任务介绍

本项目实现了Funpack第4-3期活动板卡二的任务一，基于MicroPython控制Teensy 4.1开发板实现了对TMC4361A+TMC2160步进电机控制，并在此软硬件基础上控制42步进电机，实现了一个精密运动控制系统，支持通过串口命令进行速度、位置控制，同时实时反馈电机运行状态信息。

硬件平台

本次使用Teensy 4.1开发板，是一款面向嵌入式开发的高性能评估平台。该开发板搭载了基于ARM Cortex-M7内核的IMXRT1062 MCU，具备丰富的外设资源，包括多个SPI接口、UART接口、I2C接口等，非常适合用于实时步进电机控制系统的开发。开发板集成了调试器接口、USB接口、用户可编程LED与GPIO，便于快速搭建电机控制原型系统。

在软件方面，本项目采用MicroPython实时编程环境作为底层运行环境。MicroPython以其轻量级、高可扩展性和良好的硬件抽象层支持而著称，适用于资源受限的嵌入式设备。通过将TMC4361驱动程序移植至Teensy平台，实现了精确的位置控制、速度调节以及实时状态监控等功能。

核心部件：TMC4361A-BOB & TMC2160-BOB步进电机控制评估套件

TMC4361A运动控制器

TMC4361A是ADI公司的一款高性能步进电机驱动芯片，支持SPI和Step/Dir接口，还具备编码器接口，能实现闭环控制。它集成了ChopSync和dcStep技术，支持S形或六点式斜坡发生器，可实时调整速度曲线。但它只是控制器，无法直接控制步进电机，我们还需要一个驱动器。

TMC2160栅极驱动器

TMC2160是ADI推出的一款高性能两相步进电机驱动芯片，专为高动态、高扭矩应用设计，支持外部MOSFET，具备静音、高效和紧凑等优势。它有以下几个关键特性：

• ‌工作电压‌：8V 至 60V（支持外部N沟道MOSFET）
• ‌电流能力‌：高达4.6A RMS（6.5A峰值）
• ‌接口‌：SPI + Step/Direction，支持高达256微步细分
• ‌优势功能‌：
• • ‌StealthChop‌：实现超静音运行
  • ‌SpreadCycle‌：智能混合衰减模式，优化能效和扭矩
  • ‌CoolStep：动态电流调节，节能高效
  • ‌StallGuard2‌：负载检测，无需传感器

主控设备：TEENSY 4.1开发板

• 搭载IMXRT1062 MCU（ARM Cortex-M7内核）
• 集成USB接口与调试器
• 板载用户可编程LED指示灯
• 支持MicroPython实时编程环境

被控对象：42步进电机

任务分析与实现

本系统实现了基于MicroPython的TMC4361A+TMC2160步进电机控制平台，主要功能包括：

三通道数据交互：

• 电机控制指令
• • 串口命令解析频率：20Hz
  • 支持RPM转速、角度、圈数控制
• SPI通信控制
• • 通信波特率：4MHz
  • 高可靠性数据传输
• MicroPython任务调度
• • 实时反馈电机状态
  • 精确位置与速度控制

方案框图：

驱动编写

本项目基于 TEENSY 4.1 开发板完成了 TMC4361A+TMC2160 电机控制系统的成功移植，并在此基础上实现了对42步进电机的精密控制与运动监测功能。以下详细描述了MicroPython移植的关键流程和核心要点。

一、驱动编写前的准备

1. 硬件环境

• 主控芯片：NXP IMXRT1062（ARM Cortex-M7 内核）
• 开发板：TEENSY 4.1
• 外设资源：
• • SPI 接口用于驱动 TMC4361A 运动控制器
  • PWM 输出提供系统时钟信号
  • UART 串口用于命令控制与状态反馈

2. 软件环境

• IDE：Thonny
• MicroPython 版本：MicroPython 最新版
• 构建工具：mpy-cross 编译器

二、驱动模块编写的核心步骤

1. 驱动模块创建 (tmc4361.py)

驱动模块是MicroPython针对TMC4361A运动控制器的支持包，主要包括寄存器定义、通信协议、控制接口以及运动参数配置。

a. 寄存器地址定义

• 定义TMC4361A全部寄存器地址映射
• 包含运动控制、速度设定、加速度配置等功能寄存器
• 提供事件检测和状态反馈寄存器

# TMC4361 register addresses
TMC4361_GENERAL_CONFIG_REGISTER = 0x0
TMC4361_REFERENCE_CONFIG_REGISTER = 0x01
TMC4361_START_CONFIG_REGISTER = 0x2
TMC4361_INPUT_FILTER_REGISTER = 0x3

b. 功能枚举定义

• 定义运动模式（速度模式、定位模式）
• 定义斜坡类型（矩形、梯形、S型斜坡）
• 定义事件类型和标志位

class RampMode:
    VELOCITY_MODE = 0x00
    POSITIONING_MODE = (0x01 << 2)

class RampType:
    HOLD_RAMP = 0x00  # Follow max speed (rectangle shape)
    TRAPEZOIDAL_RAMP = 0x01
    S_SHAPED_RAMP = 0x02

2. SPI通信实现 (_spi_transfer函数)

完成SPI协议的底层实现：

def _spi_transfer(self, address, data):
    """Perform SPI transfer"""
    return_buffer = 0

    self._cs.value(0)
    time.sleep_us(10)
    
    if (address & 0x80) != 0:  # Write operation
        # For write operations, send the address + data (5 bytes)
        data_bytes = struct.pack('>BI', address, data)
        self._spi.write(data_bytes)
    else:  # Read operation
        # Send address as one byte sequence for read
        address_byte = struct.pack('>B', address)
        self._spi.write(address_byte)
        
        # Read response - first byte is dummy, next 4 bytes contain the actual data
        response = self._spi.read(4)
        # Unpack the 4 bytes of actual data (ignore first dummy byte)
        return_buffer = struct.unpack('>I', response)[0]
    
    self._cs.value(1)
    time.sleep_ms(10)

    return return_buffer

3. 运动控制接口实现

a. 位置与速度控制接口 (set_target_position, set_max_speed)

• 实现目标位置设定功能
• 提供最大速度限制控制
• 支持当前实际位置查询

def set_target_position(self, position):
    """Set the target position
    /!\ Set all other motion profile parameters before
    """
    self.write_register(TMC4361_X_TARGET_REGISTER, position)

def set_max_speed(self, speed):
    """Set the max speed VMAX (steps/second)
    /!\ Don't exceed clockFreq / 2 in velocity mode and clockFreq / 4 in positioning mode
    """
    self.write_register(TMC4361_V_MAX_REGISTER, self._float_to_fixed_point(speed, 8))

b. 加速度控制接口 (set_accelerations)

• 封装加速度、减速度参数设置
• 实现起始加速度和最终减速度控制
• 支持S型斜坡控制参数设定

def set_accelerations(self, max_accel, max_decel, start_accel, final_decel):
    """Set the ramp accelerations (in steps / second^2). See datasheet §6.3.6"""
    self.write_register(TMC4361_A_MAX_REGISTER, self._float_to_fixed_point(abs(max_accel), 2) & 0xFFFFFFFF)
    self.write_register(TMC4361_D_MAX_REGISTER, self._float_to_fixed_point(abs(max_decel), 2) & 0xFFFFFFFF)
    self.write_register(TMC4361_A_START_REGISTER, self._float_to_fixed_point(abs(start_accel), 2) & 0xFFFFFFFF)
    self.write_register(TMC4361_D_FINAL_REGISTER, self._float_to_fixed_point(abs(final_decel), 2) & 0xFFFFFFFF)

4. 应用层控制实现

使用MicroPython提供的高级接口，实现便捷的控制功能：

def set_speed_in_rpm(rpm):
    """Set motor speed in RPM"""
    # Convert RPM to steps per second
    # 1 RPM = 1 revolution per minute = STEPS_PER_REVOLUTION steps per minute
    # So RPM * STEPS_PER_REVOLUTION / 60 = steps per second
    steps_per_second = rpm * STEPS_PER_REVOLUTION // 60
    
    tmc.set_ramp_mode(tmc4361.TMC4361.RampMode.VELOCITY_MODE, tmc4361.TMC4361.RampType.HOLD_RAMP)
    tmc.set_max_speed(steps_per_second)

代码详解

整体软件流程图：

一、硬件初始化与电机配置

系统启动后首先完成TMC4361A控制器初始化序列，关键流程如下：

• 配置SPI接口为模式1（CPOL=1, CPHA=1），设置通信波特率为4MHz
• 初始化PWM输出提供TMC4361A系统时钟（16MHz）
• 启动TMC4361A并配置基本运动参数

def setup():
    print("Starting TMC4361 controller test...")

    # Init TMC4361 clock using PWM
    clk_pin = Pin(TMC4361_CLK_PIN, Pin.OUT)
    clk_pwm = PWM(clk_pin)
    clk_pwm.freq(TMC4361_CLK_FREQ)
    clk_pwm.duty_u16(65535//2)  # 50% duty cycle (65535 is max for default resolution)

    # Initialize TMC4361
    tmc.begin()

    # Configuration sequence from original Arduino code
    
    # SPI_OUT_CONF
    tmc.write_register(tmc4361.TMC4361_SPIOUT_CONF_REGISTER, 0x4440128D)
    time.sleep_ms(5)

在PWM代码编写完后，可以接示波器测量一下，是否有实际波形输出。如图：

二、串口命令解析与执行

def handle_serial_command(cmd):
    """Process a serial command"""
    # Handle S command for setting speed in RPM
    if len(cmd) >= 2 and cmd[0] == 'S':
        try:
            rpm_str = cmd[1:]
            rpm = int(rpm_str)
            
            print(f"Setting speed to {rpm} RPM")
            set_speed_in_rpm(rpm)
        except ValueError:
            print("Error: Invalid RPM value.")
    
    # Handle A command for rotation by degrees
    elif len(cmd) >= 2 and cmd[0] == 'A':
        try:
            angle_str = cmd[1:]
            angle = int(angle_str)
            
            print(f"Rotating by {angle} degrees")
            rotate_by_degrees(angle)
        except ValueError:
            print("Error: Invalid angle value.")
    
    # Handle C command for rotation by number of turns
    elif len(cmd) >= 2 and cmd[0] == 'C':
        try:
            turns_str = cmd[1:]
            turns = int(turns_str)
            
            print(f"Rotating by {turns} turns")
            rotate_by_turns(turns)
        except ValueError:
            print("Error: Invalid turns value.")
    
    elif len(cmd) > 0:
        print("Invalid command. Use format: Sxxx (RPM), Axxx (degrees), Cxxx (turns)")

效果展示

遇到的难题与解决办法

问题：MicroPython驱动编写过程中遇到SPI通信没效果的问题

解法

整个移植过程中，有几个要注意的地方：

• SPI通信时序与TMC4361A时序要求的精确匹配
• 固定点数值转换算法的准确性，确保速度和位置控制精度
• 连接逻辑分析仪，即时抓取波形观察是否符合预期

活动感想

通过本项目实践，我深入掌握了基于TMC4361A+TMC2160的步进电机控制方法。这个过程中TEENSY 4.1开发板良好的硬件兼容性与MicroPython强大的实时编程能力极大提升了开发效率，相比于C编程体验要更丝滑。果然还得是那句话：人生苦短，我用Python！

感谢硬禾学堂和得捷电子联合举办的Funpack活动，祝硬禾的活动越办越好！