无刷电机小车开发记录03——PWM信号输入捕获驱动

前言

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  好吧，转眼一看，距离上一篇文章已经过去了两个月了。只能说工作和家庭的各种事情确实太多了，人到中年属于自己的时间确实越来越少了，再不过来调一下这个小车估计都要生锈了。所以今天过来接着做下一步工作。之前是完成了BSP的移植和导入，接下来就要尝试移植FOC算法了，开源的FOC算法也比较多，我这里打算利用SimpleFOC进行移植。本身的SimpleFOC是基于C++的，这里要移植成C代码。另外，SimpleFOC的SDK其中已经适配了很多种类的传感器，驱动器以及无刷电机。如果硬件使用的是它已经适配的方案，则只需要简单配置一下就可以驱动了。而我这里是要在RTThread下移植FOC，更倾向于使用RTThread的框架，所以各种传感器和驱动器的适配计划加到RTThread的驱动这边来做。FOC那边只移植SimpleFOC的核心算法即可。所以在正式移植FOC算法之前，还需要先搭建用到的底层驱动。今天就先整理一下读取磁编码器PWM信号的输入捕获驱动的移植记录。其实某些适配更好的BSP内的RTThread驱动库里面已经有了输入捕获驱动，但只是捕获了输入脉宽的时间，而我这里需要的是捕获PWM信号的占空比，也就对应了磁编码器探测到的电机位置。但大体功能类似，所以随便找一个类似的底层驱动进行一下修改和移植即可。

磁编码器简介

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  我这里用的是赛卓电子的国产磁编码器芯片SC60228，详情请看其数据手册，主要特性如下：

移植RTT驱动

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  这个比较简单，因为RTT驱动库内已经有了“rt_inputcapture.c”的驱动文件，在SDK的“rt-thread/components/drivers/misc”目录下。只不过大多数的BSP没有做对应的适配而已。那先不管BSP那边的适配问题，先把这个C文件和对应的头文件拷贝一份，比如我重命名为“PWM_input_capture.c”和“PWM_input_capture.h”。

然后代码内容改动不大，主要改的是返回的数据除了脉宽时间还有一个周期时间，这样就可以计算输入PWM信号的占空比了。另外，原有的驱动上使用的是ringbuffer做了一个数据缓存，这样数据处理可以异步话，什么时候需要什么时候把缓存内的数据全部读走即可。但各人考虑，我应用的场合是用这个信号来驱动无刷电机，这个PWM信号的输入频率也才1Khz，市面上大多数的无刷电机驱动，底层控制频率基本都达到了10Khz以上。所以我这里肯定不需要异步处理的，会直接用这个信号触发底层控制。而且控制效果还需要测试，如果转速上不去或者抖动厉害的话，可能还需要想办法插值细化或者改用SPI读取编码器数据（这也是为什么硬件上做了两种接口的原因，就是想去测试探索一些好玩的东西）。所以我这里是直接去掉了ringbuffer，加入了信号量。到时候上层开一个线程去等待这个信号量去跑FOC算法。头文件修改如下：

1structpwm_inputcapture_data 2{ 3rt_uint32_tpulsewidth_us;//脉宽 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调函数，把之前的数据加入ringbuffer的操作改成了释放信号量，其它地方的修改都是一些简单的适配，由于C代码较多，我这里就不都贴出来了，相信大家肯定会自己完成适配，甚至比我的还要适配的好。而我的代码，等我第一期的功能开发完了，会整体开源出来。C代码主要修改的回调函数如下：

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}

适配BSP驱动

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  BSP驱动的适配稍微麻烦一点，如果大家能找到其它类似BSP内的相似驱动可以进行移植，那我这里简单找了一下并没有找到，所以仿照RTT的驱动适配方式，自己适配了一下。主要实现要点就是开启每个Timer的CH0和CH1双通道对CI0或者CI1输入的PWM信号进行采样，一个捕获脉宽，一个捕获周期，从而得到占空比。剩下的就是一些向下调用GD32的驱动库API，向上适配RTT的驱动接口。同样，下面只给出主要的初始化代码和中断处理代码，其它的可自行实现或者关注我后续开源的代码。

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.period< pwm_incap_device->input_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}

修改工程构建文件

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修改相关SConscript文件

  在“libraries/gd32_drivers/SConscript”文件内的适当位置加入如下代码：

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

  在“rt-thread/components/drivers/misc/SConscript”文件内的适当位置加入如下代码：

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

  意思很简单，就是当rtconfig.h内定义了”RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE”宏，则把“drv_pwm_inputcapture.c”和“rt_inputcapture.c”驱动文件加入工程，更准确的是加入编译。

修改相关Kconfig文件

  在“rt-thread/components/drivers/Kconfig”文件内的适当位置加入如下代码：

1configRT_USING_INPUT_CAPTURE 2bool"UsingINPUTCAPTUREdevicedrivers" 3defaultn

  管理BSP驱动代码的Kconfig文件不再librares目录下，而是在board目录下。于是在“board/Kconfig”文件内的适当位置，仿照其它驱动加入如下代码：

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

  意思也比较简单，我这里适配了6个PWM的输入捕获驱动，并且利用“select”语句，在BSP的驱动管理里面自动开启了RTT驱动里面的“RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE”选项。修改完上述代码后，就可以用menuconfig命令或者RTThreadIDE的RT-Thread Settings图形配置界面内进行配置了：

测试

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  驱动有了，再在顶层逻辑内创建并实现两个测试线程：

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}

  目前只是实现了大概1S钟打印一次编码器位置，一圈的机械角度范围扩大到了0~10000（我用的是12位磁编码器，分辨率是4096，我这里统一归一化到了10000），终端输出如下：

  可以看到，慢慢向一个方向推动小车，两个编码器的变化规律是相反的，和实际的两个电机对向安装相匹配，实际使用的时候按照其中一个为基准，把另外一个编码器数据反向即可。

  只看其中一个轮子，输出频率改为原有的1Khz，输出值转换为浮点的角度值，可得到如下的测试曲线：

静止不动，暂时也没有驱动电机，也就没有电机的电磁干扰，在次条件下测得的静态数据如下，静态稳定度在0.2度左右，比12位的最小测量精度0.088度大了二倍多一点：

相关链接

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本系列首篇文章链接：

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

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原文标题：无刷电机小车开发记录03——PWM信号输入捕获驱动

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