Funpack4-2 - 基于SAM E51 Curiosity Nano评估板制作舵机测试仪

内容介绍

一、项目介绍

本项目基于 SAM E51 Curiosity Nano评估板制作了一款舵机测试仪。通过电位器调节舵机角度，线性控制舵机旋转角度（0°~180°）。并且通过串口实时数据监测与输出。

1.1 硬件介绍

SAM E51 Curiosity Nano评估板：Microchip 公司推出的开发平台，基于ARM Cortex-M4架构，提供丰富的I/O接口和外围模块，适合快速原型开发。
舵机：常用的RC舵机，具有PWM控制接口。
电位器：用于手动调节并模拟舵机目标旋转角度输入。
电源模块：为系统提供稳定的电压和电流。
UART接口：用于串口通信，实现数据的实时传输与调试。

1.2 功能概览

调节电位器改变舵机角度。
读取并处理电位器的模拟电压。
根据电位器输入产生相应的PWM信号输出。
通过UART串口接口输出各类调试信息，包括电压值、PWM参数、角度和状态。
使用开发板上的用户按键单击切换输出使能或失能。
开发板上的用户LED灯常亮表示输出使能，闪烁表示输出失能。

1.3 设计思路

电位器采样：使用ADC模块定期读取电位器的电压，转换得到舵机的目标角度。
PWM信号生成：转换后的角度信息生成相应的PWM信号，以控制舵机的旋转。
串口通信：利用UART模块输出各项监控数据，用于调试和校验。
状态反馈：监测系统运行状态，提供实时反馈。

二、功能实现

2.1 软件流程图

系统初始化后完成外设及ADC、PWM定时器、UART配置，进入主循环。定时器中断触发时读取ADC值，计算舵机角度与PWM脉宽，动态更新占空比并通过串口输出电压、频率、脉宽、角度及状态信息，实现舵机角度闭环控制与实时监测。

2.2 PWM控制原理

舵机的控制通常采用PWM信号，例如需要一个周期为20ms的脉冲宽度调制（PWM），脉冲宽度部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。当脉冲宽度为1.5ms时，舵机旋转至中间角度，大于1.5ms时舵机旋转角度增大，小于1.5ms时舵机旋转角度减小。舵机分90°、180°、270°、300°和360°舵机，以180°的舵机为例来看看脉冲宽度与角度的关系，见下图所示。

上图中脉冲宽度与舵机旋转角度为线性关系，其他舵机控制脉冲也类似，0.5ms对应0度，2.5ms对应最大旋转角度，脉冲宽度与旋转角度也是线性关系。

2.3 实现过程

2.3.1 硬件资源配置

ADC采样：PA02引脚连接电位器，参考电压3.3V，12位分辨率
PWM输出：PA09引脚输出50Hz信号，使用TC4硬件定时器
串口通信：PB16（TX）连接USB-CDC RX，PB17(RX) 连接USB-CDC TX，波特率115200

参考面包板接线示意图如下：

2.3.2 关键功能实现

采样电位器输出：通过配置和初始化ADC模块，以一定频率采样电位器输出电压。

if (ADC_PERIOD < (timestamp - last_adc_sample_timestamp)) {
    last_adc_sample_timestamp = timestamp;
    ADC0_ConversionStart();
    uint16_t target_voltage = moving_average(ADC0_ConversionResultGet()); 
    if(ADC_TOLERANCE_RANGE < abs(target_voltage - last_sample_voltage)) { // 电位器转动导致电压发生变化，需要更新输出
        last_sample_voltage = target_voltage;
        needChangePWMOutput = true;
    }
}

电压到角度的转换：根据电位器输出电压范围和舵机工作范围（一般0-180度），进行线性转换。

if(true == needChangePWMOutput) {  // 更新PWM输出
    needChangePWMOutput = false;
    
    uint16_t x = last_sample_voltage;
    // 电位器两端留有余量
    if(20 > x) {
        x = 20;
    }
    if(4075 < x) {
        x = 4075;
    }
    uint32_t match1vlaue = map(x, 20, 4075, 1875, 9375); // 根据电位器计数更新占空比，调整舵机输出角度
    printf("Current counter value is: %lu\r\n", match1vlaue);
    TC4_Compare32bitMatch1Set(match1vlaue);
}

PWM信号生成：调用PWM模块，将目标角度转换成适当脉宽（通常为1ms到2ms对应0度到180度）。

uint32_t match1vlaue = map(x, 20, 4075, 1875, 9375); // 根据电位器计数更新占空比，调整舵机输出角度
last_output_angle = map(match1vlaue, 1875, 9375, 0, 180); // 计算输出角度
last_cc1_pulse_width = map(match1vlaue, 1875, 9375, 500, 2500); // 计算输出脉宽（单位：us）
TC4_Compare32bitMatch1Set(match1vlaue);

信息收集与输出：利用UART模块将当前电压值、PWM信号频率及脉宽、舵机角度和状态信息实时输出到串口。同时控制板载LED根据输出使能状状态常亮或闪烁。

if (LED_TOGGLE_PERIOD < (timestamp - last_led_toggle_timestamp)) {
    last_led_toggle_timestamp = timestamp;
    if(true == enableOutput) { // 输出使能，LED常亮
        LED0_Clear();
    } else { // 输出禁用，LED以1Hz闪烁
        LED0_Toggle();
    }
    printf("%d,%lu,%lu,%lu,%d\r\n", last_sample_voltage, 
            TC4_CompareFrequencyGet() / TC4_Compare32bitPeriodGet(), 
            last_cc1_pulse_width, last_output_angle,
            enableOutput ? 1 : 0
            );
}

三、功能展示

调节效果展示

使用电位器调节产生的舵机动作，通过串口实时观察数据变化，确保动作与数据一致性。

输出使能切换

开发板上的用户按键可切换输出使能。当输出使能时，开发板上的用户LED常亮。输出关闭时，开发板上的用户LED以 1Hz 的频率闪烁。

串口监控界面

使用终端软件查看串口信息，捕捉系统状态和各项调试信息。使用图形化工具接收串口信息，图形化实时展示当前输出的数据。

四、总结

遇到的问题

经常在 Clean 项目之后，遇到错误：make[2]: *** No rule to make target 'dist/default/production/ServoTest.X.production.hex'. Stop. 目前不知道该如何解决，每次都是通过重启IDE解决，如有知道的小伙伴还请不吝赐教。详细错误信息如下：
参考官方教程配置串口时，无法生成DMA回调注册函数。这个问题一直没找到答案，最终放弃使用串口DMA，改用连接到标准输出使用串口功能。

心得体会

本项目成功实现了一个基于 SAM E51 Curiosity Nano评估板的舵机测试仪，能够灵活调整和监控舵机行为。通过硬件的合理配置和软件的有效实现，可以适配单个舵机控制与调试场景，并为进一步的嵌入式系统开发打下基础。未来可以拓展更多功能，例如通过网络接口实现无线控制和监控等。