TP microcontrˆoleur 16 bits : MSP430

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TP microcontrˆ oleur 16 bits : MSP430

J.-M Friedt, 6 octobre 2008 Objectif de ce TP :

– pr´esentation GNU/Linux et commandes unix

– faire clignoter des diodes, exemples en C et assembleur – communication RS232, communication de données en ASCII – lecture avec un baud rate et communication avec un autre – communication SPI, accès à la carte SD

1 GNU/Linux

L’arborescence de GNU/Linux et comment s’y retrouver : dans l’ordre de priorité : – /est la racine de l’arborescence. Le séparateur entre répertoire sera toujours le/.

– /homecontient les répertoires des utilisateurs. Unix, et Linux en particulier, impose un confinement strict des fichiers de chaque utilisateur dans son répertoire. Seul l’administrateur (root) peut accéder aux fichiers du système en écriture : personne ne travaille jamais comme administrateur.

– /usrcontient les programmes locaux à un ordinateur : applications, entêtes de compilation (/usr/include), sources du système (/usr/src)

– /libcontient les librairies du syst`eme d’exploitation

– /proccontient des pseudo fichiers fournissant des informations sur la configuration et l’état du matériel et du système d’exploitation. Par exemple,cat /proc/cpuinfo.

– /etc contient les fichiers de configuration du système ou la configuration par défaut des logiciels utilisés par les utilisateurs en l’absence de fichier de configuration locale (par exemplecat /etc/profile).

– /bin contient les outils du système accessibles aux utilisateurs et /sbin contient les outils du systèmes qu’a prioriseul l’administrateur a à utiliser.

Les commandes de base :

– ls: list, afficher le contenu d’un r´epertoire

– mv: move, d´eplacer ou renommer un fichier.mv source dest

– cd: change directory, se d´eplacer dans l’arborescence. Pour remonter dans l’aroborescence : cd ..

– rm: remove, effacer un fichier

– cp: copy, copier un fichier.cp source destAfin de copier un r´epertoire et son contenu, cp -r repertoire destination.

– cat: afficher le contenu d’un fichier.cat fichier

– man, manuel, est la commnde la plus importante sous Unix, qui donne la liste des options et le mode d’emploi de chaque commande.

Afin de remonter dans l’historique, utiliser SHIFT+PgUp. Toute commande est lancée en tâche de fond lorsqu’elle est terminée par&.

L’interface graphique est une surcouche qui ralentit le système d’exploitation et occupe des ressources, mais peut parfois faciliter la vie en proposant de travailler dans plusieurs fenêtres simultanément. Elle se lance au moyen destartx.

Parmi les outils mis à disposition, un éditeur de texte (scite), un clone opensource de matlab nomméoctave, un outil pour tracer des courbes (gnuplot), affichage des fichiers au format PDF par xpdf, un gestionnaire de fichiers (pcmanfm).

La liste des modules noyaux (équivalent des drivers, chargés de réaliser l’interface logicielle entre le noyau Linux et l’espace utilisateur) s’obtient par/sbin/lsmod.

2 Premier pas avec gcc

Dans un ´editeur de texte (scite), tapper le programme suivant :

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main() {printf("hello world %d\n",getpid());}

Nous n’utiliserons pas d’environnement intégré de développement (IDE) : un éditeur de texte sert à entrer son programme, et une fenêtre de commande (xtermou Termial) servira à la compilation.

Une fois le programme tappé, sauver dans un fichierexemple1.c et compiler dans un terminal en entrant la ligne de commande : gcc -o exemple1 exemple1.c (compiler le programme C exemple1.c résultant en l’exécutableexemple1).

Exercice :ex´ecuter le programme par./exemple1.

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3 Premier pas sur MSP430

L’exemple précédent était une compilation de programme : l’architecture sur laquelle le programme sera exécuté est la même que celle sur laquelle le progamme est compilé (ici, Intel x86).

Nous allons désormais compiler des programmes à destination du microcontôleur : il s’agit decross-compilation.

Vservo

"JTAG"

USB DVCC1P6.3/A32P6.4/A43P6.5/A54P6.6/A65P6.7/A76VREF+7XIN8XOUT/TCLK9VEREF+10VEREF-11P1.0/TACLK12P1.1/TA013P1.2/TA114P1.3/TA215P1.4/SMCLK16

P1.5/TA0 17

P1.6/TA1 18

P1.7/TA2 19

P2.0/ACLK 20

P2.1/TAINCLK 21

P2.2/CAOUT/TA0 22

P2.3/CA0/TA1 23

P2.4/CA1/TA2 24

P2.5/ROSC 25

P2.6/ADC12CLK 26

P2.7/TA0 27

P3.0/STE0 28

P3.1/SIMO0 29

P3.2/SOMI0 30

P3.3/UCLK 31

P3.4/UTXD0 32

P3.5/URXD033 P3.6/UTXD134 P3.7/URXD135 P4.0/TB036 P4.1/TB137 P4.2/TB238 P4.3/TB339 P4.4/TB440 P4.5/TB541 P4.6/TB642 P4.7/TBCLK43 P5.0/STE144 P5.1/SIMO145 P5.2/SOMI146 P5.3/UCLK147 P5.4/MCLK48 P5.5/SMCLKP5.6/ALK 4950 P5.7/TBOUTH!RST/NMIXT2OUTTDO/TDIP6.2/A2P6.0/A0P6.1/A1XT2INAVSSDVSSAVCCTMSTCKTDI 5152535455565758596061626364

12 34 56 78

JP4

R8

C9

C1

C10

C13 C14 R14

C35

C36

C11C12

A1B2 C13

IC3AA8B9 C6

IC3C

7 14^VDD IC3P^VSS

LED5LED6

D3

3V3OUT 17

USBDM 16

USBDP 15

_RESET 19

27 OSCI

28 OSCO

GND17 GND218 GND321 TXD 1 RXD 5 _RTS 3 _CTS 11 _DTR 2 _DSR 9 _DCD 10

_RI 6

CBUS0 23 CBUS1 22 CBUS2 13 CBUS3 14 CBUS4 12

VCCIO4

AGND25

26 TEST

VCC20

IC5 CS 1

DI 2

GND 3

VCC 4 SCK 5 GND1 6 DO 7 IRQ 8

WP WP

CD CD

SW SW

SHIELD 14

D+

D- VBUS GND

R1

21

Q1

Q3

R4

R5

1 2

JP1 1 2

JP2

GATE1 2 GATE2 7

GND3

4 IN1 5 IN2

VCC6 IC2

Q2 D

S GQ4

D S G

SHDN/

5

2 LBI

LBO/ 3 4 REF

FB1

LX 7 OUT 8

GND6

IC4

C2

L1R2

1 2 3 JP3

1 2 3 JP5

1 2

JP7

1 2

JP6 1

2 3 4 5

MPS_RST

VDD

VDD VDD

GND

GND TDI TCLKTCK TDOTMS

ONOFF1

ONOFF2

VSERIE VSERIE

3.3

SHOOT2 SHOOT1

CSVCC_SDSCK MOSI

MISO

4.0MHz xtal 3k

VDD

100n 1n

GND

1n

GND

VDD

10k

VDD

100nf

>22uF

GND

4066D

VDD GND 4k7

2k

2k LTC1157

GND 2N3819

2N3819

MAX1674

GND GND GND

Le MSP430¹possède 16 registres dont 4 sont occupés pour des fonctions spécifiques (notamment R1=stack pointer: il reste donc 12 registres disponibles pour notre programme, R4-R15).

XOR 0 0 1

1

1 0

#include <signal.h>

#include <io.h>

#define SEC R13

.global main main:

RESET: MOV.W #0x280,R1

MOV.w #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL ; Stop Watchdog Timer MOV #0x0,&P1OUT

MOV #0x0,&P1SEL ; p.9-4: P1_1 is TA, NOT GPIO MOV #0xFF,&P1DIR

MOV #0,&P1IES ; jmf

MOV #0,&P1IE ; jmf

Mainloop:

xor.b #0xff,&P1OUT call #delai jmp Mainloop delai:

mov.w #0x4fff,R7 attend: dec R7

jnz attend ret

1focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f149.pdfethttp://focus.ti.com/lit/ug/slau049f/slau049f.pdf

(3)

Compilation du programme :

msp430-gcc -Os -mmcu=msp430x149 -D_GNU_ASSEMBLER_ -o sortie.elf entree.S pour g´en´erer le listing correspondant :

msp430-objdump -dSt led.elf > led.lst

et la liste d’instructions au format hexad´ecimal Intel `a partir du fichier ELF : msp430-objcopy -O ihex led.elf led.hex

Rappel :gcc -Sarrête la compilation à la génération de l’assembleur (fichier .s),gcc -oarrête la compilation

`

a la g´en´eration des objets (avant le linker).

Chaque port d’entrée sortie nécessite de définir :

– la fonction de chaque broche avec le registre PxSEL : 0 pour du GPIO, 1 pour la fonction sp´ecifique – la direction du port dans PxDIR : 0 pour une entr´ee, 1 pour une sortie

– le niveau de la broche, 1 pour un niveau haut (3,3 V) et 0 pour le niveau bas (masse)

Exercices

1. o`u se trouve la pile dans cet exemple ?

2. combien de donn´ees pouvons nous placer au maximum sur la pile ?

3. proposer une alternative à l’opérateur XOR pour atteindre le même résultat.

Les ports du MSP430 sont capables d’absorber ou fournir la vingtaine de milliampères nécessaires à alimenter une LED.

Cet exemple exploite la fonction XOR pour p´eriodiquement changer l’´etat du port et donc allumer ou

´

eteindre la diode qui y est connect´ee.

Le mˆeme r´esultat s’obtient en C par :

#include <msp430x14x.h>

#include <io.h>

main (void) {volatile int i;

P1OUT=0x00;

P1SEL=0x00;

P1DIR=0xFF;

P1IES=0;

P1IE=0;

while (1) {

P1OUT^=0xFF;

for (i=0x3FFF;i>0;i--) {}

} }

Compilation du programme :

msp430-gcc -Os -mmcu=msp430x149 -o led led.c Exercices :

– visualiser le code assembleur généré

– comment est initialis´e le pointeur de pile ? commenter ce choix.

– comparer l’efficacité du code C par rapport au code assembleur, à fonctionnalités égales, proposé plus haut.

4 Communiquer par RS232

Initialisation d’un port s´erie : pour le port 0,

SetupUART0: mov.b #SWRST,&UCTL0 ; cf p.13-4

bis.b #CHAR,&UCTL0 ; 8-bit characters: 13-22 mov.b #SSEL0,&UTCTL0 ; UCLK = ACLK @ 32768 Hz mov.b #0x03,&UBR00 ;

mov.b #0x00,&UBR10 ; cf p.13-16: 9600 bauds +/- 15%

mov.b #0x4A,&UMCTL0 ; bic.b #SWRST,&UCTL0

(4)

bis.b #UTXE0+URXE0,&ME1 ; Enable USART0 TXD/RXD ret

ou pour le port 1 :

SetupUART1: mov.b #SWRST,&UCTL1 ; cf p.13-4 bis.b #CHAR,&UCTL1

mov.b #SSEL0,&UTCTL1 mov.b #0x03,&UBR01 mov.b #0x00,&UBR11 mov.b #0x4A,&UMCTL1 bic.b #SWRST,&UCTL1 bis.b #UTXE1+URXE1,&ME2 ret

Une fois le port initialisé, la communication de données se fait en émission par :

rs_tx: ;bit.b #UTXIFG0,&IFG1 ; p.13-29: UTXIFG0 set if U0TXBUF empty

;jz rs_tx

;mov.b tmp,&TXBUF0 ; bit.b #UTXIFG1,&IFG2

jz rs_tx

mov.b tmp,&TXBUF1 ; ret

ou en r´eception :

rs_rx:

; bit.b #URXIFG0,&IFG1 ; p.13-29: UTXIFG0 set if U0TXBUF empty bit.b #URXIFG1,&IFG2 ; p.13-29: UTXIFG0 set if U0TXBUF empty

jz rsrx ; pas de char recu

fin_rsrx:

; mov.b &RXBUF0,tmp mov.b &RXBUF1,tmp ret

Côté PC, la communication par port série se fait au moyen de minicom : CTRL A-O pour définir le port (/dev/ttyUSB0) et le contrôle de flux (ni matériel, ni logiciel).CTRL A-Ppour définir la vitesse (ici 9600 bauds, N81).

Exercices :

1. émettre en continu la valeur binaire correspondant au caractère ’A’, 0x41 ou 65 en décimal.

2. envoyer une valeur hexad´ecimale (par exemple 0x55 et 0xAA) en ASCII 3. envoyer une valeur en d´ecimal (par exemple 250) en ASCII

4. lire une caract`ere et le retranscrire

5. lire dans un baud rate (4800 N81) sur un port et ´ecrire dans un autre (9600 N81) sur l’autre port 6. dans le programme en C faisant clignoter les diodes, ajouter une fonction pour visualiser le contenu de

la pile et son évolution au cours de l’exécution du programme. Il s’agit d’une fonctionnalité de base des debuggers.

5 Lire une valeur analogique

Pour lancer une conversion analogique-num´erique :

SetupADC12: ; book C. Nagy p.90 Vtemp=0.00355(T_C)+0.986

mov.w #SHT0_6+SHT1_6+REFON+ADC12ON,&ADC12CTL0 ; V_REF=1.5 V mov.w #SHP,&ADC12CTL1

mov.b #INCH_10+SREF_1,&ADC12MCTL0 ; p.17-11: single conversion bis.w #ENC+ADC12SC,&ADC12CTL0 ; MUST be .w jmfriedt adc: bit.b #1,&ADC12CTL1 ; wait while ADC busy==1

jnz adc

mov.w &ADC12MEM0,tmp ; conversion result ret

Le canal 10 (INCH 10) est un cas particulier : il s’agit d’une sonde interne de temp´erature.

Exercice :

lire la température et la tranmettre sous forme hexadécimale (caractères ASCII) sur le port série.

(5)

La conversion s’obtient par (User Manual p.17-16) parVT emp= 0,00355×T empdegC+0,986. Nous observons expérimentalement un décallage entre la température et la valeur du microcontrôleur qu’il semble nécessaire de calibrer pour chaque nouveau composant.

En C :

unsigned int IntDegC;

ADC12CTL0=SHT0_6+SHT1_6+REFON+ADC12ON; // V_REF=1.5 V ADC12CTL1=SHP;

ADC12MCTL0=INCH_10+SREF_1; // p.17-11: single conversion for (j=0;j<16;j++) {

ADC12CTL0 |= ENC+ADC12SC;

do {} while ((ADC12CTL1&1)==1);

IntDegC += (ADC12MEM0);

}

IntDegC/=16;

6 Interruption timer

Un gestionnaire d’interruption se d´efinit par

interrupt(TIMERA0_VECTOR) ;register interrupt vector

.global CCR0INT ;place a label afterwards so

CCR0INT:

RETI ;

Ici l’interruption correspondant au timer A est activée chaque fois que le timer atteint une valeur prédéfinie :

setupTA: MOV #TASSEL0+TACLR, &TACTL ; ACLK for Timer_A.

BIS #CCIE,&CCTL0 ; Enable CCR0 interrupt.

MOV #0x7FFF,&CCR0 ; load CCR0 with 32,767.

BIS #MC0,&TACTL ; start TA in "up to CCR0" mode

Dans cet exemple, le timer A est initialisé à 0x7FFF=32767. Le timer étant cadencé par un quartz horloger

`

a 2¹⁵ Hz, l’interruption est activ´ee chaque seconde.

Une utilisation très utile du timer est la sortie périodique du mode veille dans lequel on place le micro- contrôleur afin d’économiser l’énergie.

Exercices :

1. exploiter une interruption timer pour faire clignoter une diode à fréquence précisément déterminée depuis la fréquence du résonateur à quartz

2. écrire une fonction d’horloge temps-réelle capable d’afficher le temps en secondes et minutes 3. utiliser une représentation en BCD au lieu de binaire.

Afin d’effectuer une somme en BCD :

Clock: SETC ; Set Carry bit.

DADC.b SEC ; Increment seconds decimally CMP.b #0x60,SEC ; One minute elapsed?

JLO Clockend ; No, return

CLR.b SEC ; Yes, clear seconds

DADC.b MIN ; Increment minutes decimally CMP.b #0x60,MIN ; Sixty minutes elapsed?

CLR.b MIN ; yes, clear minutes

DADC.b HR ; Increment Hours decimally CMP.b #0x24,HR ; 24 hours elapsed?

CLR.b HR ; yes, clear hours

Clockend: RET ;

7 Exemples en C

La programmation en C sur microcontrôleur se résume en grande partie à une syntaxe plus compacte mais une connaissance détaillée du fonctionnement du matériel et de la fonction de chaque bit de chaque registre reste nécessaire.

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#include "hardware.h"

#include <signal.h>

void delay(unsigned int d) { int i; for (i = 0; i<d; i++) { nop(); nop(); } } int test=0;

int main(void) {

int sec=0,min=0,hr=0;

WDTCTL = WDTCTL_INIT; //Init watchdog timer P1OUT = P1OUT_INIT; //Init output data of port1

P1SEL = P1SEL_INIT; //Select port or module -function on port1 P1DIR = P1DIR_INIT; //Init port direction register of port1 P1IES = P1IES_INIT; //init port interrupts

P1IE = P1IE_INIT;

/*

while (1) {

P1OUT ^= 0xff; delay(0x4fff);

}

*/

TACTL = TASSEL0+TACLR;

//CCTL0 |= CCIE; // 0x10 asm("BIS #0x10,&0x0162");

CCR0 = 0x7FFF;

//TACTL |= MC0; // 0x10 asm("BIS #0x10,&0x0160");

eint();

while (1)

{// asm("bis #208, r2\n");

sec++;

if (sec>59) {min++;sec=0;}

if (min>59) {hr++;min=0;}

if (hr>23) hr=0;

P1OUT = 0xff;

do {asm("nop");} while ((TACTL&0x01)==0x00);

P1OUT = 0x00; delay(0x4fff);

test=0;

} }

interrupt(TIMERA0_VECTOR) isr() {test=1;}

Exercices :

1. faire clignoter une diode avec un d´elai (programme en C)

2. faire clignoter une diode avec une interruption timer (programme en C) 3. communiquer sur le port RS232 (programme en C)

8 Acc` es carte m´ emoire

Les microcontrôleurs 8 et 16 bits ne fournissent pas une puissance de calcul importante mais sont capable d’effectuer un certain nombre d’opérations simples telles qu’asservissements et acquisitions de données. Dans tous les cas, par soucis de contrôlea posterioriou de dupliquer en local les données transmises en temps réel, les applications de ces microcontrôleurs sont étendues par la possibilité de stocker ces informations sur un support peu coûteux et consommant peu de courant en mode veille (Fig. 2). Nous nous proposons d’étudier le stockage d’informations sur cartes mémoires de type MutliMediaCard (MMC) ou Secure Digital (SD).

Afin de gagner du temps, nous ne détaillerons pas le protocole d’initialisation et de communication d’une carte SD : nous utiliserons une librairie mise à disposition par son auteur pour conserver et relire des données sur support de stockage de masse non volatile². L’utilisation d’une librairie opensource ne prive cependant pas d’en lire le contenu en vue d’en comprendre le fonctionnement.

Les cartes SD fonctionnent en deux mode : le mode natif, rapide et supportant l’encryption des donn´ees, et le mode SPI, plus lent mais facilement accessible depuis n’importe quel microcontrˆoleur. Nous utiliserons ce second mode, dans lequel seules 4 broches sont utiles (fig. 1).

2http://www.true-random.com/homepage/projects/msp430 mmc/

(7)

1 = CS 2= MOSI 3=GND 5=CK 6=GND 7=MISO 4=Vcc=3,3 V

1 2 3 4 5 6 7 8 9

8,9 : NC (SD)

Fig.1 – Assignation des broches d’une carte SD. Les broches 8 et 9 n’existent pas dans les cartes MMC, qui fonctionnent sinon de la mˆeme fa¸con.

Après initialisation parif (initMMC() == MMC SUCCESS), deux commandes de base nous servent à écrire (mmcWriteBlock(adresse)) et lire (mmcReadBlock(adresse, taille)) des données sur la carte. Il s’agit d’écritures non-formatées : la carte n’est pas lisible depuis un PC qui s’attend à trouver un système de fichier. Toute transaction sur une carte SD se fait par blocs de 512 octets (tableaummc buffer). Les informations ne sont pas stockées en zone non-volatile tant que l’acquittement d’écriture n’est pas émis : lors des acquisitions lentes, une partie de la dernière séquence d’acquisitions pourra être perdue lors de la mise hors tension du circuit.

Afin de compiler notre programmeprogramme.c avec les librairies d’acc`es `a la carte SD : msp430-gcc -mmcu=msp430x149 -o sd.elf test_jmf.c led.o mmc.o

Pour programmer et voir imm´ediatement le r´esultat :

msp430-jtag -e sd.elf && stty -F /dev/ttyUSB0 9600 && cat < /dev/ttyUSB0

Exercices :

– valider quelques fonctions de debuggage dont nous devons ˆetre certain du bon fonctionnement : allu- mage/extinction des diodes, transmission de donn´ees en RS232

– écrire dans un bloc de la carte SD une série de valeurs, réinitialiser le tableau de caractères et lire les valeurs stockées. Vérifier qu’il s’agit des valeurs écrites.

– écrire et relire sur plusieurs blocs mémoire. Attention : les adresses doiventtoujoursêtre multiples de 512.

– écrire des valeurs issues de la conversion analogique-numérique ou de la lecture d’un port série. Que se passe-t-il lors du passage d’un bloc de la carte SD au suivant ?

Pour aller plus loin : implémenter un système de fichier qui permette la relecture des informations stockées sur la carte depuis un PC (FAT16).

47.225 47.23 47.235 47.24 47.245 47.25

6.014 6.016 6.018 6.02 6.022 6.024 6.026 6.028 6.03 6.032 6.034 6.036

latitude (deg.)

longitude (deg.)

"080920_msp430.asc" u 1:2

6.014 6.016 6.018 6.02 6.022 6.024 6.026 6.028 6.03 6.032 6.034 6.036

47.225 47.23 47.235 47.24 47.245 47.25 250

300 350 altitude (m) 400

"080920_msp430.asc" u 1:2:3

longitude (deg.)

latitude (deg.) altitude (m)

Fig. 2 – Exemple d’acquisition de trames GPS avec une fr´equence de 1 Hz, et restitution du trac´e en 2D (gauche) et 3D (droite) sousgnuplot.

(8)

Afficher des donn´ ees

Deux outils sont mis `a disposition pour afficher des courbes : gnuplotetoctave³. gnuplotaffiche des courbes lus dans des fichiers :

plot "fichier"

on peut préciser les colonnes à afficher, l’axe des abscisses et ordonnées... : plot "fichier" using 2:3 with lines

pour utiliser la seconde colonne comme abscisse et la troisième colonne comme ordonnée, les points étant reliés par des lignes.help plotpour toutes les options.

octaveest une version opensource de Matlab et en reprend toutes les syntaxes. Seule fonctionnalité nouvelle qui nous sera utile ici : octavepeut lire des données au format hexadécimaal :

f=fopen("fichier","r");d=fscanf("%x");fclose(d);

La variabledcontient alors les informations qui étaient stockées dans le fichierfichierau format hexadécimal.

Si le fichier contenaitNlignes, les donn´ees sont lues par colonne et les informations d’une colonne donn´ee d’ob- tiennent par d(1 :N :length(d)).

3Pour une description plus exaustive des fonctionnalit´es degnuplotetoctave, on pourra consulterhttp://jmfriedt.free.fr/

lm octave.pdf.