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使用PCA9956B和STM32G431RB设定用户界面的新标准

24个LED,一个编码器:打造控制与风格的杰作

Knob G Click with Nucleo 64 with STM32G431RB MCU

已发布 11月 08, 2024

点击板

Knob G Click

开发板

Nucleo 64 with STM32G431RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32G431RB

发现我们的正交旋转编码器的完美融合,精度与视觉享受相得益彰,环绕着24个绿色LED灯。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Knob G Click 包含两个独特的部分:第一部分是旋转正交编码器,其输出连接到 mikroBUS 的 GPIO 引脚。编码器通过由被动元件和三重反相施密特触发器 IC 组成的专用电路去抖动。第二部分是 LED 驱动 IC,配备围绕编码器环形排列的 LED,非常适合作为编码器位置指示器。该 Click 板使用来自 ALPS 的 EC12D,这是一种 15 脉冲增量旋转编码器,带有按钮。该编码器具有良好的机械规格:其内部开关的去抖时间低至 2ms,并且可以承受高达 30,000 次的切换周期。支持去抖电路允许在输出触发之前,接触点完全稳定。当编码器接触点闭合时,电容器将通过电阻,通过接触点开始放电至 GND。当电容器的电压达到施密特触发器的低电压阈值时,施密特触发器将输出低逻辑电平;反之,当编码器接触点打开时,电容器将通过电阻开始充电,当其高电压阈值达到时,施密特触发器将输出高逻辑电平。这允许直接从代码中读取两个编码器接触点和一个按钮接触点的状态,无需笨重的软件去抖动。这使得 Knob G Click 可以直接在中断变化 ISR 中使用,具有绝对精度且无跳过的脉冲(这可能发生在使用常规软件轮询技术时)。编码器接触点的输出引脚分别标记为 ENA 和 ENB,按钮接触点标记为 SW。这些引脚分别连接到 Mirko BUS 的 AN、CS 和 INT 引脚。LED 环由 24 个独立的绿色 LED 组成,这些 LED 由 NXP 的 8 位、24 通道恒

流 LED 驱动器 PCA9956B 驱动。该驱动 IC 具有许多 LED 驱动功能,包括恒流吸收能力,这大大简化了设计:通过 LED 的最大电流由一个电阻决定。PCA9956B 具有用于单独控制每个通道的寄存器,以及用于同时控制所有通道的单个寄存器。它支持 PWM 模式调光以及电流模式调光(通过缩放最大 LED 电流)。PCA9956B 可以使用来自二次集成 PWM 振荡器的低频信号来调制 PWM 调光信号。虽然驱动器的 PWM 频率固定为 31.25kHz,完全减少了可见的 LED 闪烁,但调制低频信号可以在 0 到 122Hz 范围内变化,允许产生有趣的闪烁效果,而不使用微控制器 (MCU) 的计算能力。驱动器产生平滑的 LED 调光,因为 PWM 占空比的分辨率为 8 位。更多细节和功能可以在下面下载部分的 PCA9956B 数据手册中找到。PCA9956B 的 OE 引脚连接到 mikroBUS 的 PWM 引脚。当 OE 引脚应用低逻辑电平时,LED 输出将被启用。该引脚通过电阻上拉到高逻辑电平。OE 引脚也可以由外部 PWM 信号驱动,提供一种同时调光所有 LED 的替代方法。LED 驱动 IC 可以通过将 RST 引脚拉到低逻辑电平进行重置。该引脚通过电阻上拉到高逻辑电平。重置脉冲可以非常短(2.5 µs),但在脉冲后的 1.5 ms 内设备将无法准备好使用。除了硬件重置外,PCA9956B 还支持软件重置,如果设备将在快速 I2C 模式下操作(包括时钟速度超过 100kHz),则需要软件

重置。PCA9956B 数据手册详细说明了执行软件重置和使用快速 I2C 模式 (FM+) 的方法。PCA9956B IC 使用 mikroBUS 的 3.3V 电源轨作为 LED 电源,因此不会有显著的电压降导致热耗散。然而,如果一次打开所有 LED 且电流寄存器中的最大电流设置,可能会导致 Knob G Click 产生一些热量。这是预期的,因为每个通道的热耗散加起来就是整个 IC 的总耗散。PCA9956B IC 具有热关断保护以及一组错误报告功能。PCA9956B 可以报告每个 LED 的开路事件和短路事件。这些错误将写入 ERR 寄存器,每个 LED 通道一个。数据手册解释了如何解释这些寄存器的值。PCA9956B 设备的从 I2C 地址可以通过三个 SMD 跳线选择,跳线组标记为 ADDR。PCA9956B 允许其从 I2C 地址从 125 个不同值中选择。每个地址引脚(A0 到 A3)可以悬空、上拉、下拉和短接到 VCC 或 GND。然而,一些 I2C 地址是保留的,因此应谨慎使用。PCA9956B 的数据手册提供了每个地址引脚状态和保留 I2C 地址的电阻值表。Knob G Click 使用三个 0 Ω SMD 跳线来设置这些地址引脚的状态。逻辑电压电平可以通过标记为 VCCIO 的 SMD 跳线选择。该跳线决定了施密特触发器的逻辑信号电平以及 Knob G Click 的 I2C 接口。这允许其与广泛的不同 MCU 接口,兼容 3.3V 和 5V 逻辑电压电平。

Knob G Click top side image
Knob G Click bottom side image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32G431RB 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 STM32G431RB MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

STM32G431RB front image

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

32k

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

Encoder Output A
PA15
AN
Reset
PC12
RST
Encoder Output B
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
PWM Control
PC8
PWM
Encoder Button Output
PC14
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
I2C Clock
PB8
SCL
I2C Data
PB9
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

Knob G Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32G431RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32G474RE MCU front image hardware assembly
BarGraph 5 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
Nucleo-64 with STM32GXXX MCU MB 1 Micro 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 Knob G Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • knob_get_encoder_position - 获取编码器位置的函数

  • knob_set_led_state - 设置 LED 状态的函数(LED 上的 PWM)

  • knob_get_sw_button_state - 获取 SW 引脚(开关按钮)状态的函数

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 Knob Click example
 * 
 * # Description
 * The demo application displays different types of LED controls and encoder position readings.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 * 
 * ## Application Init 
 * Configuring clicks and log objects.
 * Settings the click in the default configuration.
 * 
 * ## Application Task  
 * The Task application has 3 test modes:
 *  - The first example is setting BRIGHTNESS on all LEDs.
 *  - Other examples put the LED in the position read from the encoder.
 *  - The third example sets the LED to be read while the encoder registers the clockwise movement
 *    and turn off those LEDs that the encoder reads when moving in a counterclockwise direction.
 *  - The example is changed by pressing the SW button
 * 
 * \author Katarina Perendic
 *
 */
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "knob.h"

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

static knob_t knob;
static log_t logger;

static int32_t new_position = 0;
static int32_t old_position = 0;
static uint8_t sw_state = 0;

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

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;
    knob_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.

    knob_cfg_setup( &cfg );
    KNOB_MAP_MIKROBUS( cfg, MIKROBUS_1 );
    knob_init( &knob, &cfg );

    knob_reset( &knob );
    Delay_ms( 300 );

    knob_default_cfg( &knob );
}

void application_task ( void )
{
    uint8_t cnt;
    uint8_t direction;

    //  Task implementation.

    knob_get_encoder_position( &knob, &new_position, &direction );

    if ( knob_get_sw_button_state( &knob ) == 0 )
    {
        sw_state++;
        if ( sw_state >= 3 ) sw_state = 0;

        knob_set_brightness( &knob, KNOB_BRIGHTNESS_ALL_LED, 0x00 );
        Delay_ms( 300 );
    }

    // Logs position

    if ( new_position != old_position )
    {
        log_printf( &logger, "** EnCoder position : %d ", new_position );
    }
    old_position = new_position;

    switch ( sw_state )
    {
        // Brightness

        case 0:
        {
            cnt++;
            if ( cnt > 127 )
            {
                cnt = 0;
            }
            knob_set_brightness( &knob, KNOB_BRIGHTNESS_ALL_LED, cnt );
            Delay_ms( 15 );

            break;
        }

        // Encoder with one led

        case 1:
        {
            if ( new_position > 24 )
            {
                knob_set_encoder_start_position( &knob, 1 );
            }
            if ( new_position < 1 )
            {
                knob_set_encoder_start_position( &knob, 24 );
            }

            if (direction == 1)
            {
                knob_set_led_state( &knob, new_position, KNOB_LED_ON );
                knob_set_led_state( &knob, new_position - 1, KNOB_LED_OFF );
            }
            else
            {
                knob_set_led_state( &knob, new_position, KNOB_LED_ON );
                knob_set_led_state( &knob, new_position + 1, KNOB_LED_OFF );
            }
            Delay_1ms();
            break;
        }

        // Encoder with all led

        case 2:
        {
            if ( new_position > 24 )
            {
                knob_set_encoder_start_position( &knob, 1 );
            }
            if ( new_position < 1 )
            {
                knob_set_encoder_start_position( &knob, 24 );
            }

            if ( direction == 1 )
            {
                knob_set_led_state( &knob, new_position, KNOB_LED_ON );
            }
            else
            {
                knob_set_led_state( &knob, new_position + 1, KNOB_LED_OFF);
            }
            Delay_1ms();
            break;
        }
    }
}

void main ( void )
{
    application_init( );

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


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

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