هدف ما از انجام این پروژه چیست؟
در این بخش قصد داریم سنسورSGP41-D-R4 را به وسیله میکروکنترلر آرم، سری STM32F راه اندازی کنیم. به منظور استفاده راحت تر و بهینه تر در این پروژه از دو ماژول آماده GB605EN و GebraBit STM32F303 استفاده میکنیم.
این دو ماژول شامل مینیمم قطعات لازم سنسور SGP41-D-R4 و میکروکنترلر STM32F میباشند که توسط تیم جبرابیت جهت آسان سازی کار فراهم شده اند.
در این آموزش چه چیزهایی یاد میگیریم؟
شما در این بخش ضمن راه اندازی و استفاده از سنسور SGP41-D-R4، به طور خلاصه با تمامی رجیسترهای سنسور SGP41-D-R4، نحوه تنظیم بخش های مختلف میکروکنترلر STM32 برای راه اندازی این سنسور با استفاده از پروتکل I2C، چگونگی استفاده از فایل کتابخانه و درایور مختص ماژول GB605EN، نحوه فراخوانی توابع و در نهایت دریافت داده های سنسور در کامپایلر Keil نیز آشنا خواهید شد.
برای شروع این پروژه به چه چیزهایی نیاز داریم؟
برای اجرای این پروژه به سخت‌افزار و نرم‌افزار نیاز داریم. عناوین این سخت‌افزارها و نرم‌افزارها در جدول زیر به شما ارائه شده است و می‌توانید با کلیک بر روی هر یک، آن را تهیه/دانلود کرده و برای شروع آماده شوید.
| سخت افزارهای مورد نیاز | نرمافزارهای مورد نیاز |
|---|---|
| ST-LINK/V2 Programmer | Keil uVision Programmer |
| STM32 Microcontroller – ( Gebra STM32f303 ) | STM32CubeMX Program |
| ماژول کیفیت هوا Gebra SGP41-D-R4 | |
| Cable and Breadboard |
ابتدا مانند تصویر زیر ماژول GebraBit SGP41 را به صورت زیر به ماژول GebraBit STM32F303 متصل می کنیم:
توجه : با توجه به اینکه پین PA14 ماژول میکروکنترلرGebraBit STM32F303 برای پروگرام کردن میکروکنترلر استفاده میشود،تنظیم I2C بر روی پین های PA14 و PA15 در این ورژن مقدور نمی باشد،لذا در اتصال I2C به ماژول میکروکنترلرGebraBit STM32F303 در این ورژن ، ماژول GebraBit SGP41 نمی تواند به صورت Pin to Pin بر روی آن قرار گیرد.
در نهایت مقادیر VOC و NOX را به صورت Real Time در پنجره Watch1 کامپایلر Keil در حالت Debug Session مشاهده خواهیم کرد.
تنظیمات STM32CubeMX
در ادامه تنظیمات مربوط به هریک از بخش های I2C , RCC , Debug , Clock را در میکروکنترلر STM32F303 برای راه اندازی ماژول GebraBit SGP41 را مرور می کنیم.
I2C تنظیمات
برای برقراری ارتباط I2C بین Gebra STM32F303و ماژول کیفیت هوا Gebra SGP41-D-R4، از مسیر Connectivity -> I2C گزینه Standard Mode را انتخاب کرده و پایه‌های PB8 و PB9 را به ترتیب به‌عنوان SCL و SDA تنظیم کنید.
نکته: اگر از میکروکنترلر دیگری استفاده می‌کنید یا می‌خواهید از پایه‌های متفاوتی برای I2C استفاده کنید، کافی است روی پایه دلخواه کلیک کرده و گزینه‌های i2c1_scl و i2c1_sda را انتخاب نمایید.
RCC / Clock تنظیمات
به‌دلیل وجود کریستال خارجی (External Crystal) در برد جبرابیت STM32F303، در بخش “RCC” گزینه “Crystal/Ceramic Resonator” را انتخاب میکنیم.
سپس از صفحه Clock Configuration حالت PLLCLK را انتخاب کرده و سایر تنظیمات لازم را انجام می‌دهیم (برای اطلاعات بیشتر کلیک کنید).
Debug & Programming تنظیمات
برای کاهش تعداد پایه‌ها در زمان Debug and Program، در این ماژول گزینه “Serial Wire” را از بخش “Debug” در بلوک “SYS” انتخاب میکنیم که مربوط به پایه‌های “SWCLK” و “SWDIO” است.
Project Manager تنظیمات
تنظیمات “Project Manager” به صورت زیر است؛ در اینجا از نسخه “5.32” محیط توسعه “MDK-ARM” استفاده کرده‌ایم. اگر شما برای برنامه‌نویسی از محیط توسعه دیگری استفاده می‌کنید، باید از قسمت Toolchain گزینه مربوط به IDE مورد استفاده خود را انتخاب کنید.
پس از تکمیل تمامی تنظیمات بالا، روی گزینه GENERATE CODE کلیک میکنیم.
Source Code
کتابخانه پروژه (Library)
جبرابیت علاوه بر طراحی ماژولار انواع حسگرها و قطعات مجتمع، برای سهولت در نصب و توسعه نرم‌افزار توسط کاربران، مجموعه‌ای از کتابخانه‌های ساختاریافته و مستقل از سخت‌افزار را به زبان C ارائه می‌دهد. در این راستا، کاربران می‌توانند کتابخانه‌ی مربوط به ماژول مورد نظر خود را در قالب فایل‌های “.h” و “.c” دانلود کنند.
با افزودن کتابخانه‌ی ارائه‌شده توسط جبرابیت به پروژه (راهنمای افزودن فایل به پروژه)، می‌توانیم به‌راحتی کد خود را توسعه دهیم. فایل‌های مربوطه را می‌توانید در انتهای پروژه یا در بخش صفحات مرتبط در سمت راست مشاهده کنید.
تمام توابع تعریف‌شده در کتابخانه با جزئیات کامل توضیح داده شده‌اند و کلیه پارامترهای ورودی و مقادیر بازگشتی هر تابع به‌صورت مختصر شرح داده شده است. از آنجا که این کتابخانه‌ها مستقل از سخت‌افزار هستند، کاربر می‌تواند آنها را به‌سادگی به کامپایلر دلخواه خود اضافه کرده و با میکروکنترلر یا برد توسعه مورد نظر خود استفاده کند.
فایل هدر GebraBit_SGP41.h
در این فایل بر اساس دیتاشیت سنسور یا ای سی ، تمامی آدرس رجیسترها، مقادیر هریک از رجیسترها به صورت Enumeration تعریف شده است.همچنین بدنه سنسور SGP41 و کانفیگ های مربوط به هریک از بلوک های داخلی سنسور SGP41 به صورت STRUCT با نام GebraBit_SGP41 نیز تعریف شده است.که نهایتا در محیط Debug Session تمامی کانفیگ های مربوط به هر بلوک به صورت Real Time قابل مشاهده است.
USER REGISTER MAP
نقشه رجیستری یا Command های سنسور در این بخش تعریف شده است :
/************************************************
* USER REGISTER MAP *
***********************************************/
#define SGP41_I2C &hi2c1
#define SGP41_ADDRESS 0x59
#define SGP41_WRITE_ADDRESS ((SGP41_ADDRESS<<1)|0)
#define SGP41_READ_ADDRESS ((SGP41_ADDRESS<<1)|1)
#define SGP41_GET_SERIAL_NUMBER 0x3682
#define SGP41_PERFORM_SELF_TEST 0x280E
#define SGP41_EXECUTE_CONDITIONING 0x2612
#define SGP41_MEASURE_RAW_SIGNAL 0x2619
#define SGP41_TURN_HEATER_OFF 0x3615 SGP41_Ability Enum
برای فعال و غیر فعال کردن بخش های مختلف سنسوراز این enum استفاده میشود :
typedef enum Ability
{
Disable = 0 ,
Enable
}SGP41_Ability;SGP41_Activity Enum
با استفاده از این enum وضعیت انجام شدن عملی در سنسورمشخص می شود:
typedef enum Activity
{
NOT_DONE = 0,
DONE = 1
} SGP41_Activity;SGP41_Command Enum
برای اجرای Command های سنسور از مقادیر این enum استفاده می شود:
typedef enum Command
{
GET_SERIAL_NUMBER = 0x3682 ,
PERFORM_SELF_TEST = 0x280E ,
EXECUTE_CONDITIONING = 0x2612 ,
MEASURE_RAW_SIGNAL = 0x2619 ,
TURN_HEATER_OFF = 0x3615
}SGP41_Command;SGP41_CRC_Status Enum
برای اگاهی از وضعیتCRC از مقادیر این Enum استفاده می شود :
typedef enum CRC_Status
{
CRC_ERROR = 0 ,
CRC_OK
}SGP41_CRC_Status;SGP41 struct
تمام ویژگی های سنسور، ضرایب کالیبراسیون و داده های سنسور در این Struct تعریف شده است و تمامی اطلاعات و کانفیگ اجرا شده بر روی سنسور در این Structure ذخیره شده و می توان تغییرات در هر بخش از سنسور را در محیط Debug Session مشاهده نمود:
typedef struct SGP41
{
uint8_t REGISTER_CACHE;
uint8_t BUFFER[DATA_BUFFER_SIZE];
SGP41_Command COMMAND;
uint8_t CMD_BUFFER[CMD_BUFFER_SIZE];
uint16_t SERIAL_NUMBER1;
uint16_t SERIAL_NUMBER2;
uint16_t SERIAL_NUMBER3;
SGP41_Activity SELF_TEST;
SGP41_Ability HUMIDITY_COMPENSATION;
SGP41_Activity HEATER_OFF;
float COMPENSATION_HUMIDITY;
float COMPENSATION_TEMPERATURE;
uint16_t DEFAULT_HUMIDITY;
uint16_t DEFAULT_TEMPERATURE;
SGP41_Activity FACTORY_RESET;
uint8_t SGP41_CRC;
SGP41_CRC_Status CRC_CHECK;
uint16_t SRAW_VOC;
uint16_t SRAW_NOX;
int32_t VOC_INDEX_VALUE;
int32_t NOX_INDEX_VALUE;
}GebraBit_SGP41;Declaration of functions
در پایان این فایل تمامی توابع جهت خواندن و نوشتن در رجیستر های SGP41 ، کانفیک سنسور و دریافت داده از سنسور اعلان شده است:
extern void GB_SGP41_Send_Command(GebraBit_SGP41 * SGP41 , uint16_t cmd) ;
extern void GB_SGP41_Write_Data(GebraBit_SGP41 * SGP41 , uint16_t cmd , uint16_t data1 , uint16_t data2 ) ;
extern void GB_SGP41_Read_Data(GebraBit_SGP41 * SGP41 , uint8_t* buffer, uint16_t size) ;
extern void GB_SGP41_Delay_uSecond(uint32_t useconds) ;
extern void GB_SGP41_CRC_Generate(GebraBit_SGP41 * SGP41 ,const uint8_t* data, uint16_t count) ;
extern void GB_SGP41_CRC_Check(GebraBit_SGP41 * SGP41 ,const uint8_t* data,uint16_t count,uint8_t checksum) ;
extern void GB_SGP41_Get_Serial_Number(GebraBit_SGP41 * SGP41 ) ;
extern void GB_SGP41_Perform_Self_Test(GebraBit_SGP41 * SGP41 ) ;
extern void GB_SGP41_Turn_Heater_Off(GebraBit_SGP41 * SGP41 ) ;
extern void GB_SGP41_Deactivate_Humidity_Compensation (GebraBit_SGP41 * SGP41) ;
extern void GB_SGP41_Set_Compensation_Humidity_Temperature_Values(GebraBit_SGP41 * SGP41 , float humidity , float temp , SGP41_Ability Compensation ) ;
extern void GB_SGP41_Execute_Conditioning(GebraBit_SGP41 * SGP41) ;
extern void GB_SGP41_Measure_Raw_Signal(GebraBit_SGP41 * SGP41) ;
extern void GB_SGP41_initialize( GebraBit_SGP41 * SGP41 ) ;
extern void GB_SGP41_Configuration(GebraBit_SGP41 * SGP41, SGP41_Ability Compensation) ;
extern void GB_SGP41_Get_Data(GebraBit_SGP41 * SGP41) ;
فایل سورس GebraBit_SGP41.c
در این فایل که به زبان C نوشته شده ، تمامی توابع با جزئیات کامل، کامنت گذاری شده و تمامی پارامتر های دریافتی در آرگومان توابع و مقادیر بازگشتی از آنها ، بطور واضح توضیح داده شده است.از این رو در این قسمت به همین توضیحات اکتفا کرده و کاربران را برای اطلاعات بیشتر به بررسی مستقیم از این فایل دعوت می کنیم.
برنامه نمونه در Keil
بعد از تولید پروژه Keil با استفاده از STM32CubeMX و اضافه کردن کتابخانه GebraBit_SGP41.c ارائه شده توسط GebraBit ، به بررسی قسمت اصلی برنامه آموزشی نمونه، فایل main.c و مشاهده خروجی ماژول GebraBit SGP41 در قسمت watch در محیط Debugging برنامه Keil می پردازیم.
شرح فایل main.c
به ساختار ها ، Enum ها و توابع مورد نیاز ماژول GebraBit SGP41 ، اضافه شده است.در قسمت بعدی متغیری به نام SGP41_Module از نوع ساختار GebraBit_SGP41 (این ساختار در هدر GebraBit_SGP41 بوده و در بخش توضیحات کتابخانه GebraBit_SGP41توضیح داده شد) که برای پیکربندی ماژول GebraBit SGP41 می باشد،تعریف شده است:
STLINK V2
پس از ایجاد پروژه Keil با استفاده از STM32CubeMX و افزودن کتابخانه، آداپتور STLINKV2 را متصل کرده و برنامه‌نویس STLINK V2 را به برد جبرابیت STM32F303 وصل میکنیم.
وقتی برنامه‌نویس STLINK V2 را به برد جبرابیت STM32F303 متصل می‌کنید، نیازی به تغذیه جداگانه ماژول نیست، زیرا ولتاژ تغذیه را مستقیماً از برنامه‌نویس STLINK V2 دریافت می‌کند.
سپس روی گزینه Build (F7) کلیک کرده و پنجره Build Output را برای بررسی خطاهای احتمالی کنترل میکنیم.
در نهایت وارد حالت Debug شده و با اضافه کردن SGP41_Module به پنجره watch و اجرای برنامه ، تغییرات مقادیر VOC و NOX ماژول GebraBit SGP41 را مشاهده می کنیم:
