无刷电机小车开发记录03——PWM信号输入捕获驱动

RTThread物联网操作系统 2023-10-20 848

描述

前言

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

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：

RT-Thread

移植RTT驱动

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”。

RT-Thread

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：

1struct pwm_inputcapture_data 2{ 3 rt_uint32_t pulsewidth_us; //脉宽 4 rt_uint32_t pulsecycle_us; //周期 5}; 6struct pwm_inputcapture_device 7{ 8 struct rt_device parent; 9 const struct pwm_inputcapture_ops *ops; 10 rt_sem_t *sem; 11 struct pwm_inputcapture_data pulse_param; 12}; 13/** 14 * capture operators 15 */ 16struct pwm_inputcapture_ops 17{ 18 rt_err_t (*init)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture); 19 rt_err_t (*open)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture); 20 rt_err_t (*close)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture); 21}; 22void pwm_hw_inputcapture_isr(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture); 23rt_err_t rt_device_pwm_inputcapture_register(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture, 24 const char *name, 25 void *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：

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

适配BSP驱动

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_t pwm_inputcap_init(struct pwm_inputcapture_device *pwm_incap) 2{ 3 uint32_t sys_clk_freq; 4 uint32_t timer_prescaler = 1; 5 uint32_t trigger_ch; 6 timer_parameter_struct TimerConfig; 7 timer_ic_parameter_struct TimerICConfig; 8 struct gd32_pwm_inputcapture_device *pwm_incap_device; 9 pwm_incap_device = (struct gd32_pwm_inputcapture_device*)pwm_incap; 10 rcu_periph_clock_enable(pwm_incap_device->timer_rcu); 11 rcu_periph_clock_enable(pwm_incap_device->GPIO_rcu); 12 gpio_init(pwm_incap_device->GPIOx, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, pwm_incap_device->PINx); 13 sys_clk_freq = rcu_clock_freq_get(CK_SYS); 14 LOG_I("system clock frequency:%d", sys_clk_freq); 15 TimerConfig.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE; 16 TimerConfig.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1; 17 TimerConfig.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP; 18 TimerConfig.period = 65535U; 19 do{ 20 if(sys_clk_freq / timer_prescaler / TimerConfig.period < pwm_incap_device->input_freq_min) 21 break; 22 if(timer_prescaler == 65536) 23 { 24 rt_kprintf("can not configure the prescaler for input signal frequency:%dhz ", pwm_incap_device->input_freq_min); 25 return RT_ERROR; 26 } 27 timer_prescaler++; 28 }while(1); 29 TimerConfig.prescaler = timer_prescaler-1; 30 TimerConfig.repetitioncounter = 0; 31 timer_init(pwm_incap_device->timerx, &TimerConfig); 32 LOG_I("%s timer prescaler:%d", pwm_incap_device->name, timer_prescaler); 33 TimerICConfig.icfilter = 10; 34 TimerICConfig.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_RISING; 35 TimerICConfig.icprescaler = TIMER_IC_PSC_DIV1; 36 TimerICConfig.icselection = TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI; 37 timer_input_pwm_capture_config(pwm_incap_device->timerx, pwm_incap_device->input_ch, &TimerICConfig); 38 timer_interrupt_flag_clear(pwm_incap_device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP); 39 timer_interrupt_enable(pwm_incap_device->timerx,TIMER_INT_UP); 40 trigger_ch = ((pwm_incap_device->input_ch == TIMER_CH_0) ? TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI0FE0 : TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI1FE1); 41 timer_input_trigger_source_select(pwm_incap_device->timerx, trigger_ch); 42 timer_slave_mode_select(pwm_incap_device->timerx, TIMER_SLAVE_MODE_RESTART); 43 timer_external_trigger_config(pwm_incap_device->timerx,TIMER_EXT_TRI_PSC_OFF,TIMER_ETP_RISING,10); 44 NVIC_SetPriority(pwm_incap_device->timerx_irqn, 3); 45 NVIC_EnableIRQ(pwm_incap_device->timerx_irqn); 46 timer_enable(pwm_incap_device->timerx); 47 return RT_EOK; 48} 49void pwm_inputcapture_update_isr(struct gd32_pwm_inputcapture_device *device) 50{ 51 uint32_t width_ch; 52 /* TIM Update event */ 53 if (timer_interrupt_flag_get(device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP) != RESET) 54 { 55 timer_interrupt_flag_clear(device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP); 56 device->pwm_inputcap.pulse_param.pulsecycle_us = timer_channel_capture_value_register_read(device->timerx, device->input_ch); 57 width_ch = ((device->input_ch == TIMER_CH_0) ? (TIMER_CH_1) : (TIMER_CH_0)); 58 device->pwm_inputcap.pulse_param.pulsewidth_us = timer_channel_capture_value_register_read(device->timerx, width_ch); 59 rt_hw_pwm_inputcapture_isr(device); 60 } 61}

修改工程构建文件

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：

1if GetDepend(['RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE']): 2 src += ['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：

1if GetDepend(['RT_USING_INPUT_CAPTURE']): 2 src = 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：

1config RT_USING_INPUT_CAPTURE 2 bool "Using INPUT CAPTURE device drivers" 3 default n

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：

1menuconfig BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE 2 bool "Enable pwm input capture" 3 default n 4 select RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE 5 if BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE 6 config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE1 7 bool "Enable pwm input capture 1" 8 default n 9 config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE2 10 bool "Enable pwm input capture 2" 11 default n 12 config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE3 13 bool "Enable pwm input capture 3" 14 default n 15 config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE4 16 bool "Enable pwm input capture 4" 17 default n 18 config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE5 19 bool "Enable pwm input capture 5" 20 default n 21 config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE6 22 bool "Enable pwm input capture 6" 23 default n 24 endif

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：

RT-Thread

测试

驱动有了，再在顶层逻辑内创建并实现两个测试线程：

1int main(void) 2{ 3 ... 4 rt_thread_t MotorL_encoder_thread; 5 MotorL_encoder_thread = rt_thread_create("MotorLEncoder", MotorLEncoder_thread_entry, RT_NULL, 1024, 4, 20); 6 rt_thread_startup(MotorL_encoder_thread); 7 rt_thread_t MotorR_encoder_thread; 8 MotorR_encoder_thread = rt_thread_create("MotorREncoder", MotorREncoder_thread_entry, RT_NULL, 1024, 4, 20); 9 rt_thread_startup(MotorR_encoder_thread); 10 ... 11} 12void MotorLEncoder_thread_entry(void *parameter) 13{ 14 rt_device_t Lpwm_input_dev; 15 rt_uint16_t wait_i; 16 struct pwm_inputcapture_device *inputcap_dev; 17 Lpwm_input_dev = rt_device_find("pwm_inputcap1"); 18 if(Lpwm_input_dev == RT_NULL) 19 return; 20 inputcap_dev = (struct pwm_inputcapture_device *)Lpwm_input_dev; 21 rt_device_open(Lpwm_input_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY); 22 while(1) 23 { 24 if(inputcap_dev->sem != RT_NULL) 25 { 26 rt_sem_take(inputcap_dev->sem, RT_WAITING_FOREVER); 27 if(wait_i++ >= 1000) 28 { 29 rt_kprintf("MotorL encoder: %d ",inputcap_dev->pulse_param.pulsewidth_us * 10000 / inputcap_dev->pulse_param.pulsecycle_us); 30 wait_i = 0; 31 } 32 } 33 } 34} 35void MotorREncoder_thread_entry(void *parameter) 36{ 37 rt_device_t Rpwm_input_dev; 38 rt_uint16_t wait_i; 39 struct pwm_inputcapture_device *inputcap_dev; 40 Rpwm_input_dev = rt_device_find("pwm_inputcap3"); 41 if(Rpwm_input_dev == RT_NULL) 42 return; 43 inputcap_dev = (struct pwm_inputcapture_device *)Rpwm_input_dev; 44 rt_device_open(Rpwm_input_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY); 45 while(1) 46 { 47 if(inputcap_dev->sem != RT_NULL) 48 { 49 rt_sem_take(inputcap_dev->sem, RT_WAITING_FOREVER); 50 if(wait_i++ >= 1000) 51 { 52 rt_kprintf("MotorR encoder:%d ",inputcap_dev->pulse_param.pulsewidth_us * 10000 / inputcap_dev->pulse_param.pulsecycle_us); 53 wait_i = 0; 54 } 55 } 56 } 57}