STM32F103C8T6 — первые шаги. Начинаем делать осциллограф / Хабр

О радостях и трудностях первого знакомства с STM32 после AVR. Как я реализовывал простейшую задачу — передачу данных на ПК.

Имея некий опыт работы с AVR, хочется сравнить приехавшие контроллеры (которые по отдельности стоят 1.7$/шт) с близкими к ним по цене ATMEGA328 (1.4 $/шт).

	ATMEGA328	STM32F103C8T6	Выигрыш, раз
Flash, кБ	32	64	2
ОЗУ, кБ	2	20	10
Максимальная частота, МГц	20	72	3.6
Скорость АЦП, kSPS	15	2*1000 (можно разогнать)	133

На фоне роста показателей производительности в 10-100 раз, Flash увеличилась всего в 2 раза. Причём, эти 64 кБ расходуются чуть ли не быстрей, чем 32 на AVR. Логично применять такие контроллеры там, где нужна высокая п��оизводительность, но нет кодоёмких алгоритмов… например, осциллограф.

Внешний вид отладочных плат:

Слева направо:

Arduino UNO (ATmega328P), 3.59$;
Наша плата, которую будем мучить (STM32F103C8T6), 4.97$;
Ещё одна отладочная плата на STM32F103C8T6, 3.92$;
Arduino Nano (ATmega328P), 2.23 — 2.56$.

Чем программировать

Сред программирования STM32 великое множество — IAR, Keil, Coocox… поначалу кажется, что это хорошо и точно найдёшь что-то подходящее. Потом приходит понимание как такой зоопарк образовался. Просто кто-то сделал не очень хорошую IDE. Остальные на это посмотрели и решили, что они могут сделать лучше. И сделали. В чём-то получилось лучше, в чём-то хуже. Почитав обзоры и попробовав IAR, остановился на Coocox.

Есть ещё одна программа — STM32CubeMX. Дело в том, что периферии в STM32 гораздо больше, чем в AVR. Инициализировать её гораздо сложнее. STM32CubeMX позволяет выбрать контроллер, потыкать мышкой и сгенерировать код инициализации. Даже если мы не хотим использовать этот сгенерированный код, в STM32CubeMX удобно посмотреть распиновку и схему тактирования, подобрать делители, множители и вручную их прописать в своём коде! Очень рекомендую всем начинающим!

STMStudio — программа позволяющая в реальном времени наблюдать значения переменных в МК.

В качестве программатора решил использовать дешёвый ST-Link V2 за 2.6$.
Подключается всё очень просто. Берём распиновку JTAG,

смотрим рисунок на ST-Link,

и соединяем выводы (ST-LINK -> JTAG):

GND -> Pin 20;
3.3V -> Pin 1;
RST -> Pin 15;
SWCLC -> Pin 9;
SWDIO -> Pin 7.

Запускаем CoIDE, пишем

Blink

#include "stm32f10x.h"
int main(void)
{
	RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph_GPIOC; // включаем тактирование порта
	GPIOC->CRH |= (0x3 << 20); // ставим частоту 50 МГц
	GPIOC->CRH &= (~(0xC << 20)); // переводим ногу в режим выхода тяни-толкай
	volatile long i = 0;
	while(1)
	{
		GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
		for(i = 0; i < 1000*1000*5; i++){;};
		GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
		for(i = 0; i < 1000*1000*5; i++){;};
	}
}

Не сильно сложней, чем в AVR, однако, занимает программа 2264 байта во Flash… Это при том, что на AVR весь код металлоискателя занимал меньше.
Ради интереса удалил весь код и скомпилировал пустую программу — 2176 байт.
Отключил STDLIB — 1476 байт.

компилируем, прошиваем… и всё сразу заработало! Безо всяких танцев с бубном! Даже внутрисхемный отладчик заработал! Запускаем STMStudio — и она работает. Строит графики переменных во время работы МК! На плате есть перемычки, но ничего переключать, чтобы запрограммировать/запустить МК не надо! Прям как с Arduino! Ну не может же быть всё так хорошо… да не может.

Начинаем делать осциллограф

В моих мечтах осциллограф должен был работать следующим образом:
Оба АЦП одновременно обрабатывают сигнал со скоростью 1-2 MSPS. Далее 2 варианта:

Всё это в реальном времени передаётся на ПК по USB и там принимается решение о том, что с этим делать (запомнить, построить график, как-то обработать, ...);
После каждого преобразования происходит прерывание. В обработчике прерываний мы принимаем решение: ждать ещё или начать запоминать данные (например, хотим чтобы сигнал на экране начинался с некого уровня, как в аналоговом осциллографе, или чуть раньше этого уровня). В этом же обработчике складируем данные в буфер и по его заполнению отправляем на ПК.

Оба эти варианта реализовать не удалось.
Первый потому, что я не смог запустить USB. Вернее смог только сгенерировав проект в STM32CubeMX. Но после экспорта его в CoIDE потребовалось перемычками менять загрузчик для программирования/работы, что не удобно. Поэтому от этого варианта отказался. Ну и вдобавок скорость USB всего 12 МБит/с. Данные на высокой скорости в реальном времени всё равно не влезут. Чтобы хоть как-то передавать данные на комп, подключил преобразователь USB <-> UART

купленный в своё время для программирования Arduino Pro Mini.

Второй вариант накрылся т.к. обработчик прерывания работае�� дольше, чем АЦП. Скорость ограничилась всего 340-500 kSPS, что в разы меньше ожидаемой.

Единственным рабочим высокоскоростным вариантом оказался такой: АЦП непрерывно работают, когда нам нужен замер, включаем DMA, ждём наполнения буфера, отключаем DMA и потихоньку передаём данные на ПК через USART. Этот вариант превзошёл все ожидания. МК можно разогнать так, что получается 9 MSPS с двух АЦП! Т.е. в 4.5 раза больше, чем по документации! При этом достаточно комфортно наблюдать сигнал частотой до 1 МГц. По сравнению с тем, что удалось достичь раньше на Arduino (10 kSPS) результат очень хороший — скорость увеличил в 900 раз!

Однако, с разгоном не всё так радостно. В дальнейшем, чтобы мог работать USB, частоту придётся снизить в 16/9 = 1.8 раз и тогда получится всего 5 MSPS.

Пока пытался разобраться с USB и прочей периферией осознал существенный недостаток этих контроллеров — очень мало информации в интернете. Если на AVR есть куча всего, то тут найти пример одновременной работы двух АЦП в режиме Fast interleaved оказалось не так просто.

В качестве генератора сигналов для теста осциллографа был выбран… Arduino UNO! Не потому что он хороший или ещё что… просто это очень быстро.

Написать 8 строк:

 void setup() {
  pinMode(2, OUTPUT);  
  long d = 10;
  for(;;){
    PORTD = 255;
    delayMicroseconds(d);
    PORTD = 0;  
    delayMicroseconds(d);
  }
}

void loop() {
  
}

Подключить USB + 1 проводок (чтобы 3.3 вольтный STM32 не умер от 5 вольтного сигнала, сигнал подан через резистор в 2 кОм) и готово!

Получилось следующее (под каждым изображением фотография этого же сигнала на экране аналогового осциллографа):

Период сигнала 0.9 мкс. 1 замер = 10 пикселей. На осциллографе 1 деление = 0.5мкс.

Период сигнала 10 мкс. 1 замер = 5 пикселей. На осциллографе 1 деление = 2мкс. Верхушки обрублены из-за превышения сигналом опорного напряжения АЦП.

Что дальше

В планах:

Победить USB, чтобы отказаться от преобразователя USB <-> USART;
Доделать аналоговую часть, чтобы диапазон входных напряжений был не 0 — 3.3 В, а более приличным;
Сделать многоканальный режим;
Реализовать управление с ПК;
Сделать законченное устройство в корпусе.

В заключение обращаю внимание на два вскрывшихся недостатка STM32 по сравнению с AVR:

Повышенный расход Flash памяти;
Сложная инициализация периферии, которая усугубляется нехваткой материалов.

Не знаю как, но на такую простую задачу, ушло 31 кБ Flash.
Схема отладочной платы (найти было не просто).

Вторая часть статьи.

STM32F103C8T6 — первые шаги. Начинаем делать осциллограф

Чем программировать

Начинаем делать осциллограф

Что дальше

Публикации

Ближайшие события