lbed/11-LM4F120の実験のバックアップ(No.6)

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ここでは、LM4F120 LaunchPadを使っていろいろな実験をして、lbedの使い方を説明します。

シリアル通信の実験 †

LM4F120 LaunchPadには、2個のLM4F120が搭載されており、1つはデバッガ兼シリアル通信用、もう一つがターゲットのLM4F120と豪勢な構成となっています。

このようにデバッグと通信に専用にCPUが割り当てられているとUSBケーブルに接続しただけでパソコンの通信ソフトに接続できるので、CDCのようにシリアルの通信のテスト毎に接続が切れてしまうようなことがなく、とても自然に通信とデバッグができます。

↑

Serialクラスの実装 †

LM4F120 LaunchPadのStellarisWareライブラリとサンプルプログラムを使うことで、簡単にSerialクラスを実装することができます。

Serial.cppは次のようになっています。

#include "Serial.h"
#include "PinNames.h"

#include "inc/hw_memmap.h"
#include "inc/hw_types.h"
#include "driverlib/sysctl.h"
#include "driverlib/uart.h"
#include "driverlib/gpio.h"

Serial::Serial()
     : _tx(-1)
     , _rx(-1)
{
     setup(PA_1, PA_0, "default");
}

Serial::Serial(PinName tx, PinName rx, const char *name)
     : _tx(-1)
     , _rx(-1)
{
     setup(tx, rx, name);
}

void Serial::setup(PinName tx, PinName rx, const char *name)
{
     _tx = tx;
     _rx = rx;
     _available = false;
     SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_UART0);
     SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOA);
     GPIOPinConfigure(GPIO_PA0_U0RX);
     GPIOPinConfigure(GPIO_PA1_U0TX);
     GPIOPinTypeUART(GPIO_PORTA_BASE, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1);
}

void Serial::baud(unsigned int baudrate) {
     unsigned long sysclock = SysCtlClockGet();
     UARTConfigSetExpClk(UART0_BASE, sysclock, baudrate,
                        (UART_CONFIG_WLEN_8 | UART_CONFIG_STOP_ONE |
                         UART_CONFIG_PAR_NONE));
     _available = true;                                        }

void Serial::begin(unsigned int baudrate) {
     baud(baudrate);
}

int Serial::write(const char c) {
     UARTCharPut(UART0_BASE, c);
     return 1;
}

int Serial::read() {
     return UARTCharGet(UART0_BASE);
}

int Serial::available() {
     return _available ? 1 : 0;
}

↑

動作確認 †

実際にSerialクラスを使ってシリアル通信を行ってみます。

テストプログラムは、以下の様になります。

#include"lbed.h"

DigitalOut myled(LEDG);

int main(void) {
     Serial pc(PA_1, PA_0);
     pc.baud(19200);
     pc.println("Hello");
     while (1) {
          char c = pc.read();
          pc.write(c + 1);
          myled = !myled;
     }
     return 0;
}

シリアル通信には、やはりArduinoのシリアルモニターを使いました。これなら、どんなPCでも同じように使えるので、便利です。

最初にHelloと出力して入力を待ちます。ここで、abcと入力すると一つ後の文字bcdを出力します。

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スイッチ入力の実験 †

DegialInのクラスを使ってSW1を押したときに、LEDBが点灯するプログラムを作ってみましょう。

ポイントは以下の２つです。

SW1のモードをPullUpにセットする *1
スイッチを押すと0になるので、NOT !を使って1にする

プログラムは、とても簡単です。

#include "lbed.h"

int main(void) {
     DigitalIn     sw1(SW1);
     sw1.mode(PullUp);
    DigitalOut     myled(LEDG);
    while(1) {
        myled = !sw1;     // SW1を押すとLow=0になるので、押したときにLEDを付けるために!を付ける。
        wait_ms(200);
    }
}

↑

動作確認 †

デバッガを起動して、プログラムをLM4F120 LaunchPadに書き込み、Resumeメニューを選択、または三角の青いアイコンをクリックするとmain関数の先頭で停まります。

ここで、もう一度Resumeを実行して、SW1を押したり、離したりしてみて下さい。

↑

温度を測る †

I2Cインターフェースを持った温度センサーLM73B*2を使って、温度を測ってみましょう。

LM73は、白の三角がついたところが、1番ピンで反時計回りにピン番号が割り振られています。

1: ADDR I2Cのslave addressを決めるpin: オープンで0x4Cになっています
2: GND
3: VDD 3.3V（2.7~5.5Vに対応）
4: SCL（4.7KΩでプルアップ）
5: 未接続
6: SDA（4.7KΩでプルアップ）

となっています。SCL, SDAは、プルアップ抵抗が必要で、ここでは手持ちの4.7KΩを使用しました。

LM4F120 LaunchPadの接続は、以下の4本を使用します。

J1_1: 3.3V
J3_2: GND
J4_3: PB3(SDA)
J2_2: PB2(SCL)

↑

テストプログラム †

テストプログラムTestLM73.cppは、以下の様になります。 *3

どうもDegitalOutは、シリアルクラスの影響を受けるみたいで、pcの後に型宣言しています。

#include"lbed.h"
#include "LM73.h"

int main(void) {
     LM73 lm73(PB_3, PB_2);
     Serial pc(PA_1, PA_0);
     pc.baud(19200);
     // 注意）Serialの影響を受けるので、最後にLEDを生成した
     DigitalOut myled(LEDG);

     while (1) {
          float t = lm73.read();
          pc.printf("temp=%d.%02d\n", int(t), (int(t*100)%100));
          myled = !myled;
          wait_ms(1000);
     }
}

実際に動かしてシリアルモニターに出力させてみました。

↑

I2Cクラスの実装 †

StellarisWareライブラリで、I2Cを利用する例題はいくつか見つかりましたが、2バイト以上を送る例が少なく、

LM4F120 LaunchPad特有のI2C初期設定が分からず、動作するまでかなり時間が掛かりました。 *4

I2Cクラスは、以下の様に作成しました。

#include "platform.h"
#include "PinNames.h"
#include "I2C.h"

#include "inc/hw_memmap.h"
#include "inc/hw_types.h"
#include "inc/hw_i2c.h"
#include "driverlib/i2c.h"
#include "driverlib/sysctl.h"
#include "driverlib/gpio.h"

I2C::I2C(PinName sda, PinName scl, const char *name) {
     _name = (char *) name;
     // The I2C0 peripheral must be enabled before use.
     SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_I2C0);
     // For this example I2C0 is used with PortB[3:2].
     SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOB);
     // Select the I2C function for these pins.
     GPIOPinTypeI2CSCL(GPIO_PORTB_BASE, GPIO_PIN_2);     //     I2CSCL
     GPIOPinTypeI2C(GPIO_PORTB_BASE, GPIO_PIN_3);     //     I2CSDA
     // Enable and initialize the I2C0 master module. True=400Kbps, False=100Kbps
     I2CMasterInitExpClk(I2C0_MASTER_BASE, SysCtlClockGet(), false);
}

int I2C::read(int address, char *data, int length, bool repeated) {
     unsigned char addr = (unsigned char)address>>1;
     I2CMasterSlaveAddrSet( I2C0_MASTER_BASE, addr, true);   // false = write, true = read
    if (length == 1) {
         I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_SINGLE_RECEIVE);
        // Wait until done transmitting
        while( I2CMasterBusy(I2C0_MASTER_BASE));
        *data = I2CMasterDataGet(I2C0_MASTER_BASE);
    }
    else {
         for (int i = 0; i < length; i++) {
              if (i == 0)
                   I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_RECEIVE_START);
              else if (i == length-1)
                   I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_RECEIVE_FINISH);
              else
                   I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_RECEIVE_CONT);
            // Wait until done transmitting
            while( I2CMasterBusy(I2C0_MASTER_BASE));
            *data++ = I2CMasterDataGet(I2C0_MASTER_BASE);
         }
    }
    return length;
}

int I2C::write(int address, const char *data, int length, bool repeated) {
     unsigned char addr = (unsigned char)address>>1;
     I2CMasterSlaveAddrSet( I2C0_MASTER_BASE, addr, false);   // false = write, true = read
    if (length == 1) {
         I2CMasterDataPut( I2C0_MASTER_BASE, *data);
         I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_SINGLE_SEND);
        // Wait until done transmitting
        while( I2CMasterBusy(I2C0_MASTER_BASE));
    }
    else {
         for (int i = 0; i < length; i++) {
              I2CMasterDataPut( I2C0_MASTER_BASE, *data++);
              if (i == 0)
                   I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_SEND_START);
              else if (i == length-1)
                   I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_SEND_FINISH);
              else
                   I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_SEND_CONT);
            // Wait until done transmitting
            while( I2CMasterBusy(I2C0_MASTER_BASE));
         }
    }
    return length;
}

// これらの関数の使い方がよく分からないので、ダミー関数
int I2C::read(int ack) {
     return -1;
}
int I2C::write(int ack) {
    return -1;
}

↑

既存のmbedのライブラリの移植 †

これまで自分が作ってきたユーザライブラリを使っていましたが、mbedの既存のユーザライブラリをlbedに移植した場合の変更点と問題点を整理します。

C++のスタートアップルーチンが自前なので、C++内部で配列の初期設定を行っている場合に正しく処理されない（未解決）
ユーザクラスの中で、SerialやI2Cのメンバー変数を持つ場合、最後にDegitalOut, DegitalInのメンバーを宣言しなくてはならない（未解決）
wait関数が使えない*5
mbed.hをlbed.hに変更する

↑

I2cLCD.cppの移植 †

勝純一さんが公開されているI2cLCDを例にlbedへの移植をしてみます。

wait関数の変更は、wait_msとwait_usを使って置き換えます。

wait_ms(1); wait_us(640); //wait(0.00164f);     // This command takes 1.64 ms

I2cLCD.hとI2cLCD.cppのメンバー変数の順序を以下の様に変更します。

    // DigitalOut, I2Cの順で宣言されているのをI2C, DigitalOutに変更
    // DigitalOut _rs;
    // I2C    _i2c;
    I2C    _i2c;
    DigitalOut _rs;

// _rs, _i2cの順に初期化しているのを_i2c, _rsに変更
// I2cLCD::I2cLCD(PinName sda, PinName scl, PinName rp) :  _rs( rp ), _i2c( sda , scl ) {
I2cLCD::I2cLCD(PinName sda, PinName scl, PinName rp) :  _i2c( sda , scl ), _rs( rp ) {

staticな配列icon_dataの初期化をauto変数に変更します。

static unsigned char icon_data[]=
{
     0x00, 0x10,
途中省略
     0x0F, 0x10,
};

をputiconメンバ関数のなかで設定するように変更 *6

void I2cLCD::puticon(int flg)
{
    unsigned char icon_data[] = {
    0x00, 0x10,
途中省略
    0x0F, 0x10,
    };

このように手順が分かれば、ある程度スムーズに移植できると思います。 *7

↑

アナログ入力の実験 †

アナログ入力は、StellarisWareのライブラリを使用するため、 StellarisLaunchPadWorkbook を参考にAnalogInクラスを作成してみます。

LM4F120には、12bit 1MサンプリングのADCモジュール*8が2個内蔵され、12個のアナログ入力チャネルで共有されています。*9

LM4F120 LaunchPad UserManual Table 2-5によると、12個のアナログ入力チャネルは、以下の様にピン配置されています。

↑

電圧を測る †

アナログ入力クラスAnalogInを使って可変抵抗の電圧を測ってみます。

可変抵抗の両端を3.3VとGNDに接続し、真ん中のピンをJ3の9番目のピンPE_3に接続します。

テストプログラムTestAnalogIn.cppは、以下の様にします。

#include"lbed.h"


int main(void) {
     Serial           pc(PA_1, PA_0);
     AnalogIn      in(PE_3);
     DigitalOut      myled(LEDG);
     pc.baud(19200);
     pc.println("Hello");
     while (1) {
          unsigned short val = in.read_u16();
          pc.printf("Sensor = %d\n", (int)val);
          myled = !myled;
          wait_ms(1000);
     }
     return 0;
}

いつものようにArudino IDEのシリアルモニターを起動して実行すると、以下のように可変抵抗を回すと 1から4095の範囲の値が表示されます。

↑

AnalogInクラスの実装 †

AnalogInのsetupをPE_3に対してのみ表すと以下の様になります。

void AnalogIn::setup(PinName pin, const char* name)
{
     SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADC0);
     SysCtlADCSpeedSet(SAMPLE_SPS);
     ADCSequenceDisable(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);

     if (pin >= PE_0 && pin <= PE_5) {
          _gpio = GPIO_PORTE_BASE;
          SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOE);
          switch (pin) {
               case PE_3:
                    _channel = ADC_CTL_CH0;
                    _pin = 3;
                    break;
          // 他のピンも同様に設定
          }
          AnalogIn::_e_mask |= 1 << _pin;
          // ピンタイプをADCにセット
          GPIOPinTypeADC(_gpio, AnalogIn::_e_mask);
     }

// PB, PDは省略

     // ADC0をシーケンス3を割り込み不可にする
     ADCSequenceDisable(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
     // ADC0のシーケンスを最大優先にセット
     ADCSequenceConfigure(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM, ADC_TRIGGER_PROCESSOR, 0);
     // 1ステップで1サンプリングにセット
     ADCSequenceStepConfigure(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM, 0, _channel | ADC_CTL_IE | ADC_CTL_END);
     // ADC0をシーケンス3を割り込み可能にする
     ADCSequenceEnable(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
     // ADC0をシーケンス3の割り込みフラグをクリア
     ADCIntClear(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
}

アナログ値の読み込みは、以下の様にしました。

unsigned short AnalogIn::read_u16()
{
     if (_gpio) {
          ADCIntClear(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
          ADCProcessorTrigger(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
          while(!ADCIntStatus(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM, false)) {
          }
          ADCSequenceDataGet(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM, &_value);
          return ((short)(_value&0x0FFF));
     }
     else
          return 0;
}

↑

LEDの明るさを変える †

LM4F120には、ドライバーで使われているPWMモジュールが付属していない *10 ため、StellarisライブラリーのPWMは使えず、タイマー機能を使って代用する必要があります。

PWMのピン割り当ては、以下の様になっています。 *11

↑

LEDとの接続 †

PWMピンの一つJ3_10（LEDRと兼用）をLEDのアノード（線の長い方）と直列につないだ470Ωの抵抗に接続し、カソードをGND（J3_2）に接続します。

↑

テストプログラム †

動作を確認するテストプログラムは、PwmOutのインスタンスledを生成し、80m秒毎に0.02ずつ値を大きくするもので、これを4秒間隔で繰り返します。

#include "lbed.h"

int main(void) {
    PwmOut led(LEDR);
    led = 0.5;
    while(1) {
        led = led + 0.02;
        if(led >= 1.0) {
            led = 0.0;
        }
        wait_ms(80);
   }
}

↑

PwmOutクラスの実装 †

PwmOutのsetupをLEDRに対してのみ表すと以下の様になります。

*12

void PwmOut::setup(float period) {
     _period = period;
     unsigned long p = (uint32_t)(SystemCoreClock*_period);
     // 16bitの範囲内で制御できるようにprescaleを変更する
     if (p > (unsigned long)0xFFFF)
          _scale = p/0x10000 + 1;
     else
          _scale = 1;
     unsigned long matchTime = (unsigned long)((_period - _pulsewidth)*SystemCoreClock/_scale)-1;
     switch (_pin) {
     case LEDR:     // T0CCP1
          SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOF);
          GPIOPinConfigure(GPIO_PF1_T0CCP1);
          GPIOPinTypeTimer(GPIO_PORTF_BASE, GPIO_PIN_1);
          SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0);
          _base = TIMER0_BASE;
          _timer = TIMER_B;
          TimerConfigure(_base, TIMER_CFG_SPLIT_PAIR|TIMER_CFG_B_PWM);
          break;
     // 他のピンは、省略
     }
     TimerPrescaleSet(_base, _timer, _scale -1);          // prescaleをセット
     TimerPrescaleMatchSet(_base, _timer, _scale -1);
     TimerLoadSet(_base, _timer, p/_scale -1);          // periodをセット
     TimerMatchSet(_base, _timer, matchTime);
     TimerEnable(_base, _timer);
}

↑

PWMで音を出してみる †

PWMを使ってArduinoのToneクラスを作ってみます。

↑

圧電スピーカとの接続 †

圧電スピーカは、直接PWDの出力ピント接続します。今回は、PB5をPWDの出力ピンに使用します。

LaunchPadとの接続は、J1_2（PB5）とJ3_2（GND）を圧電スピーカに接続するだけです。

↑

動かしてみる †

テストプログラムTestTone.cppは、PCから入力された1から5に応じてそれぞれ、ド、レ、ミ、ソ、ラを出力します。

TestTone.cppは、以下の通りです。

#include     "lbed.h"
#include     "Tone.h"

int main(void) {
     int tones[]={262,294,330,392,440};  // C, D, E, G, A
     int toneDuration = 500;

     Serial          pc(PA_1, PA_0);
     Tone          tone(PB_5);          // T1CCP1
     DigitalOut     myled(LEDR);
     pc.baud(19200);
     tone.noTone();

     pc.println("Input number");
     while (1) {
          char c = pc.read();
          myled = !myled;
          if (c >= '1' && c <= '5') {
               int index = c - '1';
               tone.tone(tones[index], toneDuration);
          }
     }
     return 0;
}

↑

Toneクラスの実装 †

Toneクラスは、PwmOutクラスを使ってとても簡単に作成できます。

Tone.cppは、以下の通りです。

#include "Tone.h"
#include "lbed.h"

Tone::Tone(PinName pin) : _out(pin)
{
}

void Tone::tone(unsigned int frequency)
{
     float period = 1.0/frequency;
     noTone();
     _out.period(period);
     _out.write(0.5);
}

void Tone::tone(unsigned int frequency, unsigned long duration)
{
     noTone();
     tone(frequency);
     wait_ms(duration);
     noTone();
}

void Tone::noTone(void)
{
     _out.disable();
}

↑

SPI通信 †

SPIのテストプログラム

が動作したので、SPIクラスを作りました。

機能	レジスター	ピン番号
ssi0Rx	PA_4	J2_8
ssi0Tx	PA_5	J1_8
ssi0clk	PA_2	J2_10
ssi1Rx	PD_2	J3_5
ssi1Tx	PD_3	J3_6
ssi1clk	PD_0	J3_3
ssi2Rx	PB_6	J2_7
ssi2Tx	PB_7	J2_6
ssi2clk	PB_4	J1_7

↑

Arduinoとの接続 †

Arduinoとの接続は、SPIのテストプログラムと同じで以下の様にしました。

LaunchPadのピンは、以下のピンを使用します。

J3_6 (PD3) ssi1Tx (MOSIに相当)
J3_5 (PD2) ssi1Rx (MISOに相当)
J3_3 (PD0) ssi1Clk (SCKL)
J3_2 (GND)

Arduinoのピンは、以下のピンを使用します。

D11 (MOSI)
D12 (MISO)
D13 (CLK)
GND

AdruinoとLaunchPadの結線は、以下の様になっています。

↑

動作確認用プログラム †

SPIをクラスを使うと、Hello Worldのテストプログラムの以下の様に簡単になります。

#include "lbed.h"

int main(void) {
     SPI     spi(PD_3, PD_2, PD_0);
     char     *pcChars = "Hello World!\n";
     char     c;
     while((c = *pcChars++)) {
          spi.write(c);
     }
}

シリアルモニターに以下の様に出力されます。

↑

OLEDに接続 †

SPIの動作が確認できましたので、最大の目標であるMARMEX_OBの液晶モジュールに接続してみましょう。今回使用するのは、 MARY-OB基板（OLED Board）です。

今回も、mbedのサイトから MARMEX_OB基板OLEDライブラリ (MARMEX_OB_oled) を使わせてもらいました。

↑

MARY-OB基板（OLED Board）との接続 †

MARY-OB基板（OLED Board）のコネクターとピンの定義は以下の通りです。

LaunchPadとの接続は、以下のようにします。

J3_2(GND)をCN1の1番に接続
J3_1(5V)をCN1の２番に接続
J1_1(3.3V)をCN1の３番に接続
J2_6(PD_3 ssi1Tx)をCN4の4番(OLED_SDIN)に接続
J2_3(PD_0 ssi1clk)をCN4の2番(OLED_SCLK)に接続
J1_8をCN3の2番(OLED_CSN)に接続
J1_9をCN3の1番(OLED_RESN)に接続
J1_10をCN2の1番(OLED_VCC_ON)に接続

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テストプログラム †

テストプログラムTestOLED.cppは以下の様にします。

#include <math.h>
#include "lbed.h"
#include "MARMEX_OB_oled.h"

int main(void) {
    MARMEX_OB_oled oled(PD_3, PD_0, J1_8, J1_9, J1_10);     // mosi, sclk, cs, rst, power_control

    oled.background( 0x000000 );
    oled.cls();

    int colorbar_width  = MARMEX_OB_oled::WIDTH / 8;
    for ( int i = 0; i < 8; i++ )
        oled.fill( colorbar_width * i, 0, colorbar_width, MARMEX_OB_oled::HEIGHT,
                  ((i & 0x4) ? 0xFF0000 : 0x000000) | ((i & 0x2) ? 0x00FF00 : 0x000000) | ((i & 0x1) ? 0x0000FF : 0x000000) );

    oled.fill(  50,  50,  64,  64, 0xCCCCCC );;
    oled.locate(0, 3);
    oled.print("Hello World!");

    for (int i = 0; i < MARMEX_OB_oled::WIDTH; i++ ) {
         oled.pixel( i, 80 + sinf( (float)i / 5.0 ) * 10, 0x000000 );
    }

    while(1) {
    }
}

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動作確認 †

無事動いて、MARY-OB基板（OLED Board）に以下の様に表示されました。

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コメント †

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lbed/11-LM4F120の実験 のバックアップ(No.6)

シリアル通信の実験 †

Serialクラスの実装 †

動作確認 †

スイッチ入力の実験 †

動作確認 †

温度を測る †

テストプログラム †

I2Cクラスの実装 †

既存のmbedのライブラリの移植 †

I2cLCD.cppの移植 †

アナログ入力の実験 †

電圧を測る †

AnalogInクラスの実装 †

LEDの明るさを変える †

LEDとの接続 †

テストプログラム †

PwmOutクラスの実装 †

PWMで音を出してみる †

圧電スピーカとの接続 †

動かしてみる †

Toneクラスの実装 †

SPI通信 †

Arduinoとの接続 †

動作確認用プログラム †

OLEDに接続 †

MARY-OB基板（OLED Board）との接続 †

テストプログラム †

動作確認 †

コメント †

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