تبدیل حافظه FLASH به EEPROM داخلی در میکروکنترلر های STM32

در این مطلب قصد داریم نحوه تبدیل بخشی از حافظه FLASH در میکروکنترلر­های STM32 سری های F1 ,F0 و F3 را به حافظه EEPROM بررسی کنیم. مهم ترین کاربرد EEPROM ها، در ذخیره و نگهداری دیتایی است که می­‌خواهیم همواره وجود داشته و با قطع، وصل یا خاموش شدن سیستم از بین نرود.

---

معرفی حافظه­ ها و کاربرد EEPROM

معمولا در میکروکنترلر‌ها از سه نوع حافظه FLASH برای نگهداری برنامه، EEPROM برای ذخیره اطلاعات ماندگار و SRAM برای ذخیره اطلاعات میانی در یک برنامه استفاده می­ شود. یکی از حافظه­‌های پرکاربرد در میکروکنترلر­ها، حافظه­ های EEPROM هستند که غیر فرار بوده و می توان به دفعات بر روی آن‌­ها اطلاعات مورد نیاز را ذخیره و در صورت نیاز حتی پس از قطع منبع تغذیه مجددا آن اطلاعات را بازیابی نمود. این نوع از حافظه‌ها به صورت پیش فرض در برخی میکروکنترلر­های 8 بیتی همچون AVR وجود دارند. همچنین می­ توان از EEPROM­ های خارجی مانند سری آیسی­ های AT24Cx نیز نام برد.

EEPROM یا Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ( حافظه فقط خواندنی قابل برنامه ریزی و پاکسازی به صورت الکتریکی )، قابلیت برنامه ریزی و پاک کردن اطلاعات را به صورت الکتریکی بر روی خود فراهم می­‌کنند. اطلاعاتی که بر روی EEPROM نوشته می­‌شود، با قطع منبع تغذیه از میکرو پاک نشده و در حافظه به صورت پایدار باقی خواهد ماند و با هر بار روشن شدن مدار، امکان بازیابی این اطلاعات از روی حافظه EEPROM امکان پذیر می‌باشد.

---

نمونه ای از کاربرد EEPROM در میکروکنترلر­ها

به عنوان یک نمونه از کاربرد حافظه EEPROM، فرض کنید می­‌خواهیم سامانه‌­ای جهت کنترل دمای یک اتاق طراحی کنیم. این سامانه دمای مد نظر را از کاربر دریافت کرده و درصورتی که دما از مقدار دریافت شده توسط کاربر، بالاتر یا پایین تر برود، سامانه سرمایشی یا گرمایشی جهت رساندن دمای محیط به مقدار تعیین شده توسط کاربر فعال می­‌گردد. از آن جایی که می­ خواهیم در هر بار روشن شدن سامانه کنترل دما، نیازی به وارد کردن دمای مد نظر توسط کاربر نباشد، در برنامه نوشته شده، این مقدار را در حافظه EEPROM میکرو یا EEPROM­ های خارجی ذخیره می‌کنیم. به این ترتیب با هر بار روشن شدن و راه اندازی مدار، نیازی به تنظیم مجدد و وارد کردن اطلاعات توسط کاربر نمی‌باشد.

---

EEPROM در STM32

از آن‌جایی که میکرو­کنترلر­های STM32 فاقد این نوع از حافظه ­ها می‌باشند در نگاه اول چاره ­ای جز استفاده از EEPROM­ های خارجی به صورت مجزا دیده نمی‌شود. اما این قابلیت در میکرو­های سری STM32 وجود دارد تا بتوان بخشی از حافظه FLASH در این نوع از میکرو‌ها را تبدیل به EEPROM کرده و به نوعی EEPROM را در حافظه FLASH شبیه سازی نمود.

حافظه­ های فلش حافظه‌­هایی هستند که برنامه اصلی با پروگرامر بر روی آن‌ها ریخته می‌شود و معمولا توسط برنامه، برای نوشتن دیتا قابل دسترس نمی‌باشد. اما در میکرو­های STM32 دسترسی به این حافظه، توسط خود میکرو و برنامه نوشته شده امکان پذیر است.

---

کلیات آموزش

در این آموزش قصد داریم یک شمارنده باینری را بر روی میکروکنترلر STM32 پیاده سازی کنیم که با هر بار قطع و وصل شدن تغذیه از مدار، آخرین مقدار شمرده شده بر روی LED های روی برد برد، مجدد نمایش داده شود و شمارش از همان نقطه‌ای که تغذیه قطع شده بود ادامه یابد.

همچنین برای راحتی کاربران، یک کتابخانه آماده جهت شبیه سازی EEPROM در میکروکنترلر­های STM32 جهت دانلود قرار گرفته است. می توانید برای دریافت فایل کتابخانه از  این لینک استفاده نمایید.

پروژه از طریق STM32CUBEMX تولید و سپس در Keil IDE کدنویسی شده و اضافه کردن کتابخانه‌ها در این محیط انجام خواهد گرفت. البته روند کار در محیط IDE­ های دیگر همچون IAR و CUBEIDE یکسان بوده و می توان از روش گفته شده برای IDE­ های استاندارد دیگر نیز استفاده نمود.

---

تعریف پروژه

برای اجرای این آزمایش، از یک برد Bluepill با میکروی STM32f103C8T6، یک کلید و چهار LED استفاده شده است. کاربر با هر بار فشردن کلید، مقدار شمارنده باینری را افزایش داده و عدد بر روی LED­ ها نمایش داده می‌­شود. با قطع کردن تغذیه مدار و وصل کردن مجدد آن، آخرین مقدار شمارش شده بر روی LED ها بارگذاری شده و شمارش از آن نقطه ادامه می‌­یابد.

---

وسایل مورد نیاز

• برد Bluepill با میکروی STM32F103C8T6
• برد بورد
• LED
• سیم برد بردی
• پروگرامر St-link V2

 

---

شماتیک مدار 

---

مراحل انجام آزمایش

ابتدا نرم افزار STM32CUBEMX را باز کرده و بعد از انتخاب گزینه ACCESS TO MCU SELECTOR، میکروی STM32f103C8T6 را انتخاب می‌­کنیم ( شما می‌­توانید میکرو مورد نظر خود را از سری F0 ،F1 و یا F3 انتخاب کنید).

در محیط CUBE، پایه PB12 را برای کلید، ورودی (input) و پایه­ های PB4  ،PB5 ،PB6 و PB7 را برای اتصال LED ها، خروجی (output) تعریف می‌کنیم.

همچنین پایه PB12 را که پایه مربوط به اتصال کلید است، در نرم افزار Cubemx با رفتن به قسمت System Core و سپس GPIO به صورت Pullup تعریف می‌کنیم.

سپس به سربرگ Project Manager رفته و در آن جا نام پروژه، محل ذخیره سازی و IDE مد نظر خود را برای توسعه برنامه انتخاب می­‌کنیم.

 بر روی GENERATE CODE کلیک کرده و منتظر مانده تا پروژه تولید شود.

بعد از تولید کد، یک دیالوگ باکس با پیغام موفقیت آمیز بودنِ تولیدِ کد ظاهر می­‌شود که با کلیک بر روی Open project، مستقیما به محیط IDE انتخاب شده برای کد نویسی، که در اینجا برای ما محیط Keil می­‌باشد خواهیم رفت.

 

در محیط Keil از قسمت Application/User/Core فایل main.c را باز می‌کنیم.

حال باید فایل­ های کتابخانه­ مربوط به eeprom را به پروژه اضافه کنیم. این کتابخانه شامل یک فایل “c.” و دو فایل “h.” می‌باشد که باید در مسیر پوشه Core و در داخل پوشه های Src و Inc کپی شوند.  توجه شود که در نسخه­­‌های قدیمی CUBEMX بعد از تولید کد، پوشه­ های Src و Inc درون پوشه اصلی پروژه قرار دارند.

بعد از دانلود و دریافت فایل‌های کتابخانه، فایل eeprom.c را در پوشه Src و فایل­ های eeprom.h و eepromConfig.h را درون پوشه Inc قرار دهید.

بر روی Application/User/Core کلیک راست کرده و گزینه Add Existing Files to Group را انتخاب و فایل eeprom.c را اضافه کنید.

---

کد نویسی

حال به سراغ کدنویسی می‌رویم. ابتدا در قسمت Private includes، کتابخانه eeprom.h را اضافه کنید.

در صورتی که می‌خواهید سری میکروی مورد نظر خود را تغییر دهید، می‌­توانید با کلیک راست بر روی eeprom.h و انتخاب گزینه open document ­ فایل کتابخانه را باز کرده و هدر میکروی مدنظر خود را جایگزین کنید.

کتابخانه به صورت پیش فرض بر روی stm32f1 تنظیم شده است که با تغییر عدد جلوی f (f0، f3) می­‌توانید از این کتابخانه برای سری­ های دیگر نیز استفاده کنید.

برای نوشتن بدنه اصلی برنامه، مجدد به فایل main.c بر می­‌گردیم.

توابع مورد استفاده، برای ذخیره سازی مقادیر مورد نیاز و خواندن اطلاعات در این آزمایش به شرح زیر می باشد:

EE_Write(n,m);

تابع EE_Write برای نوشتن دیتا در حافظه فلش میکرو مورد استفاده قرار می‌­گیرد که در آن n شماره خانه ای از حافظه، و m دیتایی است که می خواهیم ذخیره کنیم.

EE_Read(n,q);

تابع EE_Read برای خواندن دیتا از حافظه به کار می رود که در آن n شماره خانه و q آرایه ای است که دیتا خوانده شده از حافظه فلش به آن منتقل می‌­گردد.

برای شروع کار ابتدا یک آرایه از نوع unit32_t به صورت گلوبال و همچنین یک متغیر از نوع int به نام cnt با مقدار اولیه صفر تعریف کنید.

/* USER CODE BEGIN PV */ 
int cnt=0; 
uint32_t eeprom_buffer[2];
/* USER CODE END PV */

حال برنامه به صورت زیر تکمیل می‌شود:

در قسمت 1 ابتدا وضعیت کلید خوانده می­‌شود. کلید از قبل Pullup شده و با هر باز زدن آن، پایه مربوطه صفر می­‌گردد. مقدار cnt زیاد شده و در نهایت با دستور HAL_GPIO_WritePin عدد داخل متغیر cnt بر روی پایه‌های مورد نظر دیده خواهد شد و از طریق تابع EE_Write مقدار cnt در خانه صفرم حافظه ذخیره می‌گردد.

در قسمت 2 با استفاده از تابع EE_Read ، خانه صفرم خوانده شده و در آرایه eeprom_buffer که قبل تر تعریف کرده بودیم ریخته می­‌شود. این مقدار به صورت پیش فرض در خانه صفرم آرایه ذخیره شده است که آن را به cnt منتقل می‌کنیم (cnt = eeprom_buffer[0]).

سپس مقدار cnt را مجددا با دستور HAL_GPIO_WritePin بر روی LED ها نمایش می‌دهیم.

/* USER CODE BEGIN 2 */
  EE_Read(0,eeprom_buffer);
    cnt = eeprom_buffer[0];
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,cnt<<4,GPIO_PIN_SET);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
        if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_12) == 0)
        {
        cnt++;
    if(cnt>15) cnt=0;            
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,0xf<<4,GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,cnt<<4,GPIO_PIN_SET);
        EE_Write(0,cnt);    
        HAL_Delay(300);
        }
  }
/* USER CODE END 3 */

 

حال برنامه را Build کرده و با اتصال پروگرامر ST-LINK به برد، برنامه را LOAD می‌کنیم.

 

اکنون با فشردن کلید عدد روی LED ها افزایش خواهد یافت. حال اگر تغذیه مدار را قطع کنیم و مجدد تغذیه را متصل نماییم، مشاهده خواهد شد که آخرین عدد دوباره روی LED ها به نمایش در می‌آید و با فشردن کلید، شمارش از همان جایی که تغذیه مدار قطع شده بود ادامه خواهد یافت. همچنین می‌توانید نتیجه کار را در ویدیوی زیر مشاهده کنید:

---

نتیجه گیری

در این مطلب حافظه EEPROM را بر روی حافظه FLASH در میکروکنترلر های STM32، بدون نیاز به اضافه کردن EEPROM خارجی ایجاد کردیم تا امکان ذخیره سازی مقادیر مهمی را که نیاز است توسط مصرف کننده در سامانه درج شود را در حافظه خود میکرو ذخیره سازی کنیم در نهایت با هر بار روشن شدن مدار، مقادیر مربوطه در سامانه بارگذاری شده و نیاز به تنظیم مجدد آن ها توسط کاربر مرتفع می‌گردد.