基于DragonBoard 410c的遥控炮台二之舵机驱动(下)
2017-03-02 15:30
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一.背景
在上篇，博主给大家介绍了关于舵机的相关知识以及PWM的控制原理，并且根据410c的特点写了个GPIO口模拟PWM的驱动，但是尽管输出的波形图还算稳定,但相对来讲，PWM作为稳定的硬件通讯信号，是需要时刻保持信号的输出，换言之，假如一个周期20ms，脉宽50%的波形，CPU平均在10ms内调度GPIO进行实时电平改变。上篇博客的stree.c驱动里，我们采用在工作队列里udelay的方式来实现（具体参考http://blog.csdn.net/ad3600/article/details/59484467这篇博客），这在linux这种分时调度系统里是相当消耗CPU资源的做法(CPU占用率：android系统里占25%+，纯linux系统占80%+),但如果换成usleep,或者干脆采用软件定时器来做延时控制，这种方式虽然能极大地降低CPU的占用率，但在linux的这类分时系统里无法保证及时的硬件操作的实时响应，实测波形如下：
图1 PWM波形1
图2 PWM波形2
图3 PWM波形3
可以看到一个固定占宽比的波形，抓拍出来的脉宽相当不稳定（110mv 143mv 118mv之间跳动），我们知道在固定频率的PWM下，脉宽的占空比在这里就是相当于舵机的转角控制信号，如此不稳定的信号完全无法满足使用。
那么有什么方式能解决这个问题呢？
二.I2C转PWM
我们曾说过，本质上讲，PWM跟SPI，I2C，UART一样，都是一种通讯协议，那么既然410c没有通讯模块，我们是否可以通过通讯协议转化的方式来实现在410c对PWM信号的输出？
答案是肯定的！
博主找到一款模块来实现I2C转PWM，就是飞利浦很早出的PCA9685驱动模块！
图4 PCA9685实物图
图5 PCA9685 功能框图
PCA9685是一款I2C总线接口的16位LED控制器，该控制器特别为红/绿/蓝/琥珀（RGBA）色的混合应用进行了优化。每个LED输出都有自己12位分辨率（4096级）固定频率的独立PWM控制器。该PWM控制器运行在40Hz到1000Hz范围的频率下，占空比在0%到100%范围内可调，用于设置LED到一个确定的亮度值。所有输出都设置为相同的PWM频率。
每个LED的输出状态可以为关、开（没有PWM控制），或者由其独立PWM控制器的值来确定。LED输出驱动可以编程为在5V电压下具有25mA电流吸收能力（灌电流）的开漏模式或者在5V电压下可吸收25mA灌电流及提供10mA拉电流的推挽模式。PCA9685的工作电压范围为2.3V到5.5V，其输出可承受5.5V电压。LED可以直接连接到LED输出管脚（高达25mA，5.5V），对于大电流或者高电压的LED可以由PCA9685加上外部的驱动器以及少量分立元件来驱动。
在这里，我们将这个模块用来控制我们的舵机！
三.PCA9685驱动
1.实物连接图：因为410c的I2C GPIO输出的信号是1.8V的电平，而PCA9685接收的是5V的电平信号，这里我们用面包板搭了个小小的电平转换电路。
图6 实物连接图
2.linux pca9685驱动
(1).驱动加载
pca9685在linux下的驱动，从linux3.0以后已经集成在代码里，大家可以在~/linux/driver/pwm的目录里找到pwm-pca9685.c的代码，只需要在410c的kernel里遵循i2c从设备注册的规则配置DTS就可以使用。在这里给大家分享我配置的DTS那部分
i2c@78b6000 {
/* On Low speed expansion */
label = "LS-I2C0";
status = "okay";
pca9685@40 {
compatible = "nxp,pca9685-pwm";
reg = <0x40>; /*i2c slave addr*/
};
};
需要注意的是PCA9685的I2C地址是可选的，大家可以通过短接A0~A5的PIN配置I2C地址，默认全不短接的地址是0x40,这个要注意，是个小坑。
(2).驱动测试
将编译好的pca9685.ko insmod到410c的Debian（linux）系统后，大家可以看到在系统在/sys/class/pwm里会有 pwmchip0这个文件结点，而它就是我们注册成功的pwm控制结点，大家可以通过如下操作测试加载的驱动：
1).打开pwm通道0：
sudo chmod 666 /sys/class/pwm/pwmchip0/export
sudo echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip0/export
这时候，我们会看到/sys/class/pwm/pwmchip0目录里会多了个pwm0的目录，这也是0通道的控制目录。
2).设置通道0的PWM 周期和脉宽(这里举例为周期为20ms,脉宽1ms)
sudo chmod 666 /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/period
sudo chmod 666 /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/duty_cycle
sudo echo 20000000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/period /*设置周期20*10^6纳秒*/
sudo echo 1000000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/duty_cycle
将舵机接到通道0上，我们可以动态地控制duty_cycle(脉宽)的值来实现角度控制！
图7 舵机控制图
在上篇，博主给大家介绍了关于舵机的相关知识以及PWM的控制原理，并且根据410c的特点写了个GPIO口模拟PWM的驱动，但是尽管输出的波形图还算稳定,但相对来讲，PWM作为稳定的硬件通讯信号，是需要时刻保持信号的输出，换言之，假如一个周期20ms，脉宽50%的波形，CPU平均在10ms内调度GPIO进行实时电平改变。上篇博客的stree.c驱动里，我们采用在工作队列里udelay的方式来实现（具体参考http://blog.csdn.net/ad3600/article/details/59484467这篇博客），这在linux这种分时调度系统里是相当消耗CPU资源的做法(CPU占用率：android系统里占25%+，纯linux系统占80%+),但如果换成usleep,或者干脆采用软件定时器来做延时控制，这种方式虽然能极大地降低CPU的占用率，但在linux的这类分时系统里无法保证及时的硬件操作的实时响应，实测波形如下：
图1 PWM波形1
图2 PWM波形2
图3 PWM波形3
可以看到一个固定占宽比的波形，抓拍出来的脉宽相当不稳定（110mv 143mv 118mv之间跳动），我们知道在固定频率的PWM下，脉宽的占空比在这里就是相当于舵机的转角控制信号，如此不稳定的信号完全无法满足使用。
那么有什么方式能解决这个问题呢？
二.I2C转PWM
我们曾说过，本质上讲，PWM跟SPI，I2C，UART一样，都是一种通讯协议，那么既然410c没有通讯模块，我们是否可以通过通讯协议转化的方式来实现在410c对PWM信号的输出？
答案是肯定的！
博主找到一款模块来实现I2C转PWM，就是飞利浦很早出的PCA9685驱动模块！
图4 PCA9685实物图
图5 PCA9685 功能框图
PCA9685是一款I2C总线接口的16位LED控制器，该控制器特别为红/绿/蓝/琥珀（RGBA）色的混合应用进行了优化。每个LED输出都有自己12位分辨率（4096级）固定频率的独立PWM控制器。该PWM控制器运行在40Hz到1000Hz范围的频率下，占空比在0%到100%范围内可调，用于设置LED到一个确定的亮度值。所有输出都设置为相同的PWM频率。
每个LED的输出状态可以为关、开（没有PWM控制），或者由其独立PWM控制器的值来确定。LED输出驱动可以编程为在5V电压下具有25mA电流吸收能力（灌电流）的开漏模式或者在5V电压下可吸收25mA灌电流及提供10mA拉电流的推挽模式。PCA9685的工作电压范围为2.3V到5.5V，其输出可承受5.5V电压。LED可以直接连接到LED输出管脚（高达25mA，5.5V），对于大电流或者高电压的LED可以由PCA9685加上外部的驱动器以及少量分立元件来驱动。
在这里，我们将这个模块用来控制我们的舵机！
三.PCA9685驱动
1.实物连接图：因为410c的I2C GPIO输出的信号是1.8V的电平，而PCA9685接收的是5V的电平信号，这里我们用面包板搭了个小小的电平转换电路。
图6 实物连接图
2.linux pca9685驱动
(1).驱动加载
pca9685在linux下的驱动，从linux3.0以后已经集成在代码里，大家可以在~/linux/driver/pwm的目录里找到pwm-pca9685.c的代码，只需要在410c的kernel里遵循i2c从设备注册的规则配置DTS就可以使用。在这里给大家分享我配置的DTS那部分
i2c@78b6000 {
/* On Low speed expansion */
label = "LS-I2C0";
status = "okay";
pca9685@40 {
compatible = "nxp,pca9685-pwm";
reg = <0x40>; /*i2c slave addr*/
};
};
需要注意的是PCA9685的I2C地址是可选的，大家可以通过短接A0~A5的PIN配置I2C地址，默认全不短接的地址是0x40,这个要注意，是个小坑。
(2).驱动测试
将编译好的pca9685.ko insmod到410c的Debian（linux）系统后，大家可以看到在系统在/sys/class/pwm里会有 pwmchip0这个文件结点，而它就是我们注册成功的pwm控制结点，大家可以通过如下操作测试加载的驱动：
1).打开pwm通道0：
sudo chmod 666 /sys/class/pwm/pwmchip0/export
sudo echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip0/export
这时候，我们会看到/sys/class/pwm/pwmchip0目录里会多了个pwm0的目录，这也是0通道的控制目录。
2).设置通道0的PWM 周期和脉宽(这里举例为周期为20ms,脉宽1ms)
sudo chmod 666 /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/period
sudo chmod 666 /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/duty_cycle
sudo echo 20000000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/period /*设置周期20*10^6纳秒*/
sudo echo 1000000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/duty_cycle
将舵机接到通道0上，我们可以动态地控制duty_cycle(脉宽)的值来实现角度控制！
图7 舵机控制图
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