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使用 ADS1115 和 STM32F103RB 掌握我们迷人的随机数生成器的力量

随机奇迹:超出预测的数字!

RNG Click with Nucleo 64 with STM32F103RB MCU

已发布 10月 08, 2024

点击板

RNG Click

开发板

Nucleo 64 with STM32F103RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F103RB

通过将我们的创新随机数生成器集成到您的应用中,提升决策过程,确保选择公平并消除偏见。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

RNG Click 是基于德州仪器的ADS1115的随机数生成器(RNG),ADS1115是一款16位、I2C兼容的模数转换器,能够生成一系列无法通过合理预测来确定的随机数或符号。在计算中,硬件随机数生成器(HRNG)或真正的随机数生成器(TRNG)是通过物理过程而不是算法生成随机数的设备。这些设备通常基于微观现象产生低水平、统计上随机的“噪声”信号,如同在此Click板™中实现的那样。理论上,这个过程是完全不可预测的,这种不可预测性的理论断言可以通过实验测试来验证。这与通常通过软件实现的伪随机数生成范式形成对比。RNG Click的核心是通过晶体管Q1

(BC846B)的内部二极管产生的雪崩噪声。雪崩击穿是一种可以发生在绝缘材料和半导体材料中的现象。这是一种电流倍增现象,可以在原本是良好绝缘体的材料内产生大电流。当电场在过渡区域加速载流子,使其具有足够的能量通过与束缚电子的碰撞产生可移动或自由的电子-空穴对时,就会发生雪崩击穿。为了实现这一点,RNG Click还配备了基于德州仪器TPS61041的升压转换器,为该任务提供+18V的电源。由晶体管Q1和Q2产生的噪声信号,然后通过Q3放大,使用齐纳二极管限压,并使用NC7S14M5X逆变器数字化。之后,就可以获得随机的1和0的字符串,这些字符串被引

入德州仪器的ADS1115 - 16位sigma-delta ADC。电位器P1用于尽可能接近地设置1和0的分布,这由LD2和LD3 LED二极管指示。电位器P1应该设置为使LD2和LD3二极管均匀亮起。这样,当使用I2C协议通过ADS1115执行单次测量时,就可以获得真正的16位随机数。此Click板™只能在3.3V逻辑电压水平下运行。在使用具有不同逻辑电平的MCU之前,板上必须执行适当的逻辑电压电平转换。此外,该Click板™配有一个包含函数和示例代码的库,可用作进一步开发的参考。

RNG Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F103RB MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于  ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32F103RB MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M3

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

20480

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

NC
NC
AN
NC
NC
RST
NC
NC
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
NC
NC
PWM
Interrupt
PC14
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
I2C Clock
PB8
SCL
I2C Data
PB9
SDA
NC
NC
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

RNG Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 front image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32F103RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 front image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32F401RE MCU front image hardware assembly
EEPROM 13 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
Nucleo-64 with STM32XXX MCU MB 1 Mini B Conn - upright/background hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

实时跟踪您的结果

应用程序输出

1. 应用程序输出 - 在调试模式下,“应用程序输出”窗口支持实时数据监控,直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境,以确保数据正确显示。

2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输,实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置,以确保正常运行。有关分步设置说明,请参考提供的教程

3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据,使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置,请按照提供的教程,其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时,请使用以下函数:plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式,用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称,并将“variable_name”替换为要显示的参数。

软件支持

库描述

该库包含 RNG Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • rng_get_voltage - 此函数获取电压值(单位:毫伏)

  • rng_set_config - 此函数设置配置

  • rng_set_vref - 此函数设置所需的参考电压(vref)

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * \file 
 * \brief Rng Click example
 * 
 * # Description
 * This click is a random number generator. The device contain potentiometer which control voltage
 * so it generates a sequence of numbers or symbols that cannot be reasonably predicted better 
 * by a random chance. Random number generators have applications in gambling, statistical sampling,
 * computer simulation, cryptography, completely randomized design, and various other areas. 
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 * 
 * ## Application Init 
 * Initializes driver, then sets configuration and voltage reference.
 * 
 * ## Application Task  
 * It reads ADC value from AIN0 channel then converts it to voltage and 
 * displays the result on USB UART each second.
 * 
 * \author MikroE Team
 *
 */
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "rng.h"

// ------------------------------------------------------------------ VARIABLES

static rng_t rng;
static log_t logger;

// ------------------------------------------------------ APPLICATION FUNCTIONS

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;
    rng_cfg_t cfg;

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, "---- Application Init ----" );

    //  Click initialization.

    rng_cfg_setup( &cfg );
    RNG_MAP_MIKROBUS( cfg, MIKROBUS_1 );
    rng_init( &rng, &cfg );

    rng_default_cfg( &rng );
}

void application_task ( void )
{
    float voltage;

    voltage = rng_get_voltage( &rng );

    log_printf( &logger, "Voltage from AIN0: %.2f mV\r\n", voltage );
    log_printf( &logger, "-----------------------\r\n" );
    Delay_ms( 1000 );
}

void main ( void )
{
    application_init( );

    for ( ; ; )
    {
        application_task( );
    }
}


// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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