モータ制御のためのTIM/ADC設定(STM32・コード記述編)

前回はCubeMXでの設定をしました。

今回はこちらの設定をCubeMXで吐いたコードを編集します。

①CubeIDEプロジェクトの作成

こちらの手順にしたがい、CubeIDEで開発できる環境を整えてください。
またC++を利用して記述するため、C++に対応できるようにMakefileを編集してください。

編集箇所が多いので、抜けていたり、環境がイタズラしたりと、うまく行かないことがあると思います。
そのようなときのために、編集済み・確認済みのgitを用意しておきましたので、こちらを利用してください。

https://github.com/YutakaNakamura/G431_MC_Proj/tree/LED_UART_Check

②Main.cppを記述
以下のように、int main()を適当に編集します。

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */
  

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_LPUART1_UART_Init();
  MX_ADC1_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_ADC2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  if (HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
  {
   Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
  {
   Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3) != HAL_OK)
  {
   Error_Handler();
  }

  //disableにすれば出力されない
  if (HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_4) != HAL_OK)
  {
   Error_Handler();
  }

  TIM1 -> PSC = 17000;
  TIM1 -> ARR = 10000;
  TIM1 -> CCR1 = 7500;
  TIM1 -> CCR2 = 5000;
  TIM1 -> CCR3 = 2500;
  TIM1 -> CCR4 = 9990;

  HAL_ADCEx_InjectedStart_IT(&hadc1);

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  mySqrt<float> msqrt(0.1f);

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	  char buf[] = "USART TEST\r\n";
	  HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t*)buf, sizeof(buf), 1000);

	  float sqrt5 = msqrt.Calc(5.0f);
	  int delay = 100 * sqrt5;
	  HAL_Delay(delay);
	  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
	  HAL_Delay(delay);
	  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

MX_TIM1_Init();
でCubeMXで指定したタイマの設定がされます。
MX_ADC1_Init();
でCubeMXで指定したADCの設定がされます。

これらは内部でレジスタを設定しています。
Ctrl+関数をクリック してジャンプしていくと、いずれはレジスタを叩いている場所に飛べるはずです。

HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1)
でTIM1のCH1のPWMを出力します。

TIM1 -> PSC = 17000;
TIM1 -> ARR = 10000;
TIM1 -> CCR1 = 7500;
TIM1 -> CCR2 = 5000;
TIM1 -> CCR3 = 2500;
TIM1 -> CCR4 = 9990;
ではレジスタを直叩きします。それぞれの意味は以下の通りです。
プリスケーラを17000 (170MHzのクロックを、10KHzまで分周します)
TIM1のカウンターを10000に設定。(10000でリセットがかかる)
CH1の閾値を7500に設定。
CH2の閾値を5000に設定。
CH3の閾値を2500に設定。
CH4の閾値を9990に設定。

ちなみにこのPWMのDutyを編集するのに、レジスタ直叩きの他に、
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, 7500);
WRITE_REG(TIM1->CCR1, 7500);
などがありますが、全部同値です。マクロ仲介してわかりにくくなってるだけなので、直叩きしています。
また、HALの構造体を再度宣言して、HAL_TIM_PWM_ConfigChannel()関数を叩く手法もありますが、こちらは処理時間的に勿体ないので使いません。

これをコピペをするだけだと、
mySqrt<float> msqrt(0.1f);の定義で詰まって動かないと思いますが、
class mySqrtの宣言・定義は前回のcppに対応する記事を見てください

②stm32g4xx_it.cを記述
こちらにADCの終了割り込み時の動作を記述します。
別に他の所に関数を書いてもいいのですが、今回はお試しなのでここに全部書いちゃいます。
void ADC1_2_IRQHandler(void)内に書いていきます。
内部でUSARTでの出力処理を行うため、#include “usart.h”が必要になります。

/******************************************************************************/
/* STM32G4xx Peripheral Interrupt Handlers                                    */
/* Add here the Interrupt Handlers for the used peripherals.                  */
/* For the available peripheral interrupt handler names,                      */
/* please refer to the startup file (startup_stm32g4xx.s).                    */
/******************************************************************************/

#include "usart.h"
/**
  * @brief This function handles ADC1 and ADC2 global interrupt.
  */
void ADC1_2_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN ADC1_2_IRQn 0 */

	  char buf[] = "■ADC interrupt\r\n";
	  HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t*)buf, sizeof(buf), 1000);

	  volatile int adc1 = ADC1 -> JDR1;
	  volatile int adc2 = ADC1 -> JDR2;
	  volatile int adc3 = ADC1 -> JDR3;

	  char str[100] = {0};

	  sprintf(str,"adc1:%d, adc2:%d, adc3:%d\r\n",adc1,adc2,adc3);
	  HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t*)str, sizeof(str), 1000);

  /* USER CODE END ADC1_2_IRQn 0 */
  HAL_ADC_IRQHandler(&hadc1);
  HAL_ADC_IRQHandler(&hadc2);
  /* USER CODE BEGIN ADC1_2_IRQn 1 */

  /* USER CODE END ADC1_2_IRQn 1 */
}

ADCの動作が終了したタイミングで、こちらが呼ばれて、USARTでADCの入力値を返します。

volatile int adc1 = ADC1 -> JDR1;
volatile int adc2 = ADC1 -> JDR2;
volatile int adc3 = ADC1 -> JDR3;

 

こちらがADCの値が格納されているレジスタです。
レジスタを叩くときには、最適化を防止するためvolatileをつけることが肝心です。

修正は以上です。
マイコンに書き込んでみると次のようになります。

また、UARTの出力を見てみると、次のようになります。

これらから、目的のタイミングで動作していることがわかりました。
以上で全説明は終了です。

今回作成したものは以下から取得できます。

https://github.com/YutakaNakamura/G431_MC_Proj/tree/LED_UART_Check

モータ制御のためのTIM/ADC設定(STM32・CubeMX編)

①概要

モータ制御をするためには、PWMを出力するだけではなく、ADCで適切なタイミングで状態を読み取る必要があります。
(適当な電圧出力だけでも回りはしますが、”それはモータ制御なのか?…”と問われると違うと思います。)

一例として、以下の画像のようなタイミングで動作させることが、今回の目標です。

画像を説明すると、TIMを利用して、75%,50%,25% DutyのPWMと、100%タイミングで、
ADC用のトリガ信号を出力します。また、このトリガ信号を利用して、ADCを動かしてみます。
“なぜこのタイミングでADCを動作させるか”というと実際の(3シャント方式電流検出の)モータドライバの回路は以下のようになっています。

モータから流れる電流が、橙の丸で囲ったシャント抵抗に流れる電流を測定するには、ローサイド側のMOSFETが下がっている時しか(流れないので)検出できないのです。
そのため、確実にFETがOFFになるタイマ100%時にADCを動作させます。

以下が今回執筆時環境です。

IDE
STM32CubeIDE
Version: 1.2.0
Build: 5034_20200108_0926 (UTC)

CubeMX
Version: 5.4.0

Board
NUCLEO-G431RB

②PWM設定

次のようにPWMを設定します。

TIM1 Mode and Configuration – Mode
Channel1 PWM Generation CH1
Channel2 PWM Generation CH2
Channel3 PWM Generation CH3
Channel4 PWM Generation CH4
と設定していきます。

TIM1 Mode and Configuration – Configuration – Parameter Setting
Counter Setting
  Counter Mode Center Aligned mode 1
Trigger Output(TRGO) Parameters
  Trigger Event Selection TRGO Update Event
  Trigger Event Selection TRGO2 Output Compare(OC4REF)
と設定していきます。

今回は設定しませんでしたが、Prescalerに値を設定するとカウントを分周します。
≒カウント動作が遅くなります。

Counter Period がカウント周期です。
本来はここに10000などの値を設定しますが肝心な箇所なので、
こんなコーダーに任せるよりも自分でソース内に記述したほうがいいよね???
の精神で、今回は後で触ります。

Center Aligned mode1を選ぶことによって、は山のようなカウンタの動作をします。 
(本記事の一番上の画像・Tim Counter参照)

TRGOの設定は、TRGO2にCH4のカウンタ値との比較の出力を出します。
このTRGO2を利用して、今回はADCを動かしていきます。

Break And Dead Time management – BRK Configuration
  設定無し
Break And Dead Time management – BRK2 Configuration
  設定無し
Break And Dead Time management – Output Configuration
  設定無し
Clear Input
  設定無し
Pulse On Compare ( Common for Channel 3 and 4)
  設定無し

PWM Generation Channel 1
  Mode PWM mode 1
PWM Generation Channel 2
  Mode PWM mode 1
PWM Generation Channel 3
  Mode PWM mode 1
PWM Generation Channel 4
  Mode PWM mode 2

PWM Generation ChannelのPulseには、数値を入れることで、TIMのカウントと比較して、カウントよりもPulseの値が大きいときは出力をONにします。
PWM mode2にすることで負論理になります。

こちらも、Counter Periodと同様、ソース内で変更します。覚えておいてください。

TIM1 Mode and Configuration – Configuration – NVIC Setting
すべてにチェックをいれます。

割り込みの設定です。とりあえず使わなくても特に損しないのでチェックを入れておきます。

以上がPWM設定です。次にADCの設定に移ります。

③ADC設定

次のように設定します。

ADC1 Mode and Configuration – Mode
IN1 IN1 Single-ended
IN7 IN7 Single-ended
IN6 IN6 Single-ended

と設定していきます。
図中では、IN2,IN12にもSingle-endedで使っていますが、モータの電流測定は上記3種の予定で、実際には以下のものを観測することを想定しております。
IN1 – モータU相電流
IN7 – モータV相電流
IN6 – モータW相電流
IN2 – VBUS電圧
IN12 – ポテンショメータ出力
(ADC2) IN8 – IC温度出力

なので、今回は駆動用の電流検出のみに目をむけて、ADC1のIN1,7,6のみ説明致します。

ADC1 Mode and Configuration – Configuration – Parameter Settings
ADCs_Common_Settings ~ ADC_Regular_ConversionMode
  設定無し
ADC_Injected_ConversionMode
Enable Injected Conversions Enable
Number Of Conversions 3
External Trigger Source Timer 1 Trigger Out event 2
External Trigger Conversion Edge Trigger detection on the rising edge
Rank 1 Channel Channel 1
Rank 2 Channel Channel 7
Rank 3 Channel Channel 6

とりあえず設定項目が非常に多いので、大切な事だけ書きました。
Injected_ConversionModeは割り込み要求用のADC設定です。
Timer1のTRGO2から、立ち上がりエッジで割り込みがかかり、Ch1,Ch7,Ch6の順に変換します。

この3チャンネルだけはこのようにタイマに連動した割り込みの設定が必要ですが、他のチャンネルはRegular_ConversionModeなどに入れて、適当に使えばよいです。

ADC1 Mode and Configuration – Configuration – NVIC Settings
チェックをいれます。

以上が、ADCの設定の説明でした。
あとは自分が使いたいものを増やしたりして、コードを生成すれば良いです。

コード記述編へ続く。

MakefileをC++に対応させる

前回、Makefileでのビルドを使ってLチカをしました。

しかし、MakefileがC++でのビルドに対応していないので、cppファイルがあると読み込めません。

少し変更してC++に対応させましたので、ここに残しておきます。
makefileを以下のように編集します。

######################################
# target
######################################
TARGET = G431RBMakeProj

######################################
# building variables
######################################
# debug build?
DEBUG = 1
# optimization
OPT = -Og
#OPT = -O0

#######################################
# paths
#######################################
# Build path
#BUILD_DIR = build
ifeq ($(DEBUG), 1)
BUILD_DIR = Debug
endif
######################################
# source
######################################
# C sources
C_SOURCES = \
$(wildcard Src/*.c) \
$(filter-out Drivers/STM32G4xx_HAL_Driver/Src/stm32g4xx_hal_msp_template.c \
			Drivers/STM32G4xx_HAL_Driver/Src/stm32g4xx_hal_timebase_tim_template.c,\
			 $(wildcard Drivers/STM32G4xx_HAL_Driver/Src/*.c)) \ #Driverからは使用例のtemplateファイルを除く
			 
# CPP sources
CPP_SOURCES = \
$(wildcard Src/*.cpp) \

# ASM sources
ASM_SOURCES =  \
startup_stm32g431xx.s

#######################################
# binaries
#######################################
PREFIX = arm-none-eabi-
# The gcc compiler bin path can be either defined in make command via GCC_PATH variable (> make GCC_PATH=xxx)
# either it can be added to the PATH environment variable.
ifdef GCC_PATH
CC = $(GCC_PATH)/$(PREFIX)gcc
CXX = $(GCC_PATH)/$(PREFIX)g++	#cpp
AS = $(GCC_PATH)/$(PREFIX)gcc -x assembler-with-cpp
CP = $(GCC_PATH)/$(PREFIX)objcopy
SZ = $(GCC_PATH)/$(PREFIX)size
else
CC = $(PREFIX)gcc
CXX = $(PREFIX)g++	#cpp
AS = $(PREFIX)gcc -x assembler-with-cpp
CP = $(PREFIX)objcopy
SZ = $(PREFIX)size
endif
HEX = $(CP) -O ihex
BIN = $(CP) -O binary -S
 
#######################################
# CFLAGS
#######################################
# cpu
CPU = -mcpu=cortex-m4

# fpu
FPU = -mfpu=fpv4-sp-d16

# float-abi
FLOAT-ABI = -mfloat-abi=hard

# mcu
MCU = $(CPU) -mthumb $(FPU) $(FLOAT-ABI)

# macros for gcc

# C defines
C_DEFS =  \
-DUSE_HAL_DRIVER \
-DSTM32G431xx \
'-D__weak=__attribute__((weak))' \
'-D__packed=__attribute__((__packed__))'
# C++ defines
CPP_DEFS = $(C_DEFS)
# AS defines
AS_DEFS = 


# C includes
C_INCLUDES =  \
-IInc \
-IDrivers/STM32G4xx_HAL_Driver/Inc \
-IDrivers/STM32G4xx_HAL_Driver/Inc/Legacy \
-IDrivers/CMSIS/Device/ST/STM32G4xx/Include \
-IDrivers/CMSIS/Include
# C++ includes
CPP_INCLUDES = $(C_INCLUDES)
CPP_INCLUDES += \
# AS includes
AS_INCLUDES = 

# compile gcc flags # compile g++ flags
CFLAGS = $(MCU) $(C_DEFS) $(C_INCLUDES) $(OPT) -Wall -fdata-sections -ffunction-sections
CPPFLAGS = $(MCU) $(CPP_DEFS) $(CPP_INCLUDES) $(OPT) -Wall -fdata-sections -ffunction-sections
ASFLAGS = $(MCU) $(AS_DEFS) $(AS_INCLUDES) $(OPT) -Wall -fdata-sections -ffunction-sections

ifeq ($(DEBUG), 1)
#CFLAGS += -g -gdwarf-2
CFLAGS += -g3 -O0 -gdwarf-2
#CPPFLAGS += -g -gdwarf-2
CPPFLAGS += -g3 -O0 -gdwarf-2
endif


# Generate dependency information
CFLAGS += -MMD -MP -MF"$(@:%.o=%.d)"

## Generate dependency information
CPPFLAGS += -MMD -MP -MF"$(@:%.o=%.d)"

#######################################
# LDFLAGS
#######################################
# link script
LDSCRIPT = STM32G431RBTx_FLASH.ld

# libraries
#LIBS = -lc -lm -lnosys 
LIBS = -lc -lm -lrdimon
LIBS += -lstdc++

LIBDIR = 
#LDFLAGS = $(MCU) -specs=nano.specs -T$(LDSCRIPT) $(LIBDIR) $(LIBS) -Wl,-Map=$(BUILD_DIR)/$(TARGET).map,--cref -Wl,--gc-sections
LDFLAGS = $(MCU) -specs=nosys.specs -specs=rdimon.specs -T$(LDSCRIPT) $(LIBDIR) $(LIBS) -Wl,-Map=$(BUILD_DIR)/$(TARGET).map,--cref -Wl,--gc-sections

# default action: build all
all: $(BUILD_DIR)/$(TARGET).elf $(BUILD_DIR)/$(TARGET).hex $(BUILD_DIR)/$(TARGET).bin

#######################################
# build the application
#######################################
# list of objects
OBJECTS = $(addprefix $(BUILD_DIR)/,$(notdir $(C_SOURCES:.c=.o)))
vpath %.c $(sort $(dir $(C_SOURCES)))
# list of c++ objects
OBJECTS += $(addprefix $(BUILD_DIR)/,$(notdir $(CPP_SOURCES:.cpp=.o)))
vpath %.cpp $(sort $(dir $(CPP_SOURCES)))
# list of ASM program objects
OBJECTS += $(addprefix $(BUILD_DIR)/,$(notdir $(ASM_SOURCES:.s=.o)))
vpath %.s $(sort $(dir $(ASM_SOURCES)))

$(BUILD_DIR)/%.o: %.c Makefile | $(BUILD_DIR) 
	$(CC) -c $(CFLAGS) -Wa,-a,-ad,-alms=$(BUILD_DIR)/$(notdir $(<:.c=.lst)) $< -o $@
	
$(BUILD_DIR)/%.o: %.cpp Makefile | $(BUILD_DIR) 
	$(CXX) -c $(CPPFLAGS) -Wa,-a,-ad,-alms=$(BUILD_DIR)/$(notdir $(<:.cpp=.lst)) $< -o $@

$(BUILD_DIR)/%.o: %.s Makefile | $(BUILD_DIR)
	$(AS) -c $(CFLAGS) $< -o $@

$(BUILD_DIR)/$(TARGET).elf: $(OBJECTS) Makefile
#	$(CC) $(OBJECTS) $(LDFLAGS) -o $@ #c Link
	$(CXX) $(OBJECTS) $(LDFLAGS) -o $@ #cpp Link
	$(SZ) $@

$(BUILD_DIR)/%.hex: $(BUILD_DIR)/%.elf | $(BUILD_DIR)
	$(HEX) $< $@
	
$(BUILD_DIR)/%.bin: $(BUILD_DIR)/%.elf | $(BUILD_DIR)
	$(BIN) $< $@	
	
$(BUILD_DIR):
	mkdir $@		

#######################################
# clean up
#######################################
clean:
	-rm -fR $(BUILD_DIR)
  
#######################################
# dependencies
#######################################
-include $(wildcard $(BUILD_DIR)/*.d)

前回との差分はこちらをご覧ください。

https://github.com/YutakaNakamura/G431LEDBlinkMakeProj/compare/LEDBlink_with_C…LEDBlink_with_C++

また、main.cを、main.cppとし、cppが正しくコンパイルできている確認として、
次のテンプレートクラスを追加しています。

template<typename T> class mySqrt{
private:
	T mOldVal;
public:
	mySqrt(T pInitVal) {
		mOldVal = pInitVal;
	}
	constexpr T Calc(const T &pInput) {
		T val = (mOldVal + pInput/mOldVal) * (T)0.5;
		mOldVal = val;
		return val;
	}
};

これはニュートン法で平方根の値を求めるようなクラスです。

Lチカメゾットも0.1*√5 =0.2236秒周期に収束するようなLチカをするようにしています。

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
	float sqrt5 = msqrt.Calc(5.0f);
	int delay = 100 * sqrt5;
	HAL_Delay(delay);
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
	HAL_Delay(delay);
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }

以下にプロジェクトのリポジトリを残します。詰まったときに参考にしてください。

https://github.com/YutakaNakamura/G431LEDBlinkMakeProj/tree/LEDBlink_with_C++

git clone

https://github.com/YutakaNakamura/G431LEDBlinkMakeProj/tree/LEDBlink_with_C/G431RB_Proj -b LEDBlink_with_C++

Makefile+CubeMX+CubeIDEでSTM32開発

標準のCubeIDEの使い方は、

①CubeIDEでプロジェクトを作る
②CubeIDE内 CubeMXでコード生成
③CubeIDEでデバッグ

とCubeIDEのみで全て完結します。
一方で、この手法だと次のような欠点があります。

・CubeIDEのバージョンアップやOS間、IDE間の移動に弱い
CubeIDEは、基本的に同一のバージョンで利用することで安定したビルド環境が構築されますが、Makefileで管理すれば、CubeIDEだけでなく、VSCodeや他のIDEでもビルド環境が整います。面倒ですが、コマンドベースでの管理も可能です。

・CubeIDE内のCubeMXが非常に酷なGUI
狭い環境での操作を強要されます。

(FullHDだと、ピン配置を見ながらタイマの設定なんてできたもんじゃないです。)
CubeIDE内のMXではなく、CubeMXを単体で起動することで、ある程度開放されます。

・プロジェクトファイルの管理がGUIベース
インクルードパスなどの設定がEclipseベースGUIのため、ソースで管理しにくいです。

xmlなので、ゴリ押し設定をできなくはないですが、そこまでしてやる意味あるの?と言われてしまうと疑問です。

これらを解決するために、次のような手法を取ることで、より簡単に開発することができます。

方針
①CubeMXでMakefile Projectを作成する
②CubeIDEでEmpty STM32 Projectを作成する
③作成したMakefile ProjectをEmpty STM32 Projectにマージする
④以降、Makefileベースのビルドと、STM32 MCU Debugを利用して開発をすすめる

以下に概要図を載せます。

それでは実際に作ってみましょう。

今回はSTM32G431RBTの載った、NUCLEO-G431RBを使ってLチカをするプロジェクトを実際に作ってみます。

今回は特にバージョンに縛られませんが、以下の環境にて確認致しました。

IDE
STM32CubeIDE
Version: 1.0.0
Build: 2872_20190423-2022 (UTC)
CubeMX
STM32CubeMX
Version: 5.4.0
STM32G431 Firmware
STM32Cube FW_G4 V1.1.0

①Makefile Projectを作成

CubeMXを利用してMakefileのプロジェクトを作成します。

Fileタブ -> New Projectから、マイコンを選ぶ。
今回は「NUCLEO-G431RB」

Start Projectを押すと、「Initialize all peripherals with their default Mode?」の文字が出るので、迷わずYes。
これはマイコンボードの標準の配置に(LEDなどすでにピンが確定しているもの)勝手に配置してくれます。

このページを見ている皆様には釈迦に説法かもしれませんが、このページでピン配置や内部機能を設定することができます。

今回はLチカができれば良いので、何も触らない。

Project Managerタブに移り、ProjectNameを入力。今回は「G431RBMakeProj」とした。
Toolchain/IDEに「Makefile」を入力。

Code Generatorに移り、Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per peripheralにチェックを入れる。これを入れることで、main.cにすべてのイニシャライズコードが記述されず、ソースが分離されるので管理しやすくなる。

ここでGENERATE CODEを押すとMakefile Projectのコードが作られる。

②Empty STM32 Projectを作成

CubeIDEを利用してEmpty STM32 Projectを作成します。
Project Explorer(右クリック)→New->STM32 Project

こちらもNUCLEO-G431RBを選んでNextを押す。

今回はProjectNameを「G431RB_Proj」としました。
Targeted Project TypeにEmptyが選択されていることに注意。

Finishを押すことでプロジェクトが生成されます。
ここでプロジェクト内のすべてを消しておいてください。

③プロジェクトをマージする

作っておいたMakefileのプロジェクトから、Empty プロジェクトへ中身をコピーします。
重複しているものは上書き保存です。

CubeIDEに戻ります。
このままだと、CubeIDEを再起動するまでコピーしたものが見えないので、プロジェクトをリフレッシュします。

最後に、プロジェクトのプロパティ->C/C++ Build -> Builder Settingsから次のように変更します。
・Generate Makefiles automaticallyのチェックを外す。
・Build directoryを次のようにする。(Buildを消す)

これでプロジェクトの設定が終了しました。

本当はこの段階ですべての工程が終了して、正しくビルド・デバッグが動作するはずですが、
CubeMXのいつものガバで正しくビルドができないと思います。
以下の工程は、そのうち必要なくなるかと思います。

④Makefileを修正する

Makefileの中のCPUを次のように直します。

#######################################
# CFLAGS
#######################################
# cpu
CPU = -mcpu=cortex-m4

⑤Lチカする

main関数にLチカコードを記述します。

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */
  

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_LPUART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
		HAL_Delay(500);
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
		HAL_Delay(500);
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

手順は以上です。お疲れさまでした。

以下から本日作成したソースを取得できます。
トラブルの際にご活用ください。

https://github.com/YutakaNakamura/G431LEDBlinkMakeProj/tree/LEDBlink_with_C/G431RB_Proj

git clone

git clone https://github.com/YutakaNakamura/G431LEDBlinkMakeProj/tree/LEDBlink_with_C/G431RB_Proj -b LEDBlink_with_C

以下に続きを書きました。Makefileを編集してcppのビルドに対応します。

CubeIDEでBoostを使う

C++には、constexprやTemplateといった、強力なコンパイル時処理の仕組みがあります。

これを活用することで実行時には超高速で処理することができるようになったりしますが、いちいち自分で作っていくのも大変なので、今回はBoostライブラリを活用する方法を紹介致します。

以下環境です。
CubeIDEに加えて、arm-none-eabi-gccのインストールされている環境が必須です。

OS
Windows10

IDE
STM32CubeIDE
Version: 1.0.0
Build: 2872_20190423-2022 (UTC)

Boost
Version1.72.0
https://www.boost.org/users/download/

arm-none-eabi-gcc
Ver8.2.0

①ダウンロード+コンパイル

Boostの公式ページ(https://www.boost.org/users/download/)から、ダウンロードしてきて、展開します。(展開後に、Boost1_72_0というフォルダが作られていると思います。)

次に、
Boost1_72_0/user-config.jam
というファイルを作り以下を記述します。

# user-config.jam file
# Arm Cortex M
using gcc : 8.2.0 : arm-none-eabi-g++.exe ;

ここで、コマンドプロンプトを起動して、
>arm-none-eabi-g++ –version
が正しくバージョンを返す事を確認してください。
もし、何も反応が無いようでしたら、環境変数でarm-none-eabi-gccのpathが通っていないと思います。arm-none-eabi-gccのインストール作業を見直してください。

次に、Boost1_72_0 内にコマンドプロンプトを立ち上げます。
私の場合は、次のようになっています。

E:\Boost\boost_1_72_0>

ここで、次のようにコマンドを入力すると、コンパイルが行われます。

E:\Boost\boost_1_72_0>b2 --toolset=gcc-8.2.0 --prefix=./ArmM link=static install

バージョン等は適宜読み替えてください。

②CubeIDEに導入

コンパイルが終了すると、boost_1_72_0/ArmM というフォルダが生成されます。
ここにライブラリの本体が入っています。

本当はCubeIDEにライブラリのリンクを設定するべきですが、今回は簡単のために、全部プロジェクトファイル内にコピーして進めていきます。

まずは、使いたいプロジェクト(今回は「STM32H743ZI_BOOST」としました。)内に、Boostというフォルダを作成します。
プロジェクト名(右クリック)>New>Folderなどから簡単に作れると思います。

次にプロジェクト設定を操作します。
プロジェクト名(右クリック)>Properties>C/C++ Build>Settings>Tool Settings>MCU G++ Compiler>Include paths
からインクルードパスを設定できます。

ここに、
../Boost
を追加します。画像は既に追加済みです。

最後に、Boostの本体をコピーしてきます。
先程作った、プロジェクト内のBoostフォルダをエクスプローラで開いて、
\ArmM\include\boost-1_72\boost

\STM32CubeIDE\workspace_1.0.0\STM32H743ZI_BOOST\Boost
内にコピーします。
Boostの中にboostがあり、紛らわしい状況ですが注意してください。

以上で、Boostの導入は終了です、お疲れさまでした。
確認のため、

#include <boost/version.hpp>

void func() {
    int i = BOOST_VERSION;
}

のようなソースを、コンパイルしてみると良いと思います。
コンパイルに成功したら、導入が成功しています。

Boostは主にアプリケーション向けのライブラリとして幅広く使われておりますが、組み込みでも活躍できると思います。
別ページに書こうと思いますが、Sprintfの置き換えとして、Boost::spirit::karmaを使うことで、3倍?程度早くなることは確認しています。

代償としてコンパイル時間がboostされますが…
今後コンパイル時間を短縮する工夫を書いていければと思います。

CubeIDE環境でJ-Link関連のものを更新する方法

標準で入っているJ-Link関連の物のバージョンが古いため、
STM32H7でのデバッグでは少し調子が悪そうに動きます。

そのため、今回は無理やりバージョンアップする方法を紹介します。

以下環境です。

IDE
STM32CubeIDE
Version: 1.0.0
Build: 2872_20190423-2022 (UTC)

①J-Linkをインストールする
https://www.segger.com/downloads/jlink/
からJ-link Software and Documentation Pack
のClick for downloadsから、自分の環境にあったものをダウンロード。

インストーラの形式で配布されているので、指示に従ってインストール。

以下、私はWindows環境で
「C:\Program Files (x86)\SEGGER\JLink_V652」にインストールしましたので、
ご自身の環境に合わせて読んでください。

②インストールしたものをCubeIDE環境にコピーする
標準のインストールだと、CubeIDE環境で使われるJLink.exeなどは、
「C:\ST\STM32CubeIDE_1.0.0\STM32CubeIDE\plugins\com.st.stm32cube.ide.mcu.externaltools.jlink.win32_1.0.0.201904160814\tools\bin」
にあります。クソ長いですね。

先程インストールした、
「C:\Program Files (x86)\SEGGER\JLink_V652」の中身を、
「C:\ST\STM32CubeIDE_1.0.0\STM32CubeIDE\plugins\com.st.stm32cube.ide.mcu.externaltools.jlink.win32_1.0.0.201904160814\tools\bin」内にコピーします。

推測ですが、このディレクトリはバージョンによって異なるため、
「C:\ST\STM32CubeIDE_1.0.0\STM32CubeIDE\plugins」内部を「JLink」などで検索すると目的のディレクトリが見つかります。

(念の為バックアップ取っておいたほうがいいと思います。)

以上で、最新のJ-Link SoftwareがCubeIDE内で利用できるようになります。

STM32 CubeIDE環境で、UTF-8に対応する

「ええっ!?このIDEはUTF-8に対応していないの???」

いや、対応はしているんです。対応は。私達が文字を認識できないだけでして…
早速環境の設定をしていきます。

以下、執筆時の環境です。

IDE
STM32CubeIDE
Version: 1.0.0
Build: 2872_20190423-2022 (UTC)

①プロジェクトのUTF-8化
開発したいプロジェクトのプロパティを開きます。
Projectタブ->Propertiesを
(またはWindows:Alt+Enter Mac:Command+I)
を押してください。

適当に画像のようにチェックを入れればOKです。
私はWindowsのほか、Macでも開発をするので、Other:Linuxに設定してあります。

Macの方はここで終わりです。お疲れ様です。内容が無い記事でごめんなさい。
以下Windowsの方。

②フォントを変更する
CubeIDEの標準のフォントは、一部日本語に対応していません

Windowsタブ->Preferences->General->Appearance->Colors and Fontsを開きます。

上図のように、C/C++ Editor Text Fontを、
フォント名をConsolasからお好きなものに変更します。
おすすめはTakao P ゴシック などが読みやすいと思います。

Takaoフォントは、
https://launchpad.net/takao-fontsからTakaoFonts_xxxxx.xx.zip
をダウンロードして、インストールするだけで、Windows環境でも利用できるようになります。

これでコメントアウトが文字化けして困る事もなくなりました。
以上です、お疲れ様でした。

STM32 Nucleo-64 boards(NUCLEO-F446RE) にJTAGで接続する

NUCLEO-F446RE
など、Nucleo-64 boardsには、ボード上にSTLink-V2/1というプログラマ/デバッガが載っていますが、
・デバッグの速度が足りない
とか、
・J-Linkを繋げたい
とか、諸々の都合でJTAGで接続することがあるかと思います。

毎回接続ピンが行方不明になって調べているので、メモとして残しておきます。

結論
先に結論を書きます。みんな細かいことよりさっさと接続関係が欲しいのは理解していますから。

このとき、基板上のST-LinkV2/1にあるCN2のジャンパはすべてオープンにしてあります。

①JTAGのピンについて
J-Linkのデータシート・UM08001によると
以下のようになっています。

細かいことは省略しますが、このJTAG 20-pinのピン配置は、(デバッガのオプション的なピンを除いて)どのデバッガでもほとんど変わりはなく、STLinkV2/V3等でも僅かな違いがあるものの、利用できます。

②JTAGのピンの機能
次のようにつなぎます。

デバッガ側 マイコン側 機能
VTref Vdd target reference voltage
GND Vss GND
nTRST PB4
(NJTRST)
JTAG Reset
TDI PA15
(JTDI)
JTAG data input of target CPU
TMS PA13
(JTMS-SWDIO)
JTAG mode set input of target CPU
TCK PA14
(JTCK/SWCLK)
JTAG clock signal to target CPU
RTCK Return test clock signal from the target
TDO PB3
(JTDO/
TRACESWO)
JTAG data output from target CPU
RESET NRST Target CPU reset signal


参考にしたデータシートは
J-Linkのデータシートのほか、
F405データシートであるDocID022152が参考になります。

②Nucleoボードとのピンの関係
これらより、
3V3,GND,PB4,PA15,PA13,PA14,PB3,NRST
を接続すれば動作することがわかりました。
しかし、Nucleoボードの場合、ピンアサインがめちゃくちゃなので、自分でマイコンピンとの対応を考える必要があります。
以下を使いましょう。
UM1724
P.35には以下のような図があります。これを見て比較するのが楽かと思います。

以上の作業を得て、一番最初の接続関係が導けます。

STM32 CubeIDE環境で、CMSIS-DSPを使う方法

Arm社が提供するCMSIS-DSP Libraryを利用すると、簡単に高速な演算ができます。

できることは、三角関数や平方根だけに留まらず、行列操作、FIRフィルタ・FFT、PIDコントローラ、クラーク変換・パーク変換等、幅広く入っています。

導入することで利用できる関数は以下のページにまとめられています。

https://www.keil.com/pack/doc/cmsis/dsp/html/modules.html

さて、このCMSIS-DSPですが、故・TrueStudioでの環境構築は、わかりやすくまとめられておりますが、CubeIDEでは少し操作する項目が増えておりますのでまとめてみます。

以下、執筆時の環境です。

IDE
STM32CubeIDE
Version: 1.0.0
Build: 2872_20190423-2022 (UTC)
マイコン
STM32F446RE

①ライブラリの追加
STM32Cubeのディレクトリから以下の2ファイルをコピーします。

STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_F4_Vxxxx\Drivers\CMSIS\Lib\ARM\arm_cortexM4lf_math.lib
STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_F4_Vxxxx\Drivers\CMSIS\Lib\GCC\libarm_cortexM4lf_math.a 

これらをプロジェクトフォルダ内にコピーします。

Windows環境でしたらユーザフォルダ内にSTM32Cubeがあるかと思います。
またVxxxxは適宜読み替えてください。

②プロジェクトファイルの設定
CubeIDEの
(プロジェクトのプロパティ)>C/C++Build>Setting>ToolSettings>MCU G++ >Linker>Libraries
の設定で以下の2項目を登録します。
1.Libraries>addから、arm_cortexM4lf_mathを登録
2.Library search path>add>workspace… から、 (先程arm_cortexM4lf_math.aをコピーしたディレクトリ)を選択します。
正しく指定できていれば、 ${workspace_loc:/${ProjName}} となるはずです。

Tips
ファイル名のM4lf_mathのlfはLittle endian,fpuの略。
つまり、M4l_mathやM4b_math(Big endian)のfpuなしのmathライブラリは使う機会があるのか疑問。
また、M7系の上位マイコンでは、
arm_cortexM7lfdp_mathのような(double precision)を扱えるものもある。

③Includeをする
関数を使いたい.c/.cppファイルにて、以下を定義してIncludeします。

#define ARM_MATH_CM4
#include "arm_math.h"
#include "arm_const_structs.h"

定義しているCM4はCortex-M4の略で、
CortexM7→CM7
CortexM4→CM4
CortexM3→CM3
CortexM0→CM0 とマイコンボードによって変更します。
以後、今回利用するCortexM4のみ解説するので、
別のCPUの時は適宜読み替えてください。

③足りないものを追加する
試しにこの段階でビルドしてみましょう。
次のような怒られが発生するはずです。

../Src/main.c:24:10: fatal error: arm_math.h: No such file or directory
 #include "arm_math.h"
          ^~~~~~~~~~~~

(以前のTrueStudio環境では、この段階で勝手に足りないものを取ってきてくれて、ビルドが通った記憶があります。)

いろいろ足りないので、必要なファイルをIncに追加します。

STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_F4_Vxxxx\Drivers\CMSIS\DSP\Include
内にある、
arm_math.h
arm_const_structs.h
arm_common_tables.h
をインクルードできる場所に追加します。
(例えばプロジェクト内のInc)

以上の操作にて、CMSIS-DSPのライブラリが利用できるようになります。
試しに以下のようにmainの内部を変更して、コードを実行してみます。

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#define ARM_MATH_CM4
#include "arm_math.h"
#include "arm_const_structs.h"
/* USER CODE END Includes */

 /* USER CODE BEGIN WHILE */
  int num = 0;
  while (1)
  {
	  float armsinVal = arm_sin_f32((float32_t)num*2*M_PI/255);
	  float armcosVal = arm_cos_f32((float32_t)num*2*M_PI/255);
	  float sinVal = sin((float)num*2*M_PI/255);
	  float cosVal = cos((float)num*2*M_PI/255);
	  num++;
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */

ブレークポイントを打って実行をすると、以下のように動作の確認ができるかと思います。

今回は手抜きをしたのでタイマを動かして動作時間の解析等はしませんでしたが、
タイマを動作させて実行時のタイマ値を読んだりすると面白いかと思います。

Tips
今回は説明の便宜上、必要なものを全てプロジェクトフォルダやIncに入れていますが、別のフォルダにパスを通して、ライブラリに必要なもの一式を入れると見やすくて良いかと思います。