项目介绍

本项目选用来自ADI的板卡（TMC4361A-BOB&TMC2160-BOB板卡）连接步进电机，使用树莓派Pico实现电机定速旋转、指定角度旋转、指定圈数旋转、正反转切换功能。在电机控制过程中，TMC4361A是电机运行状态控制芯片，TMC2160是电机驱动芯片，树莓派Pico用于配置两种芯片功能，并处理用户的输入。

方案设计

使用状态机实现电机的定速旋转、指定角度旋转、指定圈数旋转、以及正反转切换功能。

硬件连接

Pico与TMC4361的连接：
通过SPI1（CS=Pin13, SCK=Pin14, MOSI=Pin15, MISO=Pin12）连接到TMC4361的（CSN, SCK, SDI, SDO），通过Pin16连接到CLK端口。
Pico与TMC2160的连接：
通过SPI0（CS=Pin5, SCK=Pin2, MOSI=Pin3, MISO=Pin4）连接到TMC4361的（CSN, SCK, SDI, SDO）。

TMC4361与TMC2160的连接：

TMC4361的STPOUT和DIROUT连接到TMC2160的STEP和DIR。

TMC2160与电机的连接：

(A1, A2), (B1, B2) 分别连接到两相四线电机的两相端口。

电源连接：

电脑USB提供三个板卡的逻辑电源。TMC2160的VS，GND连接到12V1.5A的电源。

寄存器配置

1. TMC4361A寄存器配置

1.1. Register 0x31 – External Clock Frequency (fCLK)

• 配置值：self._clock_freq（外部时钟频率，25位无符号整数）
• 描述：
• • 功能：该寄存器配置外部时钟频率，fCLK 是一个 25 位的无符号整数。
  • 作用：该寄存器用于设置芯片的外部时钟频率，用于驱动芯片时序的同步。时钟频率会影响芯片的所有计时器和控制机制。
  • 默认值：无默认值，取决于外部时钟输入。
• 备注：确保外部时钟输入正确，影响芯片所有的计时操作。

1.2. Register 0x10 – Output Timings (STP_LENGTH_ADD & DIR_SETUP_TIME)

• 配置值：
• • STP_LENGTH_ADD（bit 15:0，默认值：0x0000）
  • DIR_SETUP_TIME（bit 31:16，默认值：0x0000）
• 描述：
• • STP_LENGTH_ADD：设置在步进信号 (STPOUT) 活动期间，为有效输出步进，所需要的附加时钟周期数。
  • DIR_SETUP_TIME：设置方向输出 (DIROUT) 和步进输出 (STPOUT) 电压变化之间的延迟时间，单位为时钟周期数。
• 作用：
• • STP_LENGTH_ADD：定义输出步进信号所需的额外时钟周期。
  • DIR_SETUP_TIME：控制方向信号与步进信号之间的时间间隔，确保信号之间的同步，避免时序冲突。
• 默认值：0x0000。

该配置确保了步进信号和方向信号之间的同步，减少因时序问题引起的控制错误。

1.3. Register 0x0C – Event Protection Configuration (EVENT_CLEAR_CONF)

• 配置值：0xFFFFFFFF
• 描述：
• • 功能：该寄存器用于配置事件保护机制。其值设置为 0xFFFFFFFF 时，表示所有事件位都会被保护，防止自动清除。
  • 作用：在读取 EVENTS 寄存器（0x0E）时，选定的事件位（在 EVENTS 寄存器中）不会被清除，直到显式清除。
• 默认值：0x00000000。
• 备注：
• • 保护机制：该配置用于防止读取 EVENTS 寄存器时，事件位被自动清除。设置为 0xFFFFFFFF 表示保护所有事件。
  • 使用此配置时，必须手动清除事件，否则这些事件会保持激活。

1.4. Register 0x0E – Status Event Register (EVENTS)

• 配置值：0xFFFFFFFF
• 描述：
• • 功能：该寄存器用于存储当前的状态事件信息。
  • 作用：此寄存器包含所有的状态事件标志，表示芯片的工作状态。事件包括驱动器错误、超时、位置错误等。
  • 默认值：无默认值。
• 备注：
• • 该寄存器用于指示当前的状态事件，通常需要结合 EVENT_CLEAR_CONF 配置，保护重要事件不被自动清除。
  • 必须通过软件读取和清除事件标志来管理系统的状态。

1.5. Register 0x20 – RAMPMODE

RAMPMODE寄存器用于设置请求的运动曲线和操作模式，包含3个位用于指定不同的操作模式和运动曲线配置。

• 操作模式 (Operation Mode)：
• • Bit 2:
  • • 1: 定位模式 (Positioning Mode)：在此模式下，XTARGET（目标位置）为速度变化的主要参考。
    • 0: 速度模式 (Velocity Mode)：在此模式下，VMAX（目标速度）为速度变化的主要参考。
• 运动曲线 (Motion Profile)：
• • Bits 1:0:
  • • 00: 无加速曲线 (No Ramp)：VACTUAL（实际速度）仅跟随VMAX，即采用矩形速度曲线。
    • 01: 梯形加速曲线 (Trapezoidal Ramp)：考虑加速和减速值，在生成VACTUAL时不调整加速度。
    • 10: S型加速曲线 (S-shaped Ramp)：考虑所有加速、减速以及弯曲值，用于生成平滑的VACTUAL速度曲线。
• 默认值：0x0，表示无加速曲线，速度直接跟随VMAX。

1.6. Register 0x24 – VMAX
VMAX寄存器用于设置最大允许的速度，具有符号表示，采用32位格式（24位整数部分和8位小数部分）。设置电机的最大速度或目标速度，依据所选运动模式（定位模式或速度模式）进行调整。在位置模式下，VMAX限制了位置变化的最大速度；而在速度模式下，VMAX是电机运行的目标速度。

• 格式：32位数据，包含24位整数部分和8位小数部分，范围为4 mpps ≤ |VMAX [pps]| ≤ CLK_FREQ • ½ pulses。
• • 范围：例如，如果时钟频率fCLK为16 MHz，则最大速度|VMAX| ≤ 8 Mpps（百万脉冲每秒）。
• 默认值：未指定具体默认值。根据应用需求，用户需自行设置适合的速度值。

1.7. Register 0x37 – XTARGET
XTARGET寄存器用于设置目标位置，具有符号表示，采用32位格式。

• 格式：32位数据，表示目标位置值。
• 默认值：未指定具体默认值，需自行设置所需的目标位置。

2. TMC2160寄存器配置

2.1. Register 0x00 – GCONF (Global Configuration Flags)

• 配置值：0x00000008
• 解析：二进制为 0000 0000 0000 1000，即 bit[3] = 1。
• 作用：
• • bit3 – multistep_filt = 1
    启用步进信号滤波器，用于 StealthChop 优化，在外部 STEP 源时开启（默认=1）。
• 其他位：保持默认值。

2.2. Register 0x10 – IHOLD_IRUN (Driver Current Control)

• 配置值：0x000A0806
• 解析：
• • 二进制分解：
  • • IHOLD (bits 4..0) = 0x06 = 6
      → 电机静止电流：6/32 ≈ 19% 额定电流。
    • IRUN (bits 12..8) = 0x10 = 16
      → 电机运行电流：16/32 = 50% 额定电流。
    • IHOLDDELAY (bits 19..16) = 0x0A = 10
      → 电机进入静止电流的延时控制 = 10 × 2^18 个时钟周期。
• 作用：
• • 在运行时提供 50% 额定电流，保证转矩和稳定性；
  • 静止时电流降低至 19%，减少发热；
  • 延时机制避免了突然降流带来的电机抖动。

2.3. Register 0x6C – CHOPCONF (Chopper Configuration)

• 配置值：0x010100C3
• 解析：二进制展开如下：0x010100C3 = 0000 0001 0000 0001 0000 0000 1100 0011
• 关键位说明：
• • toff (bits 3..0) = 0x3 = 3
    → Chopper off-time = 24 + 32×3 = 120 clocks。驱动器有效（toff ≠ 0）。
  • hstrt (bits 6..4) = 0x1 = 1
    → Hysteresis start 值。
  • hend (bits 10..7) = 0x0 = 0
    → Hysteresis end 值。
  • tbl (bits 16..15) = 0x2 = 2
    → Comparator blank time = 36 clocks。
  • mres (bits 27..24) = 0x0 = 256 microsteps
    → 原生 256 微步分辨率。
  • intpol (bit 28) = 1
    → 启用插值至 256 微步，保证最平滑的运动。
  • dedge (bit 29) = 0
    → 不启用双沿触发。
  • diss2g/diss2vs (bits 31..30) = 0
    → 短路保护功能开启（默认安全）。
• 作用：
• • 选择 SpreadCycle 模式(chm=0)
  • 微步分辨率设置为 256 microsteps，并启用插值，保证低速平滑运行；
  • 设置合适的 TOFF 与 blank time，确保稳定的电流斩波控制。

状态机设计

可以将电机的控制分为以下几种状态：

• 待机状态：初始状态，等待命令输入。
• 定速旋转状态：电机以一定速度旋转。
• 指定角度旋转状态：电机旋转至指定角度后停止。
• 指定圈数旋转状态：电机旋转指定圈数后停止。
• 正转状态：电机向一个方向旋转。
• 反转状态：电机向另一个方向旋转。

每当接收到一个特定的命令后，状态机将切换到相应的状态。

输入命令，输入将通过字母和回车来触发状态转换：

• 'S'：定速旋转
• 'A'：指定角度旋转
• 'C'：指定圈数旋转
• 'R'：切换正转或反转

TMC4361需提供一个输入频率才可以正常运行，该频率用pico的PWM输出即可。

pico两个spi分别输出到TMC4361和TMC2160，分别用于配置寄存器。

程序设计

程序流程图

核心代码

1. 异步任务启动与状态共享

位于 main 异步函数中，是整个程序的入口和调度中心。它首先定义了一个名为 ctx 的共享上下文词典，用于在不同的并发任务之间安全地传递和共享数据（如速度、方向、当前位置等）。使用 uasyncio.create_task() 启动了两个核心的并发任务：monitor_status（状态监控）和 handle_input（用户输入处理），让它们并行运行。

async def main():
    ctx = {
        'round': 360 / 1.8 * 128,
        'speed': int(360 / 1.8 * 128),
        'direction': 1,
        'current_position': 0
    }
    tmc.set_accelerations(ctx['round'], ctx['round'], 0, 0)
    tmc.stop()

    uasyncio.create_task(monitor_status(tmc, ctx))
    uasyncio.create_task(handle_input(tmc, ctx))
    while True:
        await uasyncio.sleep(1)

2. 电机状态持续监控

monitor_status 函数是一个在后台持续运行的协程。它的核心功能是通过 while True 循环，每隔100毫秒调用 `tmc.get_current_tmc.get_current_position() 从硬件读取电机当前所处的精确位置。然后，它将这个实时位置数据更新到共享的 ctx 词典中。这确保了其他任务在需要时总能获取到最新的电机状态，为精确的角度和圈数控制提供了数据基础。

async def monitor_status(tmc, ctx):
    while True:
        current_position = tmc.get_current_position()
        ctx['current_position'] = current_position
        await uasyncio.sleep_ms(100)

3. 异步监听用户输入

handle_input 函数同样是一个协程，专门负责处理用户的键盘输入。它通过 uasyncio.StreamReader 异步地等待来自标准输入（sys.stdin）的数据。关键在于 await sreader.readline()，它会暂停此任务的执行，直到用户输入一行字符并按下回车。在此等待期间，CPU可以去执行其他任务（如 monitor_status），实现了非阻塞式的输入处理，提高了系统效率。

async def handle_input(tmc, ctx):
    sreader = uasyncio.StreamReader(sys.stdin)
    while True:
        res = await sreader.readline()
        user_input = res.decode().strip()
        parts = user_input.split(':')
        command = parts[0].upper()

4. 指令解析

'S' 指令：定速旋转

当检测到命令为 'S' 时，程序会将TMC4361运动控制器设置为 速度模式 (VELOCITY_MODE)。然后，它会调用 `tmc.set_max_tmc.set_max_speed() 函数，将用户设定的速度值发送给控制器。这会使电机以指定的速度持续旋转，直到接收到新的指令。

'A' 和 'C' 指令：精确定位

这两个指令分支处理的是基于位置的旋转。它们首先将控制器切换到 位置模式 (POSITIONING_MODE)。核心逻辑是计算出目标位置 `targettarget_pos。这个计算基于从 ctx 中读取的当前位置，加上用户指定的角度或圈数转换成的步数，再乘以方向系数。最后，通过 tmc.set_target_position() 命令电机运动到这个绝对位置后自动停止。

'R' 指令：切换方向

处理 'R' 指令的代码非常简洁。它不直接与电机硬件通信，而是修改共享状态 ctx 中的 direction 变量，将其值在 1 和 -1 之间切换。这个 direction 变量会在之后处理 'A' 和 'C' 指令计算目标位置时被用作乘数，从而轻松地实现正转和反转的切换。

if command == 'S':  # Set Speed
    speed = int(parts[1])
    ctx['speed'] = speed  # Update shared speed value
    tmc.set_ramp_mode(TMC4361.VELOCITY_MODE, TMC4361.TRAPEZOIDAL_RAMP)
    tmc.set_max_speed(speed)
    print("Speed set to:", speed)


elif command == 'A': # Rotate by Angle
    angle = float(parts[1])
    tmc.set_ramp_mode(TMC4361.POSITIONING_MODE, TMC4361.TRAPEZOIDAL_RAMP)
    tmc.set_max_speed(ctx['speed'])
    # Read current position from the shared context
    target_pos = int(ctx['current_position'] + ctx['round'] * angle / 360 * ctx['direction'])
    tmc.set_target_position(target_pos)
    print("Rotating by angle:", angle)


elif command == 'C': # Rotate by Cycles/Revolutions
    revolutions = int(parts[1])
    tmc.set_ramp_mode(TMC4361.POSITIONING_MODE, TMC4361.TRAPEZOIDAL_RAMP)
    tmc.set_max_speed(ctx['speed'])
    # Read current position from the shared context
    target_pos = int(ctx['current_position'] + ctx['round'] * revolutions * ctx['direction'])
    tmc.set_target_position(target_pos)
    print("Rotating by revolutions:", revolutions)


elif command == 'R': # Reverse direction
    ctx['direction'] *= -1
    print("Direction switched, current direction:", "lockwise" if ctx['direction']==1 else "counterclockwise")


else:
    print("Error: Unknown command")

5. TMC2160驱动器配置

配置TMC2160的GCONF寄存器启用外部STEP/DIR接口，设置IHOLD_IRUN电流参数为0x000A0806，配置CHOPCONF寄存器为0x010100C3实现128微步控制，设置斩波器空载时间和迟滞值。

tmc2160_configs = [
    (0x00, 0x00000008),
    (0x10, 0x000A0806),
    (0x6C, 0x010100C3)
]
tmc2160 = TMC2160(spi, cs_pin=5)
tmc2160.configure_registers(tmc2160_configs)

6. TMC4361基础初始化

初始化TMC4361时钟频率为8MHz，设置步进脉冲宽度和方向信号建立时间各5ns，配置事件寄存器禁止自动清除事件标志。

tmc = TMC4361(spi, cs_pin=13, clock_freq=8000000)
tmc.write_register(TMC4361.CLK_FREQ_REGISTER, 8000000)
tmc.set_output_timings(5, 5)
tmc.write_register(TMC4361.EVENT_CLEAR_CONF_REGISTER, 0xFFFFFFFF)

实物演示

• 定速旋转

• 指定角度旋转

• 指定圈数旋转

• 正反转切换

完整的动态演示效果请观看演示视频。

总结

本项目的难点主要在于对TMC4361和TMC2160这两款芯片的寄存器功能配置的深入理解。由于这两款芯片功能复杂，开发过程中需要花费大量时间仔细阅读芯片的数据手册，并在其中找到关键寄存器的配置细节。只有准确配置这些寄存器，才能确保系统能够稳定运行。

本项目的目标是实现对用户输入的处理，并为电机提供简单的开环控制功能。通过对寄存器的正确配置，能够有效控制电机的转动，同时保证系统的响应速度和稳定性，满足基本的控制需求。