• ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器

     2021-10-14 13:43:45     作者:劉乾坤 黃志超    

      ESM8000工控主板搭載了NXP i.MX8M Mini Quad 64位異構處理器,包含了一顆主頻1.6GHz的四核ARM Cortex-A53和一顆主頻400MHz 的ARM Cortex-M4。Linux系統在Cortex-A53核心上運行,對于一些實時性要求極高的應用,Linux系統可能無法滿足對中斷事件的及時響應,而且頻繁的中斷響應也會大大的降低操作系統性能。對這類應用場合就可充分利用i.MX8MM異構多核結構,由高性能的Cortex-A53(Linux系統)完成人機交互、數據處理、通訊管理等復雜運算,而對于實時的數據采集、高速的中斷事件響應等實時任務交由Cotex-M4完成。


      旋轉編碼器是工業領域最常見的傳感器之一,通過對編碼器輸出的A/B脈沖信號個數及相位的識別,就可以得到精確的轉速或位置信息。以歐姆龍的E6B2系列旋轉編碼器為例,當編碼器分辨率200個脈沖/轉,每分鐘旋轉3000轉時,編碼器輸出脈沖頻率為10KHz,如果將編碼器分辨率提高到2000個脈沖/轉,則編碼器輸出脈沖頻率為100KHz。對于高分辨率旋轉編碼器的支持,通常需要SOC內部具有專門針對編碼器硬件的硬件脈沖計數器,或通過獨立的單片機來實現。


      對于ESM8000工控主板,主CPU i.MX8MM內部沒有專門的硬件脈沖計數器,但我們可充分利用ESM8000的異構CPU結構,由i.MX8MM內的Cortex-M4 來對編碼器脈沖信號進行解析和計算,而Linux系統只需要直接從M4處獲取計算結果即可。這樣就將高速中斷的響應和處理全部交給了M4,Linux系統幾乎沒有任何負載。我們在M4上運行了FreeRTOS操作系統,具有很高的實時性,根據實際測試可以滿足同時兩路100KHz頻率的脈沖輸入。在Linux側設計了相應的驅動程序和提供相應的驅動程序API,為客戶外接高分辨率旋轉編碼器提供了一種快速低成本的解決方案。


    接口硬件說明


      下面是歐姆龍旋轉編碼器E6B2-CWZ1X輸出的脈沖信號,對于速度或位置監測,只需要接入A相和B相信號,如果選擇接入?A /?B相,只需要在軟件設置中將初始電平極性設置為1(高電平)即可。


    ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器.png


      上圖的左邊是A、B相在編碼器順時針方向旋轉時的波形,其特點是A相脈沖超前B相脈沖90°相位。而圖的右邊是編碼器逆時針旋轉時的波形,此時B相超前A相90°相位。


      ESM8000的GPIO僅支持3.3V TTL電平信號輸入,旋轉編碼器的脈沖信號通常需要經過隔離及電平轉換電路后,才能接入ESM8000的相應管腳。ESM8000支持兩路旋轉編碼器對應的管腳如下:


    編碼器編碼器信號ESM8000管腳簡要說明
    旋轉編碼器1
    ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器.pngGPIO18支持最高100KHz脈沖輸入3.3V TTL電平信號
    ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器.pngGPIO19
    旋轉編碼器2ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器.pngGPIO20
    ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器.pngGPIO21


    接口軟件說明


      在ESM8000的Linux系統中,可以通過RPMsg和Crotex-M4進行通訊來獲取相關的信息,關于RPMsg的介紹可以參考《ESM7000異構CPU實時應用之二基于rpmsg的通訊機制》。為了方便使用,英創公司以字符設備的方式提供了相應的驅動文件,加載后會在/dev目錄下生成em_rpmsg_rot0和em_rpmsg_rot1兩個設備節點,分別對應兩路旋轉編碼器的硬件接口。在驅動中會通過RPMsg和Crotex-M4進行通信以及數據的處理,但對于用戶來說是不需要關心的,直接使用標準的字符設備操作函數即可。驅動會將用戶程序對設備的操作通過RPMsg發送給Crotex-M4,然后由Crotex-M4實際對硬件執行對應的操作,如下圖所示:


    ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器.png


      驅動文件在系統啟動完成后會自動加載,如下圖:


    ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器.png


      可以看到在/dev目錄下會生成相應的設備節點,按照字符設備的操作操作流程,首先需要調用open函數打開設備節點,成功后會就返回句柄:


    int fd;  
    fd = open("/dev/em_rpmsg_rot1", O_RDWR);  
    if(fd < 0) {  
        printf("open device failed!\n");  
        return fd;  
    }

     

      通過返回的句柄,就可以調用write和read函數來操作設備了,我們使用write函數用于設置旋轉編碼器的采集,我們一共定義了五種操作,分別是設置正極性,設置負極性,開始,停止以及復位。具體定義以及通過write函數設置的代碼如下:


    #define ROT_POL_NEGATIVE     0        //負極性,初始電平為低  
    #define ROT_POL_POSITIVE     1        //正極性,初始電平為高  
    #define ROT_START            2        //啟動旋轉編碼器采集  
    #define ROT_RESET            3        //復位計數  
    #define ROT_STOP             4        //停止旋轉編碼器采集  
      
    int cmd;  
      
    //設置負極性    
    cmd = ROT_POL_NEGATIVE;    
    ret = write(fd, &cmd, sizeof(cmd));    
    if(ret < 0) {    
       printf("write cmd failed!\n");    
    }    
            
    //啟動    
    cmd = ROT_START;    
    ret = write(fd, &cmd, sizeof(cmd));    
    if(ret < 0) {    
        printf("write cmd failed!\n");    
    }

     

      當啟動了旋轉編碼器之后,程序中可以通過read函數來讀取當前的計數值,計數值為一個整型數據,正負代表方向。根據計數值,根據實際應用的不同就可以計算出位置,角度等數據。


    int val;  
      
    //讀取計數值,計數值為一個整型數據,正負代表方向  
    ret = read(fd, &val, sizeof(int));  
    if(ret < 0) {  
        printf("read cmd failed!\n");  
    }  
    printf("val = %d\n", val);

     

      本文中僅通過旋轉編碼器來獲取位置信息,同樣的方法也可用來實現對轉速的監控,感興趣的客戶,可以和英創的工程師聯系,索取完整的測試代碼。

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