IO4 io-mode!
  OMODE-PP IO7 io-mode!
  adc-init
  begin
    IO4 adc-mv dup . ." мВ "
    2000 > if
      ." ТРЕВОГА!" cr 1 IO7 io!
    else
      cr 0 IO7 io!
    then
    500 ms-delay
  key? until
  adc-deinit ;

Идентификаторы микроконтроллера и объём флеш-памяти:

: show-device-info
  ." Chip ID: " chipid drop drop drop .
  ." Hardware ID: " hwid .
  ." Flash size: " flash-kb . ." KB" ;

Ограничения

При автономной работе обеспечьте стабильное питание 5 В. При пропадании USB или переходе компьютера в спящий режим USB-периферия может быть приостановлена.
ШИМ доступна только на четырёх выводах TIM2, перечисленных выше.
Перед записью во флеш-память полностью проверьте программу в оперативной памяти и сохраните исходник на компьютере.
Слова могут различаться между версиями прошивки. Если команда из примера не определена, проверьте список слов командой words и обратитесь в поддержку, указав версию устройства.