MotionDriver da InvenSense no STM32CubeIDE

Introdução

Neste post, mostramos como utilizar a biblioteca oficial da fabricante da MPU6050 para movimentar um retângulo virtual com a placa BluePill. A leitura dos posts abaixo é de grande valia para a compreensão do projeto implementado.

MotionDriver da Invensense

A biblioteca oficial da fabricante, baixada em https://invensense.tdk.com/developers/download/emd-5-1-3/ – requer login-, foi implementada para placas de desenvolvimento da Invensense. Entretanto, seu código pode, facilmente, ser adaptado para a BluePill. Todas as alterações pertinentes feitas nos arquivos fonte e cabeçalhos estão, nestes, explicadas por comentários. Esta implementação utiliza as funções com bloqueio disponibilizadas na HAL para a interface I₂C. O tempo de espera máximo para a conclusão destas funções está configurado para 1000 ms. Isso pode ser alterado nos arquivos da biblioteca e uma função para seleção deste parâmetro pode ser criada, se necessário. A biblioteca adaptada pode ser baixada em https://github.com/eletrogate/cubeIDE-MotionDriver. Para utilizá-la em um projeto:

Localize, na pasta descompactada ou no repositório local, o diretório core-driver-eMPL;

pasta core-driver-eMPL destacada no diretório raiz do repositório local

Copie-o e cole-o no diretório raiz de seu projeto;

diretório da biblioteca destacado na raiz do projeto

A pasta será exibida no gerenciador de arquivos do IDE:

diretório da biblioteca exibido no gerenciador de arquivos do IDE

Acesse Project → Properties;
menu Properties selecionado na aba Project
neste, selecione C/C++ General → Paths and Symbols → Includes → Add → Is a workspace path → Workspace… → core-driver-eMPL → OK → OK

opções para inclusão do cabeçalho destacadas (1)

opções para inclusão do cabeçalho destacadas (2)

após, selecione C/C++ General → Paths and Symbols → Source Location → Add Folder… → core-driver-eMPL → OK → Apply and Close

opções para inclusão do código-fonte destacadas

Para utilizar os recursos da biblioteca em seu código, insira, na divisão

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
/* USER CODE END Includes */

as diretivas

#include "inv_mpu.h"
#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"

Obs.: esta implementação da biblioteca está pré-configurada para uso junto à mpu6050. Para utilizar outro sensor, altere a diretiva #define MPU6050, na linha 159 do inv_mpu.c

Recursos da Biblioteca

Para operar e monitorar o sensor por meio das funções disponibilizadas por esta biblioteca, deve-se, no mínimo:

habilitar, no nome_do_projeto.ioc, uma interface i2c;
selecionar esta interface pela função int mpu_set_i2c(I2C_HandleTypeDef *i2c_selecionada)
iniciar o módulo pela função int mpu_init(struct int_param_s *int_param) -nesta implementação, a estrutura int_param_s não é utilizada;
habilitar os sensores desejados pela função int mpu_set_sensors(unsigned char sensors);

Em adição, para habilitar e utilizar o DMP do módulo, é necessário:

definir a matriz de orientação do sensor, como em

static signed char orientacaoDoSensor[9] = { 1, 0, 0,
                                             0, 1, 0,
                                             0, 0, 1 };

carregar o firmware do processador digital de movimentos pela função int dmp_load_motion_driver_firmware(void);
calcular, utilizando static inline unsigned short inv_orientation_matrix_to_scalar(const signed char *mtx) com a matriz de orientação como argumento, o inteiro correspondente a esta;
calcular, utilizando int dmp_set_orientation(unsigned short orient)com o valor retornado pela função anterior como argumento, a orientação da mpu em seu sistema;
habilitar, utilizando a função int dmp_enable_feature(unsigned short mask), os recursos desejados;
inicializar o DMP pela função int mpu_set_dmp_state(unsigned char enable);

Os valores processados pelo DMP são disponibilizados, exclusivamente, pela fila de transmissão FIFO do módulo. Para lê-los, utilize a função int dmp_read_fifo(short *gyro, short *accel, long *quat, unsigned long *timestamp, short *sensors, unsigned char *more)

Todas as funções da biblioteca são explicadas no documento EmbeddedMotionDriver-APISpecification_pdf, baixado junto à biblioteca original.

Aplicativo para Teste

A fabricante disponibiliza, junto à biblioteca, um programa para teste da implementação do usuário. Este está escrito conforme as especificações da Python (< 3). Para este post, adaptamos o código-fonte deste programa para a sintaxe da Python (≥ 3); retiramos o suporte a recursos que não utilizaremos, em prol de simplicidade, e adaptamos a interpretação do quaternião à orientação do módulo no sistema. A versão adaptada é acessada na pasta motion-driver-client, encontrada na raiz do repositório do projeto.

pasta com o aplicativo adaptado destacada na raiz do repositório

Para executá-lo, é necessário ter um interpretador de Python (≥ 3) instalado. O passo-a-passo para instalação é encontrado em https://wiki.python.org/moin/BeginnersGuide/Download. Após instalar o interpretador, é necessário, também, instalar os módulos utilizados pela aplicação. Para isso, siga as instruções em https://pypi.org/project/pyserial/ e https://www.pygame.org/wiki/GettingStarted.

Materiais Necessários para o Projeto com MotionDriver da InvenSense no STM32CubeIDE

Diagrama do Circuito para o Projeto com MotionDriver da InvenSense no STM32CubeIDE

Conexões do circuito transmissor

Conexões do circuito receptor

Configuração dos Módulos HC-05

Para este projeto, algumas configurações são necessárias em cada módulo bluetooth. Para configurar cada um, conecte-o ao conversor USB-UART conforme o diagrama abaixo.

Conexões do circuito de configuração dos módulos bluetooth

Após montar este circuito, conecte-o ao computador e abra um terminal com recursos para comunicação UART, como o monitor serial do Arduino IDE. Então, configure-o para

incluir, ao fim de todas as mensagens, os caracteres especiais de nova linha e retorno do carro;
transmitir e interpretar os dados conforme 38400 bits como taxa de transmissão.

Daí, para configurar o módulo do circuito transmissor, envie, nesta ordem, os seguintes comandos:

AT+ADDR?
AT+ROLE=0
AT+CMODE=0
AT+UART=115200,0,0
AT+ROLE?
AT+CMODE?
AT+UART?

É esperado que, ao fim, o terminal exiba algo como o que é visto na imagem abaixo.

Terminal após configuração do módulo transmissor

Entretanto, a primeira mensagem recebida será diferente, porque o endereço de cada módulo é distinto dos demais.

Concluída a configuração deste, desconecte, do computador, o circuito de configuração; substitua o módulo recém configurado pelo módulo do circuito receptor e conecte, novamente, o circuito ao PC.

Então, para configurar o módulo do circuito transmissor, envie, nesta ordem, os seguintes comandos:

AT+ROLE=1
AT+CMODE=0
AT+UART=115200,0,0
AT+BIND=X₁X₂X₃X₄,X₅X₆,X₇X₈X₉X₁₀X₁₁X₁₂ (em que X_n corresponde ao n-ésimo dígito do endereço retornado na primeira mensagem da configuração do módulo do circuito transmissor e cada “:” é substituído por uma “,”. Para o pareamento com nosso módulo, por exemplo, o comando é AT+BIND=98D3,31,F5358A)
AT+ROLE?
AT+CMODE?
AT+UART?
AT+BIND?

É esperado que, ao fim, o terminal exiba algo como o que é visto na imagem abaixo.

Terminal após configuração do módulo receptor

Concluída a configuração de ambos os módulos, desconecte, do PC o circuito de configuração; desfaça a conexão entre o pino Vcc do módulo conversor USB-UART e o barramento em que se conecta o pino EN do módulo bluetooth, transformando o circuito de configuração no circuito receptor, e conecte cada módulo ao respectivo circuito.

Acesso ao Projeto pelo STM32CubeIDE

Para acessar o projeto deste post, mesmo que esse não esteja no diretório padrão de projetos do IDE,

abra o IDE;
abra o menu File → Open Projects from File System…

Caminho para o menu de acesso a projetos externos ao diretório padrão
Abra o menu de seleção Directory…; selecione a pasta do projeto; marque, caso esteja desmarcada, a caixa seletora referente à pasta e, por fim, clique em Finish.
Procedimento no menu de acesso ao projeto

Para carregar o código, com o projeto aberto, a bateria desconectada do circuito transmissor e a BluePill conectada ao computador pelo ST-LINK V2,

abra, clicando na respectiva seta, o menu Build;
selecione 2 Release;
abra, clicando na respectiva seta, o menu Run;
acesse o menu 1 STM32 C/C++ Application

Seleção de modo de compilação e carregamento
selecione o Qualifier em que consta a pasta Release;
clique em OK.
Etapa final do carregamento do programa

Após o carregamento, desconecte a BluePill do ST-LINK.

Demonstração e Conclusão

Quando o aplicativo for executado, o programa receptor deve estar conectado ao computador. Se nenhum argumento for passado na chamada do processo, este tentará abrir a primeira porta da lista de conexões ativas. Caso queira especificar a porta a ser aberta, execute, na pasta do aplicativo, o comando python3 .\motion-driver-client.py PORTA_A_SER_USADA

Em nossa montagem, o conversor aumentador de tensão está fixado sobre uma camada de fita isolante e uma camada de fite dupla-face. Este não deve ser fixado diretamente sobre os contatos da protoboard. Se for, poderá danificar qualquer parte do sistema.

Com esta implementação da biblioteca, muitos projetos podem utilizar mais recursos da MPU6050.

Referências:

Sobre o Autor

Eduardo Henrique

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Formado técnico em mecatrônica no CEFET-MG, atualmente estuda Engenharia de Controle e Automação na UFMG. É apaixonado por eletrônica, controle, arte e, principalmente, por sua companheira, Beatriz.

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