USBADC

USBADC

Le USBADC est un petit PCB qui implémente plusieurs fonctionnalités:

• Lecture de la tension de sortie du power meter
• Lecture de la température ambiante
• Communication USB pour interfacer avec un ordinateur
• Génération de 28 volts 1 ampère à partir de 12 volts 3 Ampères pour l'amplificateur RF
• Génération de 5 volts pour le power meter
• Contrôlle de la vitesse du ventilateur pour évacuer la chaleur
• 6 sorties open-drain pour pouvoir controller des appareils nécessitant de la puissance (PB1, PB3, PB4, PB5, PB6, PB7)
• 6 sorties digitales 3.3 volts pour du contrôlle ne nécessitant pas de puissance (PA3, PA4, PA5, PA6, PA7, PA8)
• LED de statut du PCB, D2 clignote lorsque le micro-contrôlleur n'a pas d'erreurs, et 4 autres LEDs indiquent si les générateurs de tensions fonctionnent (3.3V, 5V, 12V, 28V)

Hardware

KiCad 10.0 a été utilisé pour la conception du schématique et du PCB.

Composantes

1. Entré 12V 3A
2. Sortie 28V 1A
3. Boost 12V -> 28V
4. Buck 12V -> 5V
5. Régulateur 5V -> 3.3V
6. Microcontrôlleur STM32U073K8U6
7. Connecteur USB A femelle
8. Connecteur SWD (Single Wire Debug)
9. Sorties open-drain et low power
10. Sortie PWM pour fan
11. Sortie pour alimentation du powermeter et entrée de la température
12. Entrée pour lecture de la puissance RF

Programmation

Pour envoyer un programme sur le micro-contrôlleur, il y a le port USB ainsi qu'un port SWD près du connecteur USB (header 6 pins). Pour le flasher par USB, il faut utiliser le périphérique DFU (Download Firmware Upgrade) qu'expose le bootloader to STM32. Par contre, je ne sais pas pourquoi, je n'ai pas été capable de le faire fonctionner plus qu'une seule fois.

Pour le flasher par SWD, il faut un STlink. J'ai utilisé un STlink-V3MINIE auquel j'avais accès, il serait peut-être pertinent de s'en acheter un. J'ai aussi utilisé stlink-tools pour envoyer le programme. Il faut brancher:

Le pinout du PCB est visible sur KiCad, l'ordre est VCC, SWCLK, GND, SWDIO, NRST, no-connect en partant de la pin extérieure.

USB

La communication USB est faites avec un STM32U073K8U6, un micro-contrôlleur peu coûteux. C'est le moins cher qui a toutes les fonctionnalitées voulues, l'horloge pour le USB est générée à l'interne du chip.

Génération 28V et 5V

Les bucks et boosts ont été générées avec l'outil WEBENCH de Texas Instrument pour être sûr que les circuits fonctionnent, jusqu'à maintenant, il n'y a eu aucuns problèmes.

Sécurité

Pour la génération du 28V, il y a ~28 watts qui transitent dans cette partie du circuit. Il y a une fuse 4 ampères F2 à l'entrée 12V du circuit et une fuse 1.5 ampères F1 à la sortie 28V. De plus, il y a une diode schottky à la sortie 28V pour éviter d'envoyer des pics de tensions à l'amplificateur. Il y a aussi des condensateurs de capacitance équivalente 110µF pour lisser la tension entrante dans l'amplificateur.

Il y a des points de tests un peu partout sur le PCB pour être capable de débugger plus facilement si il arrive un problème.

Boutons

Le PCB possède deux boutons, BOOT0 et Reset.

Reset permet de redémarrer le microcontrôlleur, pratique pour débugger ou pour le redémarrer si il ne répond pas.

BOOT0 permet de signaler au bootloader du microcontrôlleur que l'on désire flasher un programme pour qu'il expose la classe DFU. Il faut simplement tenir le bouton en appuyant sur Reset. Comme mentionné plus tôt, je ne comprends pas pourquoi je n'arrive pas à faire fonctionner cette option.

Corrections à apporter sur une version future

Les connecteurs pour le ventilateur et le power meter overlap et ne peuvent donc pas être soudés directement sur le PCB.

Trouver pourquoi la programmation par DFU ne fonctionne pas et régler le problème.

Il m'est arrivé une fois que le board ne voulait pas démarrer, j'ai trouvé qu'il s'exposait comme périphérique DFU au démarage au lieu de CDC ACM et je n'étais pas capable de le faire booter plus loin que le bootloader. Je l'ai reflashé et ça a fonctionné, je n'ai pas revu ça depuis.

Mettre un connecteur USB mâle à la place d'un connecteur USB femelle car les connecteurs femelles sont réservés aux hôtes USB et les mâles aux périphériques.

Monitorer la tension du 28V avec le STM32 pour pouvoir voir son statut par USB au lieu de devoir regarder la LED. Sur la version actuelle, il est possible de mettre un diviseur de tension sur le pad 28V et rentrer ça dans la pin A3.

Firmware

La grande majorité du code dans firmware/ a été générée avec STM32CubeMX, un outil pour initialiser des projets pour des STM32, ils s'occupent d'initialiser toutes les périphériques, vérifier que la configuration de clocks choisie est correcte, etc.

Les paramètres pour CubeMX sont dans le fichier firmware/USBADC.ioc.

Le coeur de la logique a été implémentée dans firmware/USBX/App/ en C.

Compilation

Pour compiler le programme, il suffit d'écrire make si la toolchain de développement arm est installée. Je développais sur un ordinateur Linux et je roulais souvant

make -j4; st-flash erase; st-flash write build/USBADC.bin 0x08000000

pour compiler et puis envoyer le programme sur le microcontrôlleur. Je ne suis pas certain que les Makefile sont supportés dans STM32CubeIDE (IDE de développement pour un STM32 installée sur l'ordinateur du laboratoire).

J'ai utilisé la "Arm GNU Toolchain 15.2.Rel1 (Build arm-15.86)) 15.2.1 20251203". Tout fonctionne avec celle là, il n'y a surement pas de soucis à prendre une autre version.

Débuggage

Pour débugger, STM32CubeIDE et stlink-tools permettent d'ouvrir une session gdb et d'explorer la mémoire du microcontrolleur. Avec stlink-tools, je roulais dans un terminal st-util et dans l'autre gdb build/USBADC.elf, puis dans la session gdb target remote localhost:4242.

Connection USB

Le périphérique USB crée expose une classe USB CDC ACM, (Character Device Class, Abstract Control Modem). Cette classe permet d'envoyer une série d'octet à l'appareil ainsi que d'en recevoir une. Lorsque branchée dans un ordinateur, le PCB devrait apparaître comme /dev/ttyUSB* sur Linux et COM* sur Windows. La LED devrait aussi clignotée si le microcontrôlleur est alimentée correctement et qu'il n'y a pas d'erreurs.

Protocole de communication

La communication se produit par paquets entre le serveur (l'ordinateur) et le client (l'USBADC). Un packet est une liste d'octets qui représente une commande ou une réponse. Le préfixe 0x dénote de l'hexadécimale.

Le champs Magic permet d'identifier le début d'un paquet. 0xAA55AA55 a été choisi car c'est une séquence qui a peu de chance d'arriver avec du bruit ou dans des données, aussi, en binaire, les bits de 0xAA et 0x55 alternent et ça permet de reconnaitre à l'oeil le début de la séquence.

Le champs ID permet à l'USBADC de spécifier à quel paquet il répond en spécifiant l'ID du message qu'il a reçu dans sa réponse. Cela permet de répondre aux paquets dans un ordre différent de celui dans lequel ils ont été reçues si besoin.

Le champs Type est le type du message (ping, read_adc, write_pin, reboot, ...) et permet de spécifier comment interpréter les données,

Le champs Data Length est la longeur du champs Data en octets

Le champs Data est les données associées au Type choisi.

Le champs CRC (Cyclical Redundancy Checksum) sert à vérifier l'intégrité des données reçues. Lors de la réception d'un paquet, on calcule le checksum de tous les octets précédents. Si le checksum est identique à celui reçue, on peut être confiant qu'il n'y a pas eu d'erreur de transmission.

Le protocole est ses fonctions de sérialisation/désérialisation sont spécifiées dans firmware/USBX/App/protocol.h et firmware/USBX/App/protocol.c. Les structures qui représentent les données transmises ont l'attribut __attribute__((packed)) pour éviter les champs de "padding". Cet attribute garanti qu'il n'y en aura pas.

Sur le message REQUEST_PING, le client répond avec le message RESPONSE_PONG avec les mêmes données. Cela permet de s'assurer que le client fonctionne correctement.

Sur le message REQUEST_READ_ADC, le client répond avec RESPONSE_READ_ADC la tension lue sur le channel correspondant.

Sur le mesasge REQUEST_WRITE_PIN, le client répond avec RESPONSE_STATUS et sort l'état demandée sur la pin demandée.

Sur le mesasge REQUEST_REBOOT, le client répond avec RESPONSE_STATUS et redémarre (la communication sera coupée).

Sur le message REQUEST_VERSION, le client répond avec la version du protocole qu'il utilise. Cela permet de s'assurer que le client et le serveur sont sur la même version et que toutes les fonctionnalitées sont fonctionelles et supportées des deux côtés.

Sur tous les messages, le client peut répondre avec RESPONSE_STATUS et spécifier la raison (enum USBADC_PROTOCOL_RESPONS_STATUS_REASONS).

Fichiers (firmware/USBX/App/)

• app_usbx_device.c: Point d'entrée ThreadX qui initialise les tâches et le périphérique USB et les files.
• ux_device_cdc_acm.c: Définitions de toutes les tâches concurrentes qui roulent, dont l'écriture et la lecture sur le canal USB, la lecture de l'ADC et le contrôle de la vitesse du ventilateur.
• byte_vector.c: Définition des fonctions pour manipuler une liste d'octets qui ne peut pas être agrandie.
• protocol.c: Définition des fonctions pour sérialiser/désérialiser les packets envoyées/reçues

Software

Python 3.11 a été utilisé.

Dans software/USBADC.py, il y a la classe USBADC qui permet de communiquer avec le périphérique. Il est nécessaire d'installer pyserial pour être capable de communiquer.