无刷电机小车开发记录—PWM信号输入捕获驱动

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：

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”。

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：

struct pwm_inputcapture_data
{
rt_uint32_t pulsewidth_us; //脉宽
rt_uint32_t pulsecycle_us; //周期
};
struct pwm_inputcapture_device
{
struct rt_device parent;
const struct pwm_inputcapture_ops ops;
rt_sem_t sem;
struct pwm_inputcapture_data pulse_param;
};
/

capture operators
*/
struct pwm_inputcapture_ops
{
rt_err_t (*init)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture);
rt_err_t (*open)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture);
rt_err_t (*close)(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture);
};
void pwm_hw_inputcapture_isr(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture);
rt_err_t rt_device_pwm_inputcapture_register(struct pwm_inputcapture_device *inputcapture,
const char *name,
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：

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

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。

rt_err_t pwm_inputcap_init(struct pwm_inputcapture_device *pwm_incap)
{
uint32_t sys_clk_freq;
uint32_t timer_prescaler = 1;
uint32_t trigger_ch;
timer_parameter_struct TimerConfig;
timer_ic_parameter_struct TimerICConfig;
struct gd32_pwm_inputcapture_device pwm_incap_device;
pwm_incap_device = (struct gd32_pwm_inputcapture_device )pwm_incap;
rcu_periph_clock_enable(pwm_incap_device->timer_rcu);
rcu_periph_clock_enable(pwm_incap_device->GPIO_rcu);
gpio_init(pwm_incap_device->GPIOx, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, pwm_incap_device->PINx);
sys_clk_freq = rcu_clock_freq_get(CK_SYS);
LOG_I("system clock frequency:%d", sys_clk_freq);
TimerConfig.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE;
TimerConfig.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1;
TimerConfig.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP;
TimerConfig.period = 65535U;
do{
if(sys_clk_freq / timer_prescaler / TimerConfig.period < pwm_incap_device->input_freq_min)
break;
if(timer_prescaler == 65536)
{
rt_kprintf("can not configure the prescaler for input signal frequency:%dhzn", pwm_incap_device->input_freq_min);
return RT_ERROR;
}
timer_prescaler++;
}while(1);
TimerConfig.prescaler = timer_prescaler-1;
TimerConfig.repetitioncounter = 0;
timer_init(pwm_incap_device->timerx, &TimerConfig);
LOG_I("%s timer prescaler:%d", pwm_incap_device->name, timer_prescaler);
TimerICConfig.icfilter = 10;
TimerICConfig.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_RISING;
TimerICConfig.icprescaler = TIMER_IC_PSC_DIV1;
TimerICConfig.icselection = TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI;
timer_input_pwm_capture_config(pwm_incap_device->timerx, pwm_incap_device->input_ch, &TimerICConfig);
timer_interrupt_flag_clear(pwm_incap_device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP);
timer_interrupt_enable(pwm_incap_device->timerx,TIMER_INT_UP);
trigger_ch = ((pwm_incap_device->input_ch == TIMER_CH_0) ? TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI0FE0 : TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI1FE1);
timer_input_trigger_source_select(pwm_incap_device->timerx, trigger_ch);
timer_slave_mode_select(pwm_incap_device->timerx, TIMER_SLAVE_MODE_RESTART);
timer_external_trigger_config(pwm_incap_device->timerx,TIMER_EXT_TRI_PSC_OFF,TIMER_ETP_RISING,10);
NVIC_SetPriority(pwm_incap_device->timerx_irqn, 3);
NVIC_EnableIRQ(pwm_incap_device->timerx_irqn);
timer_enable(pwm_incap_device->timerx);
return RT_EOK;
}
void pwm_inputcapture_update_isr(struct gd32_pwm_inputcapture_device device)
{
uint32_t width_ch;
/ TIM Update event */
if (timer_interrupt_flag_get(device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP) != RESET)
{
timer_interrupt_flag_clear(device->timerx, TIMER_INT_FLAG_UP);
device->pwm_inputcap.pulse_param.pulsecycle_us = timer_channel_capture_value_register_read(device->timerx, device->input_ch);
width_ch = ((device->input_ch == TIMER_CH_0) ? (TIMER_CH_1) : (TIMER_CH_0));
device->pwm_inputcap.pulse_param.pulsewidth_us = timer_channel_capture_value_register_read(device->timerx, width_ch);
rt_hw_pwm_inputcapture_isr(device);
}
}

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：

if GetDepend(['RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE']):
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：

if GetDepend(['RT_USING_INPUT_CAPTURE']):
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：

config RT_USING_INPUT_CAPTURE
bool "Using INPUT CAPTURE device drivers"
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：

menuconfig BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE
bool "Enable pwm input capture"
default n
select RT_USING_PWM_INPUT_CAPTURE
if BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE
config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE1
bool "Enable pwm input capture 1"
default n
config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE2
bool "Enable pwm input capture 2"
default n
config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE3
bool "Enable pwm input capture 3"
default n
config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE4
bool "Enable pwm input capture 4"
default n
config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE5
bool "Enable pwm input capture 5"
default n
config BSP_USING_PWM_INPUTCAPTURE6
bool "Enable pwm input capture 6"
default n
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：

测试

驱动有了，再在顶层逻辑内创建并实现两个测试线程：

int main(void)
{
...
rt_thread_t MotorL_encoder_thread;
MotorL_encoder_thread = rt_thread_create("MotorLEncoder", MotorLEncoder_thread_entry, RT_NULL, 1024, 4, 20);
rt_thread_startup(MotorL_encoder_thread);
rt_thread_t MotorR_encoder_thread;
MotorR_encoder_thread = rt_thread_create("MotorREncoder", MotorREncoder_thread_entry, RT_NULL, 1024, 4, 20);
rt_thread_startup(MotorR_encoder_thread);
...
}
void MotorLEncoder_thread_entry(void *parameter)
{
rt_device_t Lpwm_input_dev;
rt_uint16_t wait_i;
struct pwm_inputcapture_device *inputcap_dev;
Lpwm_input_dev = rt_device_find("pwm_inputcap1");
if(Lpwm_input_dev == RT_NULL)
return;
inputcap_dev = (struct pwm_inputcapture_device *)Lpwm_input_dev;
rt_device_open(Lpwm_input_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY);
while(1)
{
if(inputcap_dev->sem != RT_NULL)
{
rt_sem_take(inputcap_dev->sem, RT_WAITING_FOREVER);
if(wait_i++ >= 1000)
{
rt_kprintf("MotorL encoder:tt%dn",inputcap_dev->pulse_param.pulsewidth_us * 10000 / inputcap_dev->pulse_param.pulsecycle_us);
wait_i = 0;
}
}
}
}
void MotorREncoder_thread_entry(void *parameter)
{
rt_device_t Rpwm_input_dev;
rt_uint16_t wait_i;
struct pwm_inputcapture_device *inputcap_dev;
Rpwm_input_dev = rt_device_find("pwm_inputcap3");
if(Rpwm_input_dev == RT_NULL)
return;
inputcap_dev = (struct pwm_inputcapture_device *)Rpwm_input_dev;
rt_device_open(Rpwm_input_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY);
while(1)
{
if(inputcap_dev->sem != RT_NULL)
{
rt_sem_take(inputcap_dev->sem, RT_WAITING_FOREVER);
if(wait_i++ >= 1000)
{
rt_kprintf("MotorR encoder:%dn",inputcap_dev->pulse_param.pulsewidth_us * 10000 / inputcap_dev->pulse_param.pulsecycle_us);
wait_i = 0;
}
}
}
}

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：