Arduino Programming with STM32 and PlatformIO#

Keywords: VS Code, PlatformIO, PIO, Arduino Sketch, Arduino Programming, STM32

---

▷ ขั้นตอนการใช้ PIO เพื่อเขียนโปรแกรม Arduino สำหรับ STM32#

โดยปรกติแล้ว หากต้องการเขียนโปรแกรมโดยใช้คำสั่งของ Arduino และเลือกใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิป STM32 (ARM Cortex-M Processors) ของบริษัท STMicroelectronics ผู้ใช้สามารถติดตั้ง STM32Duino (Arduino Core for STM32) เพื่อใช้งานร่วมกับซอฟต์แวร์ Arduino IDE

แต่หากว่าต้องการใช้ VS Code IDE ร่วมกับ PIO Extension ก็มีขั้นตอนดังนี้

1. เปิดใช้งาน VS Code IDE แล้วไปยัง PIO Home
2. สร้างโปรเจกต์ใหม่ด้วยใช้ PIO Project Wizard เลือกใช้ Arduino สำหรับ Framework และใช้ร่วมกับ Development Platform ที่มีชื่อว่า ststm32 ("ST STM32")

รูป: บอร์ด WeAct Studio BlackPill V2.0 + อุปกรณ์ ST-Link/V2 (clone)

ในตัวอย่างนี้ต่อไปนี้ จะเลือกใช้บอร์ด WeAct Studio BlackPill v2.0 (STM32F411CEU6) และสาธิตการเขียนโค้ดเพื่อทำให้ LED ที่อยู่บนบอร์ดกระพริบได้ และเปิดใช้งาน USB CDC เพื่อให้สามารถใช้คำสั่ง printf() ส่งข้อความมายังคอมพิวเตอร์ได้

รูป: เริ่มต้นทำขั้นตอนเพื่อสร้างโปรเจกต์ใหม่ใน PIO Project Wizard ในตัวอย่างนี้ ได้เลือกใช้บอร์ด WeAct Studio BlackPill v2.0 (STM32F411CEU6)

 

เมื่อสร้างโปรเจกต์ได้สำเร็จแล้ว ลองตรวจสอบดูว่า มีการติดตั้ง ST STM32 เพิ่มแล้วหรือไม่

รูป: ค้นหาและตรวจสอบรายการ Development Platforms ใน PIO Home (ในรูปตัวอย่างแสดงให้เห็นว่า ได้มีการติดตั้ง ST STM32 แล้ว)

 

รูป: เขียนโค้ดในไฟล์ main.cpp

 

รูป: แก้ไขไฟล์ platformio.ini

 

เมื่อเขียนโค้ดในไฟล์ main.cpp และการตั้งค่าสำหรับ PIO ในไฟล์ platformio.ini แล้ว ให้ทำขั้นตอน PIO Build เพื่อคอมไพล์โค้ดของโปรเจกต์ จากนั้นทำขั้นตอน PIO Upload เพื่อทดลองใช้กับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์

รูป: เปิดรับข้อมูลจากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยทำขั้นตอน PIO Device Monitor

 

ตัวอย่างการตั้งค่าคอนฟิกและตัวเลือกสำหรับ STM32Duino Configuration ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเลือกใช้ไลบรารี C/C++ Standard Library Configuration มีดังนี้

• PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_STANDARD_LIB: ใช้ ** Standard GCC Embedded C Library / Newlib**
• PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_NANOLIB_FLOAT_PRINTF: เลือกใช้ Newlib Nano Library ที่มีขนาดเล็กลง และสามารถใช้ใช้คำสั่ง printf() สำหรับชนิดข้อมูล float ได้ด้วย
• PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_NANOLIB_FLOAT_SCANF: เลือกใช้ Newlib Nano Library และสามารถใช้คำสั่ง scanf() สำหรับ float ได้ด้วย

ถ้าหากใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่รองรับการใช้งาน Native USB อย่างเช่น ชิป STM32F4 ก็มีการตั้งค่าใช้งาน USB ที่เกี่ยวข้องดังนี้

• PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_ENABLE_CDC: CDC (generic Serial supersede U(S)ART)
• PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_ENABLE_CDC_WITHOUT_SERIAL: CDC (no generic Serial)
• PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_ENABLE_HID: HID (keyboard and mouse)

หากต้องการเปิดใช้งาน USB CDC และสามารถใช้คำสั่งของ Arduino โดยใช้คลาส SerialUSB ในการส่งข้อความได้ (ทำหน้าที่เป็น Generic Serial) เหมือนการใช้ Serial ในกรณีนี้ จะต้องตั้งค่าการใช้งานให้ได้ถูกต้อง (ดูตัวอย่างไฟล์ platformio.ini ข้างล่าง)
→ ให้เลือกใช้ PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_ENABLE_CDC

 

ตัวอย่างไฟล์ platformio.ini สำหรับโปรเจกต์ (บอร์ด WeAct Studio BlackPill V2.0 - STM32F411CEU6)

• มีการเลือกใช้อุปกรณ์ ST-Link/V2 (stlink) สำหรับการอัปโหลดโปรแกรมไปยังบอร์ดผ่านทาง SWD (Serial Wire Debug) และใช้สำหรับการดีบักการทำงานของโปรแกรมในฮาร์ดแวร์ได้ด้วย
• มีการเลือก Build Type เป็นแบบ debug เพื่อทำให้โปรแกรมที่ได้สามารถนำไปใช้กับขั้นตอน In-Circuit Debugger ได้

; PlatformIO Project Configuration File

[env:blackpill_f411ce]
; https://docs.platformio.org/en/latest/boards/ststm32/blackpill_f411ce.html
platform = ststm32
board = blackpill_f411ce
board_build.mcu = stm32f411ceu6
board_build.f_cpu = 100000000L
framework = arduino
upload_protocol = stlink
debug_tool = stlink
monitor_speed = 115200
build_type = debug
build_flags = 
  -D HSE_VALUE=25000000UL
  -D PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_ENABLE_CDC
  -D PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_NANOLIB_FLOAT_PRINTF
  -D USBCON
  -D USBD_VID=0x0483
  -D USBD_PID=0x0100  
  -D USB_MANUFACTURER="WeAct"
  -D USB_PRODUCT="\"BLACKPILL_F411CE\""

 

ตัวอย่างไฟล์ platformio.ini สำหรับโปรเจกต์
(บอร์ด WeAct Studio BlackPill V2.0 - STM32F401CCU6)

[env:blackpill_f401cc]
; https://docs.platformio.org/en/latest/boards/ststm32/blackpill_f401cc.html
platform = ststm32
board = blackpill_f401cc
board_build.mcu = stm32f401ccu6
board_build.f_cpu = 84000000L
framework = arduino
upload_protocol = stlink
monitor_speed = 115200
build_type = debug
debug_tool = stlink
build_flags = 
  -D HSE_VALUE=25000000
  -D PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_ENABLE_CDC 
  -D PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_NANOLIB_FLOAT_PRINTF
  -D USBCON
  -D USBD_VID=0x0483
  -D USBD_PID=0x0100  
  -D USB_MANUFACTURER="WeAct"
  -D USB_PRODUCT="\"BLACKPILL_F401CC\""

 

ตัวอย่างโค้ด main.cpp

#include <Arduino.h>

#define LED_PIN  PC13 // use the on-board LED

void setup() {
  pinMode( LED_PIN, OUTPUT );
  SerialUSB.begin( 115200 );
  while ( !SerialUSB ){} // wait until the SerialUSB is open
}

int led_state = 0;

void loop() {
  led_state ^= 1; // toggle LED state
  digitalWrite( LED_PIN, led_state ); // update LED output
  SerialUSB.printf( "LED: %d\n", led_state );
  delay( 500 );
}

 

---

▷ การทำขั้นตอน In-Circuit Debugging#

จากตัวอย่าง เราได้เลือกใช้บอร์ด STM32F411CEU6 และมีการใช้อุปกรณ์ ST-Link/V2 เชื่อมต่อกันผ่านทางอินเทอร์เฟส SWD (Serial Wire Debug) ถัดไปเราจะมาลองทำขั้นตอนเพื่อดีบักโค้ด โดยให้โปรแกรมทำงานร่วมกับฮาร์ดแวร์

หากดูรูปต่อไปนี้ จากแถบทางซ้ายมือ เลือกจากเมนูคำสั่ง Debug > Start Debugging เพื่อเข้าสู่โหมดการดีบัก (PIO Debug) แต่ก่อนจะเริ่ม ให้เลือกบรรทัดในโค้ด เลือกมากกว่าหนึ่งบรรทัดก็ได้ เพื่อให้เป็นตำแหน่งหยุดชั่วคราวเมื่อรันในดีบักโหมด ตำแหน่งเหล่านี้เรียกว่า Breakpoints เมื่อคลิกเลือกบรรทัดใด จะมีจุดสีแดงปรากฎขึ้นอยู่ข้างหน้า แต่ถ้าคลิกอีกครั้งจะหายไป (ยกเลิกตำแหน่งของ Breakpoint)

ในส่วนของ Watch Windows เราสามารถเลือกตัวแปรในโค้ดของเรา เพื่อดูการเปลี่ยนแปลงค่าในระหว่างที่โปรแกรมทำงานได้ ในรูปตัวอย่าง ให้สังเกตการเปลี่ยนแปลงของตัวแปร led_state ซึ่งเป็นตัวแปรภายนอก (Global Variable)

ข้อสังเกต: ในโหมดดีบัก การทำงานของโปรแกรมอาจไม่ต่อเนื่อง ถูกหยุดด้วย PIO Debugger เช่น เมื่อเริ่มทำขั้นตอนดีบัก โปรแกรมจะมาหยุดอยู่ที่คำสั่งแรกในฟังก์ชัน main() ของโปรแกรม โดยอัตโนมัติ (ถือว่าเป็น Initial Breakpoint) เนื่องจากการตั้งค่าสำหรับ debug_init_break มีค่าเท่ากับ tbreak main (default) ดังนั้นการทำงานของ USB ของ STM32F4 เพื่อใช้สำหรับ SerialUSB อาจไม่สามารถใช้งานได้ตามปรกติ

รูป: เมนูคำสั่ง Debug > Start Debugging (F5)

 

รูป: เมื่อเข้าสู่โหมดการดีบัก โปรแกรมจะทำงานมาหยุดที่คำสั่งแรกในฟังก์ชัน main() ของโปรแกรม หากต้องการรันโค้ดต่อไป ให้กดปุ่ม F5 (Continue Debug) หรือถ้าจะเริ่มการดีบักใหม่อีกครั้ง ก็ให้กดปุ่ม Ctrl+Shift+F5 (Restart Debug)

 

รูป: รันโปรแกรมต่อแล้วมาหยุดที่บรรทัดซึ่งมีคำสั่ง digitalWrite() ตามที่ได้เลือกเป็นตำแหน่ง Breakpoint แต่ถ้าไม่มี Breakpoint ใด ๆ ในโค้ด การทำงานของโปรแกรมก็จะทำงานต่อเนื่องไปตามปรกติ

หากเพิ่มบรรทัด debug_init_break = tbreak setup ในไฟล์ platformio.ini เมื่อเข้าสู๋โหมดดีบักใหม่อีกครั้ง โปรแกรมจะรันและมาหยุดครั้งแรกที่ถึงฟังก์ชัน setup() ของ Arduino Sketch โดยอัตโนมัติ

รูป: การทำงานของโปรแกรมในโหมดดีบัก เมื่อหยุดที่คำสั่งแรกของฟังก์ชัน setup()

 

---

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้นำเสนอขั้นตอนการใช้งานซอฟต์แวร์ PIO ร่วมกับ VS Code IDE เพื่อการเขียนโค้ดตามรูปแบบของ Arduino และเลือกใช้งานกับบอร์ด Black Pill (STM32F411CEU6) และใช้อุปกรณ์ ST-Link/V2 (clone) สำหรับการอัปโหลดโปรแกรมและดีบักการทำงาน และถือว่าเป็นอีกตัวเลือกหนึ่งทั้งซอฟต์แวร์ที่เป็น Open Source และฮาร์ดแวร์ที่มีราคาไม่แพง (Low-Cost) สำหรับการเรียนรู้ด้านระบบสมองกลฝังตัวและการเขียนโปรแกรมภาษา C/C++ สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

 

---

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2021-12-23 | Last Updated: 2021-12-25