IMA4 2018/2019 P5

Présentation générale

Description

Réalisation d'un prototype de NumWorks

Dans le cadre de ce projet, il s'agira dans une première partie de réaliser un prototype de calculatrice NumWorks à base de plateforme Nucleo.

L'idée proposée est de se baser sur une carte Nucleo qui présente des caractéristiques similaires à celle utilisée dans la NumWorks

• STM32F412ZG contre STM32F412VGT6 (NumWorks)

Il est également nécessaire de réaliser un PCB afin d'y installer les boutons ainsi que la LED RGB pour le mode examens. Ce PCB doit également fonctionner comme un shield intermédiaire pour le shield Nucleo où se trouve l'écran LCD.

Tout ceci sera à vérifier grâce aux datasheets/schematics des éléments concernés.

le PCB intermédiaire devra également pallier aux problèmes de connexions des pins dû aux différences entre le ZGT6 et le VGT6 de la NumWorks.

Une fois le prototype assemblé, il faudra y installer le système d'exploitation (Epsilon) et vérifier son bon fonctionnement en effectuant les modifications nécessaires.

Partie 2 : Mise à jour d'une NumWorks via une autre NumWorks

Dans cette partie, il s'agit d'essayer de développer une méthode par USB permettant à une NumWorks en version X de mettre à jour une autre NumWorks en version Y (Y < X).

Une méthode par UART étant déjà disponible, il est proposé, en dernier recours, de regarder s'il est possible d'ajouter un connecteur sur une NumWorks standard pour réaliser la programmation par une autre méthode de communication avec le STM32. (Dans le cas où la méthode par USB n'est pas possible à cause du bootloader)

La seconde partie ne peut pas être simplifiée en utilisant une méthode de transfert UART pour flasher une NumWorks. Pour flasher une NumWorks il faut qu'elle soit connectée à un hôte USB (mode DFU).

Remarques

On ne prendra pas en compte les parties telles que la gestion de l'énergie étant donné que nous utiliserons une alimentation puisqu'il s'agit d'un prototype.

Bilan séance Intermédiaire

Partie 2 abandonnée en raison d'une nécessité de compétences en programmation embarquée. (Intégration d'un mode USB hôte à l'OS de la NumWorks)

Objectifs

Partie 1 : Conception du prototype

• conception et réalisation du bouclier clavier / LED ;
• éventuellement réalisation d'un bouclier de reroutage pour connecter correctement l'écran sur la Nucleo (respecter les connexions décrites dans le fichier ion/src/device/display.h d'Epsilon ;
• compiler et charger Epsilon ;
• tester et revoir le prototype jusqu'à qu'Epsilon fonctionne correctement sur le prototype réalisé à partir du bouclier écran.

• possibilité de passer par une phase de test en utilisant un écran d'une des NumWorks fournies (utilisation non destructive imposée)

Partie 2 : Mise à jour d'une NumWorks via une autre NumWorks via USB

Préparation du projet

Cahier des charges

Écran LCD TFT 2.4 avec shield

• Sélectionner un shield LCD utilisable sur la NUCLEO-F412ZG respectant les caractéristiques imposées
• Tester le bon fonctionnement de l'écran avec une carte Selectronic UNO (Arduino UNO)
• Comparer le contrôleur de l'écran avec celui utilisé par la NumWorks (Schematics) pour déterminer la nécessité d'une carte de reroutage.

NUCLEO-F412ZG

• Utiliser Arduino IDE pour vérifier le fonctionnement de l'écran avec la NUCLEO
• Implémenter Epsilon et effectuer les modifications nécessaires pour le fonctionnement de base
• Tester l'implémentation d'Epsilon en utilisant l'écran d'une des NumWorks via le PCB qui devra être réalisé
• Tester avec un des écrans employés sur un autre projet qui concerne le clonage d'une NumWorks

PCB (clavier et LED RGB) entre la carte NUCLEO et le shield LCD

• Création d'un PCB sous fritzing pour y placer le clavier (les commutateurs tactiles) et la LED RGB servant au mode examen
• Implémenter la Carte NUCLEO-F412ZG sous fritzing car manquante dans les composants de base (seule une version antérieure est proposée) pour réaliser le PCB

Choix techniques : matériel et logiciel

Matériels

• 1x NUCLEO-F412ZG Farnell ref: NUCLEO-F412ZG
• 47x Boutons (clavier+reset) RS ref: 2-1437565-7
• 1x Résistance (reset) CMS 0603 10 kΩ RS ref: ERA3APB103V
• 1x LED RGB Mouser ref: LTST-S310F2KT
• 3x Résistance (SOT-23) CMS 0603 1 MΩ RS ref: CPF0603B1M0E
• 1x Résistance R-led CMS 0603 100 Ω RS ref: CPF0603B100RE
• 2x Résistance G-led/B-led CMS 0603 56 Ω RS ref: ERA3AEB560V
• 3x AO3424 SOT-23 RS ref: 942-IRLML6346TRPBF

Logiciels

• OS (Epsilon) : SDK

• Réalisation du PCB : Fritzing

• Réalisation des composants manquants pour Fritzing : InkScape

Liste des tâches à effectuer

Partie 1 : Conception du prototype

• Examiner les caractéristiques d'une NumWorks standard et établir un cahier des charges avec les encadrants du projet.
• Déterminer la liste des éléments qui correspondent au cahier des charges.
• Réaliser le PCB (Fritzing) (shield pour Shield Nucleo) permettant l'ajout des boutons et de la LED RGB.
• Procéder à l'assemblage et aux tests d'implémentation de l'OS.
• Effectuer les corrections au niveau d'Epsilon si nécessaire.

Partie 2 : Mise à jour d'une NumWorks via une autre NumWorks

• Déterminer s'il est possible ou non de réaliser cette fonctionnalité via USB.
• Développer, implémenter puis tester la fonctionnalité, au moyen des deux NumWorks fournies si nécessaire.
• Dans le cas où il est impossible de réaliser en USB, chercher une méthode alternative pour communiquer avec le STM32

Calendrier prévisionnel

• Soutenance intermédiare : Vendredi 26 Octobre 16H-18H
• Soutenance : Jeudi 20 Décembre

Réalisation du Projet

Semaine 1 - 17/09 - 21/09

Analyse et appropriation du Projet

Le projet étant de réaliser le prototype de la calculatrice NumWorks qui est un projet Open-Source, j'ai commencé par me documenter sur leur site afin de déterminer quels choix ont été effectué pour la conception de cette dernière.

J'ai pu trouver sur numworks.com les deux parties distinctes de mon projet. La première correspond à la partie Hardware Engineering et la seconde au Software Engineering

La partie Hardware comporte deux sections,

• Mechanical Engineering qui concerne les pièces plastiques de la calculatrices mais qui ne nous concerne pas dans le cadre d'un prototype.
• La deuxième section, Electrical Engineering est correspond à ce que nous voulons étudier afin de pouvoir réaliser un prototype.

Dans cette section nous pouvons y trouver les éléments/composants ainsi que leur Schematics et Datasheets et le PCB de la NumWorks.

• Nous pouvons voir qu'ils utilisent un STM32 F412 VGT6 comme MCU, dans notre cas, il est proposé d'utiliser également un STM32, le F412ZGT6 dont les caractéristiques sont similaires, par son appartenance à la série G des STM32F412.

Ils comportent tout deux un ARMv7-M Cortex-M4 fréquencé à 100MHz, 1Mo de mémoire flash et 256Ko de RAM.

• Le pilote d'affichage du contrôleur LCD : ST7789V

Conformément au pilote, il sera nécessaire de rechercher un écran qui respecte les caractéristiques suivantes :

- Affichage en 320*240

- bus 16-Bit

- Pilote ST7789V (ou similaire pouvant répondre aux caractéristiques)

• LED RVB : LTST-S310F2KT

Semaine 2 - 24/09 - 28/09

Analyse des schematics et d'Epsilon sur Numworks.com

à l'adresse suivante, on peut consulter les schematics réalisés lors de la conception de la Numworks

• Numworks.com - Schematics

On remarque en premier un schéma avec le MCU et les pins utilisés puis dans chaque section nous pouvons ensuite étudier chaque élément de la calculatrice.

Matrice Clavier

Dans un premier temps, nous allons nous intéresser à la matrice clavier.

C'est précisé, mais on peut remarquer l'absence de diode d'anti-ghosting.

Les signaux étant "Actifs à zéro" il est tout à fait possible de réaliser cette matrice clavier avec des boutons

Concevoir un clavier

Keyboard Matrix Help

LED RGB

Pour ce qui est de la LED, il s'agit d'un modèle qui comporte 4 entrées, une pour chaque couleur et une pour l'alimentation.

Chaque couleur est gérée via un transistor lui même géré par le pin associé.

Bouton Reset

Rien de plus simple qu'un bouton poussoir, on pourra utiliser le même type de bouton que ceux de la matrice clavier en cas de surplus.

Semaine 3 - 01/10 - 05/10

Recherche de matériel

MCU

Nous allons utiliser une carte NUCLEO-F412ZG pour mettre en oeuvre le prototype.

Il faudra cependant réaliser un PCB pour une matrice clavier similaire à celle utilisée par la Numworks ainsi que la LED RGB.

Le clavier

Nous voulons réaliser une matrice clavier, pour cela nous allons utiliser des boutons poussoirs à 4 pins RS: 479-1491

Ces derniers, grâce à leurs dimensions, présentent l'avantage de permettre à une route de passer sous le composant, entre les pattes, et ainsi éviter de court-circuiter l'ensemble.

NB: sur le schéma 1 et 2 / 3 et 4 sont toujours connectés, lorsque le bouton est enclenché, 2-4 et 1-3 sont connectés.

La Led et les transistors

En ce qui concerne les transistors, nous avons besoin d'un modèle qui correspond à celui utilisé par la Numworks:

• Datasheet AO3424
• Boitier : SOT23

Initialement j'avais proposé le IRLML6346TRPBF d'Infineon dans la fiche de commande mais ça a ensuite été regroupé avec RS: 287-667 utilisé par un autre projet.

Au niveau de la LED, le modèle utilisé par la Numworks était directement disponible.

• LTST-S310F2KT

L'écran LCD

La Numworks utilise un écran LCD fait sur mesure en 16 bits parallèle.

Dans le cadre de ce projet, il serait possible d'utilise un écran d'une des deux Numworks à disposition mais cela nécessite l'ajout d'un connecteur 31 pins sur le PCB

Nous savons que le driver utilisé par leur LCD est le ST7789V.

Un shield a été proposé en raison de son appartenance à la même famille de contrôleur (ST77XX).

Il s'agit d'un shield pour Arduino (la NUCLEO-F412ZG possède des pins compatible avec arduino)

N'étant plus disponible, une petite recherche à cependant permit de trouver un écran aux caractéristiques similaires dont le contrôleur est indiqué comme étant le ST7781R (LCD TFT Keyes)

Semaine 4 - 08/10 - 12/10

Vérifications sur le Shield LCD TFT

L'écran est arrivé en milieu de semaine, j'ai pu commencer à vérifier son fonctionnement, à commencer par des premiers tests avec une carte Arduino Uno

Semaine 5 - 15/10 - 19/10

Réception, vérification et test du matériel

NUCLEO-F412ZG

La carte NUCLEO-F412ZG sur laquelle nous souhaitons réaliser le prototype présente un STM32 F412 ZGT6.

Ce dernier, par rapport au STM32 F412 VGT6 de la NumWorks, dispose d'une plus grande quantité d'entrées/sorties (81 contre 114)

Par conséquent, il est nécessaire de déterminer s'il y aura lieu de réaliser une carte de reroutage dans le cas où l'écran que nous utilisons est branché à des pins différents via les broches.

Dans cette fiche (Page 35/82 de la datasheet de la carte NUCLEO-F412ZG), nous pouvons voir que nos deux STM32 ont des packages différents

(le VG en avant dernier et le ZG en dernier)

LQFP100 (NumWorks - STM32F412VGT6)

LQFP144 (NUCLEO-F412ZG - STM32F412ZGT6)

L'écran LCD

Afin de vérifier le contrôleur d'affichage du shield ainsi que son bon fonctionnement, j'ai utilisé une carte Selectronic UNO (via Arduino IDE).

J'ai utilisé un des scripts fournis dans la bibliothèque d'Adafruit-TFTLCD pour utiliser l'écran.

Après avoir modifié quelques lignes de code, j'ai réussi a faire fonctionner l'écran.

J'ai également pu, conformément aux datasheets des pilotes de contrôleurs afficher celui utilisé par ce dernier dans le moniteur série, il se trouve dans le registre 0x0

Cependant, le contrôleur de l'écran n'est finalement pas le ST7781R (0x7783) comme annoncé dans la fiche produit lorsque l'écran a été commandé mais le ILI9325 (0x9325).

Le fonctionnement et les caractéristiques qui diffèrent du ST7781R sont encore à déterminer.

Type et taille de bus :

• ST7789V (Numworks) :
• ST7781R (Prévu) :
• ILI9325 (Actuel) :

Timing :

• ST7789V :
• ST7781R :
• ILI9325 :

Fonctionnement :

• ST7789V :
• ST7781R :
• ILI9325 :

Je vais également avoir à tester l'écran sur la NUCLEO avant de tenter d'implémenter Epsilon et directement effectuer les modifications nécessaires.

Il y a également moyen d'utiliser Arduino IDE sur la NUCLEO : Quick Start to STM Nucleo on Arduino IDE

Semaine 7 - 29/10 - 02/11

Redéfinition des objectifs

En raison des difficultés rencontrées par d'autres projets en programmation embarquée, les objectifs ont été revu à la baisse par la suppression de la partie 2 qui implique une nécessité de compétences en programmation embarquée.

Semaine 8 - 05/11 - 21/11

Étude sur la nécessité d'un reroutage au niveau des pins

PIN du LCD Numworks	PIN Label	PIN VGT6	Numéro du pin
DB0	LCD_D0	PD14	61
DB1	LCD_D1	PD0	62
DB2	LCD_D2	PD0	81
DB3	LCD_D3	PD1	82
DB4	LCD_D4	PA2	25
DB5	LCD_D5	PA3	26
DB6	LCD_D6	PA4	29
DB7	LCD_D7	PE10	41
DB8	LCD_D8	PE11	42
DB9	LCD_D9	PE12	43
DB10	LCD_D10	PE13	44
DB11	LCD_D11	PE14	45
DB12	LCD_D12	PE15	46
DB13	LCD_D13	PB12	51
DB14	LCD_D14	PD9	56
DB15	LCD_D15	PD10	57
VDD	LCD_POW_EN	PB14	53
EXTC	LCD_EXTC	PB13	52
RESW	LCD_RESET	PE9	40
CSX	LCD_CSX	PD7	88
DCX	LCD_DAT_INS	PD11	58
WRX	LCD_NWE	PD5	86
RDX	LCD_NOE	PD4	85
TE	LCD_TE	PB10	47
LED_A	LCD_LED_A	LCD backlight power supply
LED_K1	LCD_LED_K1	LCD backlight power supply
LED_K2	LCD_LED_K2	LCD backlight power supply
LED_K3	LCD_LED_K3	LCD backlight power supply
LED_K4	LCD_LED_K4	LCD backlight power supply
GND		GND
GND		GND

PIN du shield LCD	PIN ZGT6	Numéro du pin
?	?	?

Semaine 9 - 12/11 - 21/11

Étude de la datasheet du STM32F412ZGT6

En raison de l'indisponibilité sous Fritzing de la carte STM32F412 utilisée dans le cadre du projet, j'ai du réaliser moi même les différentes vues du composant (Breadboard, Schematic et PCB) sous InkScape puis les implémenter avec l'utilitaire de création de composant.

Afin d'éviter un éventuel problème de dimensionnement, et en sachant que les pins présents sur la carte physique qui sont à réaliser sous Fritzing sont agencés de manière similaire à ceux d'une arduino UNO (voir schéma des pins rose/bleu de la STM32F412ZG plus haut) j'ai extrait les vues d'une arduino pour simplement y ajouter les pins nécessaires.

Liste des liens externes

• ST7781
• ST7781R
• ILI9325
• datasheet de la carte NUCLEO-F412ZG
• Concevoir un clavier
• Keyboard Matrix Help
• display.h @numworks/epsilon