stm32を用いてロボコン向けに活用できる技術を紹介したい高度な内容ができる反面嵌りやすいがサンプルを交えてテクニックやワンポイントを紹介 サンプルはこちら https://drive.google.com/open?id=1gA2wfi5YrSgIyFdHbEm-l_MZrUL55dLa

1. 【ロボコン勉強会向け】
STM32Nucleoを使い
マスタ〜スレーブシステムを作る
ミイシステム株式会社） 稲玉 繁樹
Rev.)2018/09/10
いなたま しげき

2. Mii system Co.,Ltd.
まえがき
本日はSTM32-Nucleoを使って，ロボコン向けに流⽤できる技術を紹介したいと思います。
かなり⾼度なことができる反⾯，ハマりやすく，コツと経験が求められるSTM開発ですが
サンプル事例を通じて，テクニックやワンポイントを踏まえ紹介させていただきます。
本日の概要
2
〜 Contents 〜
 はじめに
 STM32を勧める理由
 マスタースレーブシステムの例
 システム概要〜開発⼿順
 ロボコンっぽい活⽤例
 テクニック
 組込やSTMのテクニック紹介
 開発ボードの紹介

3. Mii system Co.,Ltd.
マイコン教育
 ミイシステム株式会社(Mii System Co.,Ltd.)
Mie intellectual information System
代表取締役社⻑︓ 稲玉 繁樹 （イナタマ シゲキ）
 主な事業
 組込，モータ制御を中心としたコンサルティング
 電子機器＋組込ソフトの開発
 組込 / IoT 関連の支援，教育
※ST Micro様とは，教育/セミナー関係で支援頂いております。
スピーカー紹介
3
IoT製品 データ収集システム
ESP32/ IBM Cloud Linux STM32

4. Mii system Co.,Ltd.
近年，流⾏している多数の開発ボードの中から，STM32を勧める訳は…
具体的に比較してみましょう。
STM32を勧める理由
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Function/Board Raspberry Pi3 Arduino STM32-Nucleo
Clock 1.2GHz 16MHz 48MHz
ROM/RAM 16G/1G 32k/2k 64k/8k
Price 39$ 20$ 15$
GPIO/AD/PWM 25 / x / x 14 / 8 / 6 22 / 10 / 14
Tick OS依存 Interrupt Interrupt
Compile/Debug Free Free Free
USER Group Many Many Little
Matome ◯⾼性能なLinux-PC
◯速いがOS依存周期
◯多機能とネットに強い
✕GPIO3.3V
✕起動/終了遅い
◯簡単言語
◯ユーザ＆情報多い
✕マルチタスク弱い
✕メモリ少ない
✕処理パワー弱い
◯USBデバッグ強い
◯安価，⾼性能
◯CPU変更が容易
✕情報が少ない
✕3.3Vと5Vが混在
⾼性能だが
タイミング制御
厳しい
単機能は十分
Debug⾯倒
⼤〜⼩まで
同じ技術で
カバーできる
PRO向けに技術支援

5. Mii system Co.,Ltd.
 システム概要
 マスターとスレーブをRS485にて接続し，分散型システムの基礎を作る
 マスターからの問いかけ(SD)に，スレーブが応答(RD)，CPU間をリンクさせ
MasterのSWによりSlaveのLEDを点灯させてみる
 ボーレート，周期を調整し，どれくらいの性能が出せるか試してみる
 考慮すべき仕様
 マルチスレーブを考慮したプロトコルを設計する
 スピードアップには送受信の切り替えスピードが重要
マスタースレーブシステムの開発例
5
Master
(F303)
TX
RS
485RX
5V
GND
Slave
(F303)
TX
RS
485 RX
5V
GND
SW LED
SD
RD

6. Mii system Co.,Ltd.
 RS485とは(wiki，Netより)
 2線式、半二重、マルチポイントシリアル接続を特徴とする。
 差動信号によりノイズに強く，⾼速，⻑距離を得意とする
 複数の端末とディジーチェーン接続にて拡張でき，電源も同時に配線しやすい
RS485のメリット
6
UART
0
1 RS485
A
B
H
L
A
B
余裕が無い 電位差変わらず
A>B=1
A<B=0
0.2Vまで
たくさん繋がる
kmもいけるよ
LSB MSB
 信号の例
 ノイズが乗ると

7. Mii system Co.,Ltd.STM開発⼿順とツールの紹介
7
STM32開発⼿順の例
 システム設計
 回路開発
 CPU周辺設計
 アナログ設計
 基板設計
 筐体設計
 ソフト開発
 プロジェクト生成
 コンパイル
 デバッグ
 書込
 調整作業
WORD/Excel
Nucleo
LT Spice
KiCAD
3Dプリンタ
CubeMX
MDK-ARM
MDK-ARM
ST-Link/V2-1
・仕様書，図⾯にちゃんと残そう
・設計書で設計する
MDK-ARM
STM-Studio
・回路図は仕様書や計算書で
設計根拠を残そう
・Simulator活⽤しよう︕
・CAD毎の操作方法は諦める
Point
・PackのVersionにハメられる
・MDKは安定だけど制約あり
・時々かたまるST-Link/MBED
・Printf-Debugからレベルアップ
Tool

8. Mii system Co.,Ltd.CubeMXの設定1
8
Pinout
・Peripheralsで機能を有効化
・Hardware flow control(RS485) を有効
・右クリックでLabel名をつけよう
main.h に#defineされるので活⽤する
Clock Configuration
・HCLK でメイン周期を決める
・UART1のクロックはSYSCLKから作ると64MHz
・CLKが早いと消費電⼒が上がるので，機器に
よって最適にするのも⼤切（⼤⼈になったら）

9. Mii system Co.,Ltd.CubeMXの設定2
9
USART Configuration
・Over Sampling(16:8) 16の方が安定する
8 に変更すると 8Mbpsが選べるようになる
・Parity使うときは Word Lengthが9bitになる
USART DMA
・DMAの設定はAddして選択するだけ
#昔はUARTと割込とDMAの連動とか何日も‥
・Channelはレジスタ呼ぶ時に使う場合がある

10. Mii system Co.,Ltd.CubeMXの設定3
10
コラム︓bpsの計算方法
今回のように限界までボーレートを上げ
るためには，仕組みを理解しよう。
bps = CLK / O.S. / BRR
O.S. :Over sampling
BRR :Baudrate Reg.
BRR = (CLK / O.S.) / bps – 1
= (64M / 8) / bps – 1
Project Setting
・Defaultではファイルサイズ⼤きくなるので，
図のセッティングがおすすめ
・必要なライブラリだけ組み込む
・デバイス毎に.c/.h を作る
bps CLK O.S. BRR
1M 64M 16 4 – 1 = OK
4M 64M 16 1 – 1 = OK
8M 64M 8 1 – 1 = OK
10M 64M 8 0.8 – 1 = NG
8M 72M 8 1.125 – 1

11. Mii system Co.,Ltd.実際の開発内容(Debug)
11
MDKによるコンパイル〜Debug
STM-Studioによるデバッグ
 Packの設定はハマりやすい
 USB Debugで楽々
 Break / Run / Step
 Watch / Dump
 Peripherals / Clock count
MDK-ARMをうまく使いこなそう
 変数をリアルタイム表示するツール
 デバッグ情報から変数を選択
周期設定，ログなども簡単
 メモリ書込とグラフ表示ができるので，
フィードバック調整とか楽になる
 Printf-Debugからレベルアップ

12. Mii system Co.,Ltd.
 書き込み(Nucleo-MBED)
 通常はUSB接続した状態にて，デバッガ/ST-Linkから書き込みができます。
 fromelf.exe を使うと，binファイルが作成でき，Nucleoのドライブ(Ex:”D:¥”)に
Copyする事で書き込みできます。動作が速いのでおすすめ
MK.BAT の例
書き込み方法の例
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SET Project=RS485M-F303
C:¥Progra~1¥Keil_v5¥ARM¥ARMCC¥bin¥fromelf.exe --bin -
o ..¥ROM¥%Project%.bin ..¥MDK-ARM¥%Project%¥%Project%.axf
copy %Project%.bin D:
方法 コンパイル 書込 実⾏ トータル時間
MDK 数秒 デバッガ起動 実⾏ボタン 30〜60 [s]
bin 数秒 MK.BAT 自動 5 [s]
いらいら! いらいら!
ここが⼀瞬︕
書込方法の比較

13. Mii system Co.,Ltd.
 マスタースレーブ通信を最速でリンクさせてみる(1M/4M/8M [bps])
動作状況，性能確認
13
動作状況
・マスタ，スレーブとも受信後，即返答するソフト
・無事，1-8Mbpsまでリンク成功
・⾼速になるとオーバヘッドが重く，影響する
性能結果
・1Mbps 200us周期 = 5.0 [kHz]
・4Mbps 66us周期 = 15.1 [kHz]
・8Mbps 46us周期 = 21.7 [kHz]
簡単に十分な性能が出せました@F303K8/64M
1Mbps1Mbps 4Mbps4Mbps 8Mbps8Mbps

14. Mii system Co.,Ltd.
 とあるロボットのブロック図
 左右モータドライバ
 発射装置の制御ボード
 アーム先端制御とセンサ
ロボコンっぽい活⽤例
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Master
(F4/F7)
MTR DRV.
センサ
AD
センサ
AD
センサ
I2C
IO Slave
485
MTR
ENC
MTR DRV.
MTR
ENC
Air
Valve
Sensor
Slave SW
arm
 設置場所が離れている場合や
アナログ信号の減衰対策に効果的
 センサ程度は電源も合わせて繋げる
GND / 5V / A / B の４線式でOK

15. Mii system Co.,Ltd.
 マルチスレーブに拡張できるプロトコルを使おう
 RS485のプロトコル例
通信プロトコルの例
15
PAD PAD ST ID CMD DATA ED SUM PAD
55 55 AA 01 xx xxxxxxxx AA xx 55
 Technic
 PAD ⾼速信号の⽴ち上がりが悪いので，HL振って回線を安定させる
 ST PADは捨てて，STにて電文始まりを検知
 ID ボード毎の局番 (Ex.:01=MTR 02=Sensor 03=IO)
 CMD コマンドにより処理を分けるなどができる
 DATA コマンド毎に固定⻑で処理すると楽
 ED 終了判定コード
 SUM 電文のエラーチェック，チェックサムやCRCなど
 PAD とりあえず，おやくそく

16. Mii system Co.,Ltd.利⽤効率を⾼めるプログラムの例1
16
こんなプログラム書いてませんか…
Loop{
センサ１送信→受信→処理
センサ２送信→受信→処理
センサ３送信→受信→処理
ロボット軌道計算→司令決定
モータ１送信→受信→処理
モータ２送信→受信→処理
アーム信号読出→AD待ち→処理
アーム司令→動作完了待ち
PCコマンド受信→処理
PCコマンド送信→送信完了待ち
}
Loop に5 – 10 [ms] かかる︖
STMは 1 [ms] 周期で十分回せます
悪いプログラム，あるある（組込編）
・Delayで調整
・for文でwaitしてる
・if〜break;でループ抜けてる
・if文が５段６段に増殖
・返答待ち／処理待ちがあちこちに
・毎回，全部の処理を実⾏
・受信タイムアウトが無い
・⼩数の割り算してる
・変数が全部float
・変数名が適当，関数名がkansu1()
・コメントが無い／謎のコメントがある
・・・

17. Mii system Co.,Ltd.利⽤効率を⾼めるプログラムの例2
17
LOOP
・main()内はコード書かず，サブルーチンの
呼び出しだけが良い
・処理の順序を再確認
・LOOPは時間のかかる処理だけ
定時割込で⼤事な処理を実⾏
・割込レベル間の変数書込は要注意
Sequence
・１状態，１処理が基本
・１処理内でif文による処理分け禁⽌
処理分けしたければ状態を増やす
Interrupt
・無駄な待ち，エラーによる待ちが無いこと
・優先順位，多重割込，しっかり設計
GPIO
・複数回読みしてチャタリング除去しよう
・SWとかは20ms毎とかで十分
AD変換
・変換開始→他の処理→読出し
・DMA使い裏で変換させる
・複数回変換して平均など
・⼊⼒インピーダンスと変換時間は正確に
Serial通信
・送信はDMAが楽
・送信完了割込で受信開始
・受信数をチェック，⼀定時間でタイムアウト

18. Mii system Co.,Ltd.
 +5Vへ電源つないでも動きません
 SB16/SB18 によるポート制約
 File System 故障による起動不良
 ⼊⼿タイミングにより品薄に
 systick の初期化タイミング，ハマった
 ADの初期設定が最速，おすすめしない
 UARTの再初期化、パリティの説明
 MDK無料化すると，F3/F4デバッグの際は注意
 Version UPでProjectが混乱しやすい
 Packの更新は要注意
STM/Nucleo開発の注意点とコツ
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→ はまると情報量が少なく時間がかかる
→ 詳しい⼈，教えてくれる⼈がいると助かる．．．切に願う．．．

19. Mii system Co.,Ltd.HAL関数の例
19
よく使うHAL関数
Function Description
HAL_Delay() ⼀定時間待つ
HAL_GetTick() 時刻(TickCount)取得
HAL_GPIO_ReadPin() Port⼊⼒
HAL_GPIO_WritePin() Port出⼒
HAL_ADC_Start_DMA() AD変換(DMA)開始
HAL_UART_Abort() 通信停⽌（初期化）
HAL_UART_Transmit_DMA() UART-DMA送信
HAL_UART_Receive_DMA() UART-DMA受信
HAL_UART_TxHalfCpltCallback() 送信完了割り込み
HAL_TIM_PeriodElapsedCallback() タイマー割り込み
HAL_I2C_Master_Transmit() I2C送信
→ 上記のHAL関数にてSOFTはほぼ完成，HALの使⽤例が少なく苦労しました
→ 時々，レジスタ参照する必要があり，ハマりどころでした

20. Mii system Co.,Ltd.
 STM32日本語情報
 「STM32日本語情報」で検索 →
STM32/STM8 マイクロコントローラ リファレンス マニュアル(日本語)
https://www.stmcu.jp/design/document/reference_manual_j/
 STM32マイコン マンスリー・アップデート
 STM情報が送られてくるメールマガジン
https://www.stmcu.jp/monthly-update/
 この中に，STM32の日本語データシートのリンクがあります
 登録は直接，またはリスト貰えれば当社から取次できます
 セミナー情報
 当社にて「STM32フォローセミナー」 「IoT時代のものづくりセミナー」を提供中
 学校向けの授業，特別実習など，ご相談ください
STM情報
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21. Mii system Co.,Ltd.開発ボードの紹介(IO-BASE)
21
Summary
マイコンの基本学習⽤
操作，表示機能
CPUのベースボード
Device
SW x 3
DIPP x 2
LED x 2
LCD(8x2)
Shield x 3
Peripheral
GPIO
A/D
I2C

22. Mii system Co.,Ltd.DC Motor Shield
Summary
DCモータ駆動⽤ x 2
電流検出回路付き
Device
H-Bridge x 2
45V/2A Max
Encoder(A/B)
Current(Shunt)
RS485 x 1
Peripheral
GPIO
PWM
TMR(Counter)
AD
UART
22
62.2x19.0[mm]

23. Mii system Co.,Ltd.RC Servo Shield
Summary
RCサーボ，ソレノイドを
PWM駆動できます
8ch同時駆動
Device
TD62783(Source)
50V/500mA Max
RS485 x 1
Peripheral
GPIO
PWM
UART
23
64.8x19.0[mm]

24. Mii system Co.,Ltd.RS485 Shield
Summary
シリアル通信基板
RS485によるネットワーク
自作回路⽤エリア
Device
Half Duplex
RS485 x 1
Peripheral
UART
24
60.9x49.9[mm]

25. Mii system Co.,Ltd.
 STM-Nucleoを使ってマスタースレーブシステムの例を紹介
簡単に⾼性能な通信ができることがわかりました。
 ロボット向けに分散システムを作る例を紹介しました
⾼速リンクを習得すれば，機能毎に効率よく分散配置できます。
 ST開発のテクニック，ポイントを紹介しました
効率良いプログラムを作れるようになりましょう。
質問，ご相談は懇親会にて︕（デモ機展示します）
資料／サンプルソースも公開します︕
ご清聴ありがとうございました︕
まとめ
25
ミイシステム株式会社） 稲玉 繁樹
2018/09/10
いなたま しげき