無刷電機(jī)小車開發(fā)記錄03——PWM信號(hào)輸入捕獲驅(qū)動(dòng)

前言

??好吧，轉(zhuǎn)眼一看，距離上一篇文章已經(jīng)過去了兩個(gè)月了。只能說工作和家庭的各種事情確實(shí)太多了，人到中年屬于自己的時(shí)間確實(shí)越來越少了，再不過來調(diào)一下這個(gè)小車估計(jì)都要生銹了。所以今天過來接著做下一步工作。之前是完成了BSP的移植和導(dǎo)入，接下來就要嘗試移植FOC算法了，開源的FOC算法也比較多，我這里打算利用SimpleFOC進(jìn)行移植。本身的SimpleFOC是基于C++的，這里要移植成C代碼。另外，SimpleFOC的SDK其中已經(jīng)適配了很多種類的傳感器，驅(qū)動(dòng)器以及無刷電機(jī)。如果硬件使用的是它已經(jīng)適配的方案，則只需要簡單配置一下就可以驅(qū)動(dòng)了。而我這里是要在RTThread下移植FOC，更傾向于使用RTThread的框架，所以各種傳感器和驅(qū)動(dòng)器的適配計(jì)劃加到RTThread的驅(qū)動(dòng)這邊來做。FOC那邊只移植SimpleFOC的核心算法即可。所以在正式移植FOC算法之前，還需要先搭建用到的底層驅(qū)動(dòng)。今天就先整理一下讀取磁編碼器PWM信號(hào)的輸入捕獲驅(qū)動(dòng)的移植記錄。其實(shí)某些適配更好的BSP內(nèi)的RTThread驅(qū)動(dòng)庫里面已經(jīng)有了輸入捕獲驅(qū)動(dòng)，但只是捕獲了輸入脈寬的時(shí)間，而我這里需要的是捕獲PWM信號(hào)的占空比，也就對(duì)應(yīng)了磁編碼器探測到的電機(jī)位置。但大體功能類似，所以隨便找一個(gè)類似的底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行一下修改和移植即可。

磁編碼器簡介

??我這里用的是賽卓電子的國產(chǎn)磁編碼器芯片SC60228，詳情請看其數(shù)據(jù)手冊，主要特性如下：

移植RTT驅(qū)動(dòng)

??這個(gè)比較簡單，因?yàn)镽TT驅(qū)動(dòng)庫內(nèi)已經(jīng)有了“rt_inputcapture.c”的驅(qū)動(dòng)文件，在SDK的“rt-thread/components/drivers/misc”目錄下。只不過大多數(shù)的BSP沒有做對(duì)應(yīng)的適配而已。那先不管BSP那邊的適配問題，先把這個(gè)C文件和對(duì)應(yīng)的頭文件拷貝一份，比如我重命名為“PWM_input_capture.c”和“PWM_input_capture.h”。

然后代碼內(nèi)容改動(dòng)不大，主要改的是返回的數(shù)據(jù)除了脈寬時(shí)間還有一個(gè)周期時(shí)間，這樣就可以計(jì)算輸入PWM信號(hào)的占空比了。另外，原有的驅(qū)動(dòng)上使用的是ringbuffer做了一個(gè)數(shù)據(jù)緩存，這樣數(shù)據(jù)處理可以異步話，什么時(shí)候需要什么時(shí)候把緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀走即可。但各人考慮，我應(yīng)用的場合是用這個(gè)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)，這個(gè)PWM信號(hào)的輸入頻率也才1Khz，市面上大多數(shù)的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，底層控制頻率基本都達(dá)到了10Khz以上。所以我這里肯定不需要異步處理的，會(huì)直接用這個(gè)信號(hào)觸發(fā)底層控制。而且控制效果還需要測試，如果轉(zhuǎn)速上不去或者抖動(dòng)厲害的話，可能還需要想辦法插值細(xì)化或者改用SPI讀取編碼器數(shù)據(jù)（這也是為什么硬件上做了兩種接口的原因，就是想去測試探索一些好玩的東西）。所以我這里是直接去掉了ringbuffer，加入了信號(hào)量。到時(shí)候上層開一個(gè)線程去等待這個(gè)信號(hào)量去跑FOC算法。頭文件修改如下：

1structpwm_inputcapture_data 2{ 3rt_uint32_tpulsewidth_us;//脈寬 4rt_uint32_tpulsecycle_us;//周期 5}; 6structpwm_inputcapture_device 7{ 8structrt_deviceparent; 9conststructpwm_inputcapture_ops*ops; 10rt_sem_t*sem; 11structpwm_inputcapture_datapulse_param; 12}; 13/** 14*captureoperators 15*/ 16structpwm_inputcapture_ops 17{ 18rt_err_t(*init)(structpwm_inputcapture_device*inputcapture); 19rt_err_t(*open)(structpwm_inputcapture_device*inputcapture); 20rt_err_t(*close)(structpwm_inputcapture_device*inputcapture); 21}; 22voidpwm_hw_inputcapture_isr(structpwm_inputcapture_device*inputcapture); 23rt_err_trt_device_pwm_inputcapture_register(structpwm_inputcapture_device*inputcapture, 24constchar*name, 25void*data);

C文件主要修改的是回調(diào)函數(shù)，把之前的數(shù)據(jù)加入ringbuffer的操作改成了釋放信號(hào)量，其它地方的修改都是一些簡單的適配，由于C代碼較多，我這里就不都貼出來了，相信大家肯定會(huì)自己完成適配，甚至比我的還要適配的好。而我的代碼，等我第一期的功能開發(fā)完了，會(huì)整體開源出來。C代碼主要修改的回調(diào)函數(shù)如下：

1voidrt_hw_pwm_inputcapture_isr(structpwm_inputcapture_device*inputcapture) 2{ 3rt_sem_release(inputcapture->sem); 4if(inputcapture->parent.rx_indicate!=RT_NULL) 5inputcapture->parent.rx_indicate(&inputcapture->parent,1); 6}

適配BSP驅(qū)動(dòng)

??BSP驅(qū)動(dòng)的適配稍微麻煩一點(diǎn)，如果大家能找到其它類似BSP內(nèi)的相似驅(qū)動(dòng)可以進(jìn)行移植，那我這里簡單找了一下并沒有找到，所以仿照RTT的驅(qū)動(dòng)適配方式，自己適配了一下。主要實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)就是開啟每個(gè)Timer的CH0和CH1雙通道對(duì)CI0或者CI1輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行采樣，一個(gè)捕獲脈寬，一個(gè)捕獲周期，從而得到占空比。剩下的就是一些向下調(diào)用GD32的驅(qū)動(dòng)庫API，向上適配RTT的驅(qū)動(dòng)接口。同樣，下面只給出主要的初始化代碼和中斷處理代碼，其它的可自行實(shí)現(xiàn)或者關(guān)注我后續(xù)開源的代碼。

1rt_err_tpwm_inputcap_init(structpwm_inputcapture_device*pwm_incap) 2{ 3uint32_tsys_clk_freq; 4uint32_ttimer_prescaler=1; 5uint32_ttrigger_ch; 6timer_parameter_structTimerConfig; 7timer_ic_parameter_structTimerICConfig; 8structgd32_pwm_inputcapture_device*pwm_incap_device; 9pwm_incap_device=(structgd32_pwm_inputcapture_device*)pwm_incap; 10rcu_periph_clock_enable(pwm_incap_device->timer_rcu); 11rcu_periph_clock_enable(pwm_incap_device->GPIO_rcu); 12gpio_init(pwm_incap_device->GPIOx,GPIO_MODE_IN_FLOATING,GPIO_OSPEED_50MHZ,pwm_incap_device->PINx); 13sys_clk_freq=rcu_clock_freq_get(CK_SYS); 14LOG_I("systemclockfrequency:%d",sys_clk_freq); 15TimerConfig.alignedmode=TIMER_COUNTER_EDGE; 16TimerConfig.clockdivision=TIMER_CKDIV_DIV1; 17TimerConfig.counterdirection=TIMER_COUNTER_UP; 18TimerConfig.period=65535U; 19do{ 20if(sys_clk_freq/timer_prescaler/TimerConfig.periodinput_freq_min) 21break; 22if(timer_prescaler==65536) 23{ 24rt_kprintf("cannotconfiguretheprescalerforinputsignalfrequency:%dhz ",pwm_incap_device->input_freq_min); 25returnRT_ERROR; 26} 27timer_prescaler++; 28}while(1); 29TimerConfig.prescaler=timer_prescaler-1; 30TimerConfig.repetitioncounter=0; 31timer_init(pwm_incap_device->timerx,&TimerConfig); 32LOG_I("%stimerprescaler:%d",pwm_incap_device->name,timer_prescaler); 33TimerICConfig.icfilter=10; 34TimerICConfig.icpolarity=TIMER_IC_POLARITY_RISING; 35TimerICConfig.icprescaler=TIMER_IC_PSC_DIV1; 36TimerICConfig.icselection=TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI; 37timer_input_pwm_capture_config(pwm_incap_device->timerx,pwm_incap_device->input_ch,&TimerICConfig); 38timer_interrupt_flag_clear(pwm_incap_device->timerx,TIMER_INT_FLAG_UP); 39timer_interrupt_enable(pwm_incap_device->timerx,TIMER_INT_UP); 40trigger_ch=((pwm_incap_device->input_ch==TIMER_CH_0)?TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI0FE0:TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI1FE1); 41timer_input_trigger_source_select(pwm_incap_device->timerx,trigger_ch); 42timer_slave_mode_select(pwm_incap_device->timerx,TIMER_SLAVE_MODE_RESTART); 43timer_external_trigger_config(pwm_incap_device->timerx,TIMER_EXT_TRI_PSC_OFF,TIMER_ETP_RISING,10); 44NVIC_SetPriority(pwm_incap_device->timerx_irqn,3); 45NVIC_EnableIRQ(pwm_incap_device->timerx_irqn); 46timer_enable(pwm_incap_device->timerx); 47returnRT_EOK; 48} 49voidpwm_inputcapture_update_isr(structgd32_pwm_inputcapture_device*device) 50{ 51uint32_twidth_ch; 52/*TIMUpdateevent*/ 53if(timer_interrupt_flag_get(device->timerx,TIMER_INT_FLAG_UP)!=RESET) 54{ 55timer_interrupt_flag_clear(device->timerx,TIMER_INT_FLAG_UP); 56device->pwm_inputcap.pulse_param.pulsecycle_us=timer_channel_capture_value_register_read(device->timerx,device->input_ch); 57width_ch=((device->input_ch==TIMER_CH_0)?(TIMER_CH_1):(TIMER_CH_0)); 58device->pwm_inputcap.pulse_param.pulsewidth_us=timer_channel_capture_value_register_read(device->timerx,width_ch); 59rt_hw_pwm_inputcapture_isr(device); 60} 61}

修改工程構(gòu)建文件

修改相關(guān)SConscript文件

??在“l(fā)ibraries/gd32_drivers/SConscript”文件內(nèi)的適當(dāng)位置加入如下代碼：

1ifGetDepend(['RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE']): 2src+=['drv_pwm_inputcapture.c']

??在“rt-thread/components/drivers/misc/SConscript”文件內(nèi)的適當(dāng)位置加入如下代碼：

1ifGetDepend(['RT_USING_INPUT_CAPTURE']): 2src=src+['rt_inputcapture.c']

??意思很簡單，就是當(dāng)rtconfig.h內(nèi)定義了”RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE”宏，則把“drv_pwm_inputcapture.c”和“rt_inputcapture.c”驅(qū)動(dòng)文件加入工程，更準(zhǔn)確的是加入編譯。

修改相關(guān)Kconfig文件

??在“rt-thread/components/drivers/Kconfig”文件內(nèi)的適當(dāng)位置加入如下代碼：

1configRT_USING_INPUT_CAPTURE 2bool"UsingINPUTCAPTUREdevicedrivers" 3defaultn

??管理BSP驅(qū)動(dòng)代碼的Kconfig文件不再librares目錄下，而是在board目錄下。于是在“board/Kconfig”文件內(nèi)的適當(dāng)位置，仿照其它驅(qū)動(dòng)加入如下代碼：

1menuconfigBSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE 2bool"Enablepwminputcapture" 3defaultn 4selectRT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE 5ifBSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE 6configBSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE1 7bool"Enablepwminputcapture1" 8defaultn 9configBSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE2 10bool"Enablepwminputcapture2" 11defaultn 12configBSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE3 13bool"Enablepwminputcapture3" 14defaultn 15configBSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE4 16bool"Enablepwminputcapture4" 17defaultn 18configBSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE5 19bool"Enablepwminputcapture5" 20defaultn 21configBSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE6 22bool"Enablepwminputcapture6" 23defaultn 24endif

??意思也比較簡單，我這里適配了6個(gè)PWM的輸入捕獲驅(qū)動(dòng)，并且利用“select”語句，在BSP的驅(qū)動(dòng)管理里面自動(dòng)開啟了RTT驅(qū)動(dòng)里面的“RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE”選項(xiàng)。修改完上述代碼后，就可以用menuconfig命令或者RTThreadIDE的RT-Thread Settings圖形配置界面內(nèi)進(jìn)行配置了：

測試

??驅(qū)動(dòng)有了，再在頂層邏輯內(nèi)創(chuàng)建并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)測試線程：

1intmain(void) 2{ 3... 4rt_thread_tMotorL_encoder_thread; 5MotorL_encoder_thread=rt_thread_create("MotorLEncoder",MotorLEncoder_thread_entry,RT_NULL,1024,4,20); 6rt_thread_startup(MotorL_encoder_thread); 7rt_thread_tMotorR_encoder_thread; 8MotorR_encoder_thread=rt_thread_create("MotorREncoder",MotorREncoder_thread_entry,RT_NULL,1024,4,20); 9rt_thread_startup(MotorR_encoder_thread); 10... 11} 12voidMotorLEncoder_thread_entry(void*parameter) 13{ 14rt_device_tLpwm_input_dev; 15rt_uint16_twait_i; 16structpwm_inputcapture_device*inputcap_dev; 17Lpwm_input_dev=rt_device_find("pwm_inputcap1"); 18if(Lpwm_input_dev==RT_NULL) 19return; 20inputcap_dev=(structpwm_inputcapture_device*)Lpwm_input_dev; 21rt_device_open(Lpwm_input_dev,RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY); 22while(1) 23{ 24if(inputcap_dev->sem!=RT_NULL) 25{ 26rt_sem_take(inputcap_dev->sem,RT_WAITING_FOREVER); 27if(wait_i++>=1000) 28{ 29rt_kprintf("MotorLencoder: %d ",inputcap_dev->pulse_param.pulsewidth_us*10000/inputcap_dev->pulse_param.pulsecycle_us); 30wait_i=0; 31} 32} 33} 34} 35voidMotorREncoder_thread_entry(void*parameter) 36{ 37rt_device_tRpwm_input_dev; 38rt_uint16_twait_i; 39structpwm_inputcapture_device*inputcap_dev; 40Rpwm_input_dev=rt_device_find("pwm_inputcap3"); 41if(Rpwm_input_dev==RT_NULL) 42return; 43inputcap_dev=(structpwm_inputcapture_device*)Rpwm_input_dev; 44rt_device_open(Rpwm_input_dev,RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY); 45while(1) 46{ 47if(inputcap_dev->sem!=RT_NULL) 48{ 49rt_sem_take(inputcap_dev->sem,RT_WAITING_FOREVER); 50if(wait_i++>=1000) 51{ 52rt_kprintf("MotorRencoder:%d ",inputcap_dev->pulse_param.pulsewidth_us*10000/inputcap_dev->pulse_param.pulsecycle_us); 53wait_i=0; 54} 55} 56} 57}

??目前只是實(shí)現(xiàn)了大概1S鐘打印一次編碼器位置，一圈的機(jī)械角度范圍擴(kuò)大到了0~10000（我用的是12位磁編碼器，分辨率是4096，我這里統(tǒng)一歸一化到了10000），終端輸出如下：

??可以看到，慢慢向一個(gè)方向推動(dòng)小車，兩個(gè)編碼器的變化規(guī)律是相反的，和實(shí)際的兩個(gè)電機(jī)對(duì)向安裝相匹配，實(shí)際使用的時(shí)候按照其中一個(gè)為基準(zhǔn)，把另外一個(gè)編碼器數(shù)據(jù)反向即可。

??只看其中一個(gè)輪子，輸出頻率改為原有的1Khz，輸出值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)的角度值，可得到如下的測試曲線：

靜止不動(dòng)，暫時(shí)也沒有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也就沒有電機(jī)的電磁干擾，在次條件下測得的靜態(tài)數(shù)據(jù)如下，靜態(tài)穩(wěn)定度在0.2度左右，比12位的最小測量精度0.088度大了二倍多一點(diǎn)：

相關(guān)鏈接

本系列首篇文章鏈接：

https://club.rt-thread.org/ask/article/5c0c4ba7eb4ab1ad.html

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