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.

Test avec Selectronic UNO (Arduino)

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.

Documentation sur les Drivers ST7789V, ST7781R et ILI9325

Type et taille de bus :

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

Timing :

• ST7789V :
• ST7781R :
• ILI9325 :

Fonctionnement :

• ST7789V :
• ST7781R :
• ILI9325 :

Test avec la NUCLEO

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 5 - 15/10 - 19/10

Réception des commandes Farnell et Mouser, vérification et test du matériel

Les commandes sont arrivées au cours de la semaine,

• Farnell : Mardi 16 Octobre
• Mouser : Vendredi 19 Octobre

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)

Les pins et correspondances

keyboard.h

Les pins présentés au niveau des broches sont indiqué sur la figure 13 de la datasheet (Page 35/82)

On peut par exemple remarquer l'absence de certains pins nécessaires qui sont mentionnés dans les fichier .h d'Epsilon (ion/src/device) (dépot git d'Epsilon).

Par exemple, pour la réalisation de la matrice clavier, il est indiqué que les GPIO C et GPIO E sont utilisés de PC0 à PC5 ainsi que PE0 à PE8 (keyboard.h)

Cependant, sur la figure 13,

• PE0 est sur CN10 (D34)
• PE1 est absent
• PE2 est sur CN9 (D56)
• PE3 est sur CN9 (D60)
• PE4 est sur CN9 (D57)
• PE5 est sur CN9 (D58)
• PE7 est sur CN10 (D41)
• PE8 est sur CN10 (D42

Dans le cas du clavier, cela ne pose pas un grand soucis, il faudra utiliser un autre pin disponible et effectuer la modification dans le fichier keyboard.h

Semaine 6 - 22/10 - 26/10

Soutenance Intermédiaire

Au vue de l'absence de résultats matériels à cette date (Vendredi 26/10), les objectifs du projet ont été revu à la baisse.

• Suppression de la partie USB du projet (nécessité de compétence en programmation embarquée)
• 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

Semaine 8 - 05/11 - 21/11

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

En prenant en compte les nouveaux objectifs, j'ai commencé à étudier la liste des pins dans les fichiers .h d'epsilon en comparant avec les pins disponibles sur la carte NUCLEO

L'étude des pins a été réalisé en fonction de la datasheet de la carte NUCLEO-F412ZG (Partie des pins : stm32F412_pin-description.pdf)

backlight.h

PIN	Rôle	Mode	Fonction	Localisation sur la NUCLEO
PC6	Backlight Enable	Output		CN7 (1)

Par rapport au schematic, PC6 est connecté au LCD_LIGHT du RT9365GQW

NB: Initialement, il n'était pas prévu d'utiliser un écran de NumWorks, mais un shield LCD.

//TODO : vérifier si l'absence du RT9365GQW peut poser problème

base64.h

à priori aucun changement à effectuer

battery.h

PIN	Rôle	Mode	Fonction	Localisation sur la NUCLEO
PA0	BAT_CHRG	Input, pulled up	Low = charging, high = full	CN10 (29)
PA1	VBAT_SNS	Analog	ADC1_1	ABSENT

• PA1 étant absent, et la fonction ADC1_1 n'est disponible sur aucun autre pin pouvant servir de substitut

console.h

PIN	Rôle	Mode	Fonction	Localisation sur la NUCLEO
PC11	UART3 RX	Alternate Function	USART3_RX	CN8 (10)
PD8	UART3 TX	Alternate Function	USART3_TX	ABSENT

• Dans le cas de la fonction USART3_TX le pin PD8 peut être remplacé par PB10 (Présent sur CN10 (32)) ou PC10 (Présent sur CN8 (6)) qui disposent de ces fonctions alternatives

device.h

Aucune modification prévue

display.h

PIN	Rôle	Mode	Fonction	Localisation sur la NUCLEO
PA2	LCD D4	Alternate Function 12	FSMC_D4	CN10 (11)
PA3	LCD D5	Alternate Function 12	FSMC_D5	CN9 (1)
PA4	LCD D6	Alternate Function 12	FSMC_D6	CN7 (17)
PB12	LCD D13	Alternate Function 12	FSMC_D13	CN7 (7)
PB14	LCD Power	Output		ABSENT
PD0	LCD D2	Alternate Function 12	FSMC_D2	CN9 (25)
PD1	LCD D3	Alternate Function 12	FSMC_D3	CN9 (27)
PD4	LCD Read Signal	Alternate Function 12	FSMC_NOE	CN9 (8)
PD5	LCD Write Signal	Alternate Function 12	FSMC_NWE	CN9 (6)
PD7	LCD Chip Select	Alternate Function 12	FSMC_NE1	CN7 (17)
PD9	LCD D14	Alternate Function 12	FSMC_D14	ABSENT NON REMPLACABLE
PD10	LCD D15	Alternate Function 12	FSMC_D15	ABSENT NON REMPLACABLE
PD11	LCD data/command	Alternate Function 12	FSMC_A16	CN10 (23)
PD14	LCD D0	Alternate Function 12	FSMC_D0	CN7 (16)
PD15	LCD D1	Alternate Function 12	FSMC_D1	CN7 (16)
PE9	LCD Reset	Output		CN10 (4)
PE10	LCD D7	Alternate Function 12	FSMC_D7	CN10 (24)
PE11	LCD D8	Alternate Function 12	FSMC_D8	CN10 (6)
PE12	LCD D9	Alternate Function 12	FSMC_D9	CN10 (26)
PE13	LCD D10	Alternate Function 12	FSMC_D10	CN10 (10)
PE14	LCD D11	Alternate Function 12	FSMC_D11	CN10 (28)
PE15	LCD D12	Alternate Function 12	FSMC_D12	CN10 (30)

Nous avons donc un problème avec les fonctions FSMC_D14 et FSMC_D15 en raison de l'absence des pins PD9 et PD10

flash.h

Aucune modification prévue

led.h

PIN	Rôle	Mode	Fonction	Localisation sur la NUCLEO
PB0	LED Blue	Alternate Function 2	TIM3_CH3	CN10 (31)
PB1	LED Green	Alternate Function 2	TIM3_CH4	CN10 (7)
PC7	LED Red	Alternate Function 2	TIM3_CH2	CN7 (11)

sd_card.h

PIN	Rôle	Mode	Fonction	Localisation sur la NUCLEO
PA8	SDIO D1	Alternate Function 12	SDIO_D1	ABSENT
PB4	SDIO D0	Alternate Function 12	SDIO_D0	CN7 (19)
PB5	SDIO D3	Alternate Function 12	SDIO_D3	CN7 (13)
PB15	SDIO CLK	Alternate Function 12	SDIO_CK	CN7 (3)
PC10	SDIO D2	Alternate Function 12	SDIO_D2	CN8 (6)
PD2	SDIO CMD	Alternate Function 12	SDIO_CMD	CN8 (12)

• PA8 pour SDIO_D1 peut être remplacé par PC9 (CN8 (4))

swd.h

PIN	Rôle	Mode	Fonction	Localisation sur la NUCLEO
PA13	SWDIO	Alternate Function 0	JTMS-SWDIO	ABSENT NON REMPLACABLE
PA14	SWCLK	Alternate Function 0	JTCK-SWCLK	ABSENT NON REMPLACABLE
PB3	SWO	Alternate Function 0	JTDO-SWO	CN7 (15)

• Problème sur PA13 et PA14 pour JTMS-SWDIO et JTCK-SWCLK

timing.h

Aucune modification prévue

usb.h

PIN	Rôle	Mode	Fonction	Localisation sur la NUCLEO
PA9	VBUS	Input, pulled down		ABSENT
PA11	USB D-	Alternate Function 10	USB_FS_DM	ABSENT NON REMPLACABLE
PA12	USB D+	Alternate Function 10	USB_FS_DP	ABSENT NON REMPLACABLE

Semaine 9 - 12/11 - 21/11

Étude de la datasheet du STM32F412ZGT6

En raison de l'indisponibilité sous Fritzing de la carte NUCLE-F412ZG 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 carte Arduino UNO pour 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