Progettazione nell'ambiente LPCXpresso

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1 Introduzione alla progettazione di sistemi embedded a microcontrollore Stefano Salvatori

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3 Introduzione Le esercitazioni descritte in questo documento si basano sul tool per lo sviluppo di progetti a microcontrollore (uc), LPCXpresso di NXP (già Philips), uno dei leader oggi sul mercato per la produzione di dispositivi integrati. Il tool, completo sia nella sezione hardware per uc della famiglia LPC, che in quella software, permette di realizzare rapidamente applicazioni a basso costo, dalla fase di progettazione a quella di prototipazione o di produzione. Il software (IDE, Integrated Development Environment) per l'ambiente LPCXpresso è disponibile gratuitamente dalla NXP e può essere scaricato dal sito dell'azienda ( senza limiti di tempo per il suo uso, previa la registrazione presso il loro sito. L'unica limitazione per la versione gratuita del software è la dimensione massima di 256kB per la grandezza del codice, un limite che la stragrande maggioranza delle applicazioni a basso costo non superano. La NXP, oltre ai circuiti integrati della famiglia LPC, col supporto di Embedded Artists ( produce diverse schede di sviluppo dal costo realmente contenuto che consentono di realizzare rapidamente un prototipo. Sulle schede è alloggiata anche l'interfaccia JTAG utile allo scambio di informazioni tra il uc e il PC, essenziali durante la fase di sviluppo del progetto non solo per la scrittura del codice nel micro, ma an che per il debug dello stesso. Come mostrato in Fig. 1, la scheda è pensata per essere divisa nelle due parti: una che contiene il target, il uc su cui si sta sviluppando il progetto, l'altra su cui si trova l'interfaccia verso il PC. Una volta che il progetto è concluso, la sezione che contiene il target può essere usata per il progetto vero e proprio mentre la metà relativa al JTAG può essere usata come interfaccia per un altro target. Fig. 1 Ogni scheda di sviluppo LPCXpresso è composta da due sezioni. Una in cui è presente il microcontrollore su cui basare il proprio progetto (target), l'altra l'interfaccia utile alla programmazione e il debug del micro durante la fase di sviluppo (LPC-Link). 3 di 58

4 Questo documento può essere considerato come una guida in cui saranno descritte diverse esercitazioni sia per l'hardware che per il software. Gli esperimenti si riferiscono alla scheda di sviluppo LPCXpresso-LPC1769, basata su core ARM Cortex-M3. Tuttavia la descrizione potrà facilmente adattarsi ad altri uc e a progetti di sistemi embedded in genere. I concetti esposti, seppur introduttivi, hanno carattere generale. Naturalmente, nel dettaglio ogni uc avrà le sue peculiarità e sarà necessario approfondire lo studio con i manuali tecnici del particolare dispositivo. Al termine delle esercitazioni, che per il limitato numero devono essere considerate come introduttive di un corso di progettazione di sistemi embedded, si saranno acquisite compe tenze sulle seguenti tematiche: programmazione dedicata a sistemi embedded progettazione elettronica lavorare con la breadboard per produrre semplici prototipi microcontrollori e interfacciamento tecniche avanzate di debug. Per lo sviluppo delle esercitazioni si assume una certa conoscenza di programmazione in linguaggio C ma non è richiesto che si sia degli esperti di programmazione. Tuttavia, per i più curiosi, sono disponibili in rete moltissimi riferimenti a test e siti che guidano in modo efficace il lettore verso gli argomenti sia di base che avanzati sulla programmazione. Per il linguaggio C un utile riferimento per cominciare può essere la risorsa open in lingua italiana: it.wikibooks.org/wiki/c o l'originale in lingua inglese. Il progettista di sistemi embedded deve avere una visione piuttosto ampia su diverse discipline che vanno dall'elettronica all'informatica, abbracciando conoscenze e competenze di: programmazione (linguaggio C, algoritmi, strutture di dati, sistemi di sviluppo, stili di programmazione, trattamento delle versioni, documentazione); programmazione rivolta a sistemi hardware e programmazione firmware (interrupt, gestione di periferiche mappate in memoria, tipi di memorie); dispositivi specifici (dettagli su microcontrollori, periferiche, interfacce digitali e analogiche, interfacce di comunicazione); programmazione applicata a sistemi (sistemi operativi real-time, interfacce utente, driver, data logging, strutture di boot-loading, metodologie di calibrazione e taratura, gestione delle configurazioni, protocolli di comunicazione, programmazione grafica, sicurezza); ambito applicativo del prodotto nell'ambiente per cui viene progettato. Quanto verrà svolto con le esercitazioni descritte nei capitoli di questo documento potrà costituire un primo passo verso i primi tre punti indicati. 4 di 58

5 Kit per gli esperimenti La serie di esperimenti che verranno svolti nelle esercitazioni di questo corso si basano su un kit con cui sarà possibile verificare l'interfacciamento del uc LPC1769 (NXP), che integra un core ARM Cortex-M3, verso dispositivi digitali o analogici esterni. Il kit per gli esperimenti descritti nei prossimi capitoli è stato pensato come una guida per cominciare ad imparare come realizzare semplici sistemi embedded. Le esperienze devono essere considerate di base ma costituiscono il lavoro di avvio per un personale approfondimento degli argomenti esposti e di quanti potranno essere ideati personalmente. I componenti di un kit possono essere: scheda di sviluppo LPCXpresso-LPC cavo USB LCD alfanumerico (32 caratteris su due righe) LED trimmer pulsanti in miniatura fotoresistore buzzer piezoelettrico transistor NPN bipolare encoder rotativo serie di resistori e condensatori breadboard con cavetti e ponticelli... Le diverse esercitazioni possono essere svolte assemblando i componenti sulla breadboard come indicato in figura. I componenti esterni possono essere sistemati sulla basetta senza avere la necessità di fare delle saldature. Le connessioni verso il uc LPC1769 della scheda LPCXpresso saranno realizzate con i ponticelli che si hanno a disposizione. La presa USB sulla scheda, oltre a permettere la comunicazione tra uc e computer durante le fasi di download e debug, consente di disporre di una tensione regolata a 3.3 V con cui alimentare i dispositivi disposti sulla breadboard. Il tool software per lo sviluppo dei progetti è l'ide (Integrated Development Environment) LPCXpresso che si basa su una toolchain opensource: IDE Eclipse (eclipse.org), compilatore C, linker, librerie e debugger GDB, tutti relativi al progetto GNU ( ll contenuto del kit è riassunto nella tabella seguente. 5 di 58

6 componente descrizione note Cod. produttore: NXP LPCXpresso LPC1769 De- OM13000 velopment Board Cod. produttore: Multicomp Cavo USB: spina USB 2.0 SPC20060 A, spina USB Mini B Cod. produttore: Samtec Presa 27 contatti, vertica- SLW T-S le, 2.54 mm (per scheda LPCXpresso) Cod. produttore: Multicomp Basetta per connessioni MCBB830 senza saldatura Cod. produttore: Multicomp Assortimento di cavi per MCBBJ65 connessioni Cod. produttore: Wisher Assortimento jumper per WJW60B breadboard di 58

7 Cod. produttore: Powertip Display alfanumerico a cri- PC1602ARS-CWA-A-Q stalli liquidi 16 caratteri, 2 righe Cod. produttore: SAMTEC Header, foro passante ver- TS-110-T-A ticale, 2.54mm, 10 contatti (per LCD) Trimmer 10kΩ (per LCD) Cod. produttore: Bourns 3386F-1-103TLF Switch, 2.54 mm Cod. produttore: Panasonic EVQ-11L05R LED verde, 3 mm Cod. produttore: Multicomp MCL514GD LED rosso, 5 mm (esempio) Cod. produttore: Multicomp MCL053SRT Trimmer 50kΩ Cod. produttore: Vishay M63M503KB30T di 58

8 Cod. produttore: Texas InTrasduttore di temperatura struments LM35DZ/NOPB LM Assortimento resistori 0.25 W: 1 kω ; 1.5 kω ; 10 kω ;... Condensatori poliestere o ceramici 100 nf Alimentazione 5 6 V Altro: Cod. produttore: ALPS Encoder rotativo, vertica- EC12E le, 12 mm, 24 posizioni Cod. produttore: Multicomp MCABT-411-RC Buzzer Fotoresistore Transistor NPN (es. BC546) PNP (es. BC556) DAC 12-bit, interf. SPI Cod. produttore: Microchip MCP4921-E/P di 58

9 Generalità sulle esperienze con la scheda LPCXpresso-LPC1769 Le esercitazioni descritte nei capitoli seguenti sono state ideate per il uc LPC1769 con core ARM Cortex-M3 e sono strutturate per massimizzare la curva di apprendimento di diversi concetti partendo dai più semplici per giungere a quelli un po' più complessi. Si raccomanda di seguire le esercitazioni consultando lo User Manual del uc specifico (UM10360) e il datasheet del uc LPC1769 entrambi disponibili sul sito di NXP. In alcuni casi sono forniti riferimenti utili al manuale per consentire un approfondimento dell'argomento. Inoltre, è fortemente raccomandato tenere sempre ben presente lo schema elettrico del sistema che si sta assemblando, nonché la documentazione dei dispositivi utilizzati. Ovviamente, è essenziale tenere ben presente anche la piedinatura della scheda di sviluppo LPCXpresso-LPC1769 per non commettere banali errori di connessione ed evitare di danneggiare irreparabilmente la scheda di sviluppo. Come mostrato nella figura qui sotto, sulle schede LPCXpresso-LPC1769 sono già stati saldati i connettori utili alle connessioni esterne verso i componenti montati su breadboard. La piedinatura di tali connettori è indicata nella figura della pagina successiva. Fig. 2 Su ogni scheda di sviluppo LPCXpresso sono montate due strip che consentono di collegare il uc a dispositivi esterni (montati su breadboard) 9 di 58

10 Fig. 2 Piedinatura dei connettori della scheda LPCXpresso 10 di 58

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