Funpack5-1 - 用NXP FRDM-MCXA346开发板实现Shell与电机控制

内容介绍

一、任务活动介绍

Funpack 活动是由硬禾科技联合 DigiKey 发起的“玩成功就全额退”活动。本期为第五季第 1 期，指定开发平台为 NXP 新品 FRDM-MCXA346 开发板，任务内容如下：

任务 1：串口通信

基础题：通过 UART 串口输出字符串“Hello, DigiKey Funpack 5-1”【⭐️】
进阶题：基于开发板并结合 AI 辅助实现一个带缓冲区的轻量级 Shell 交互系统，可读取、解析并执行用户输入命令；支持命令提示符显示、缓冲区管理与基本命令解析，例如通过指令控制板载 LED 的颜色与亮度【⭐️⭐️⭐️】

任务 2：ADC 数据采集

基础题：使用高分辨率 ADC 采集电压并显示【⭐️】
进阶题：联合电机驱动板实现三相无刷电机驱动【⭐️⭐️⭐️】

本项目完成了任务 1 的基础与进阶内容，以及任务 2 的进阶内容。
在电机控制部分，未采用 ADC 采样方式，而是通过 I²C 读取角度传感器数据实现闭环控制。

二、项目描述

FRDM-MCXA346 开发板具备 180 MHz 主频、1 MB Flash 与 256 KB RAM，板载资源丰富，包含调试器、按键、RGB LED 及 Arduino 兼容扩展接口。

本项目围绕开发板与外设联调，依次实现以下功能：

串口输出与回显“Hello, DigiKey Funpack 5-1”
基于 Letter-Shell 实现带缓冲的命令解释器
通过串口命令控制 RGB LED 的开关与颜色
基于 SimpleFOC 完成无刷电机位置/速度/急停控制
将电机角度映射至 LED 颜色，实现交互联动效果

为实现上述功能，主要完成了以下工作：

引入 FreeRTOS 并创建多任务系统
移植 Letter-Shell，实现串口 Shell 与命令注册机制
移植 SimpleFOC，完成 PWM 与时钟配置及电机控制
建立 电机-传感器-LED 反馈联动链路

三、芯片选型

1）FRDM-MCXA346 开发板

Cortex-M33 内核，最高 180 MHz
1 MB Flash + 256 KB RAM（含 8 KB ECC）
双 FlexPWM、4×16 位 ADC、SmartDMA、MAU 数学加速器
支持 CAN/I3C/SPI/I²C/UART/USB-Type-C
板载 MCU-Link 调试器（CMSIS-DAP）
兼容 Arduino / mikroBUS / PMOD 扩展生态
适用于：工业控制、电机驱动、IoT 边缘计算

本项目实际使用的资源：
调试接口、UART、I²C、PWM、板载 RGB LED

2）AS5600 磁编码角度传感器

用于实时检测无刷电机转子角度，实现位置闭环控制。

3）DRV8313 三相无刷电机驱动芯片

提供三相驱动能力，并支持外部 PWM 控制。

四、方案框图与设计思路

项目基于 NXP SDK + FreeRTOS 架构开发。
系统初始化完成后创建两个核心任务：

Shell 任务：负责命令解析与用户交互
FOC 任务：执行电机控制与角度采样处理

二者通过 Shell 调用相关接口，实现 Hello/LED/电机 等控制指令。

五、电路设计

原理图

FRDM-MCXA346 参考原理图来源：电子森林资源库：FRDM-MCXA346 开发板

连线图

I²C → AS5600 角度传感器
PWM → DRV8313 三相驱动模块
板载 RGB LED 作为状态与角度显示输出

六、软件设计与关键代码

软件设计流程

工程介绍

工程以官方 freertos_hello 示例为基础：

启用必要外设与引脚
移植 Letter-Shell 与 SimpleFOC
注册自定义 Shell 命令

启用并配置了如下的一些引脚和外设。

关键代码

这里补充一些移植过程中，我觉得比较关键的代码，完整代码可以查看附件。

① Letter-Shell移植代码shell_port.c：这里使用了串口中断，并配置了循环缓冲区，用于更好地处理串口数据

Shell shell;
static char shellBuffer[512];

/* ========== UART RX Interrupt Handler ========== */
// 中断接收串口数据，放入循环缓冲区中
/**
 * @brief UART RX interrupt handler
 * Stores received data in ring buffer
 */
void LPUART2_IRQHandler(void)
{
    uint8_t data;

    /* Check if RX data available */
    if (kLPUART_RxDataRegFullFlag & LPUART_GetStatusFlags(SHELL_UART))
    {
        data = LPUART_ReadByte(SHELL_UART);

        /* Store in ring buffer if space available */
        uint16_t nextHead = (rxHead + 1) % RING_BUFFER_SIZE;
        if (nextHead != rxTail)
        {
            rxRingBuf[rxHead] = data;
            rxHead = nextHead;
        }
        /* If buffer full, data is dropped */
    }

    SDK_ISR_EXIT_BARRIER;
}

/* ========== Shell Initialization ========== */
/**
 * @brief Initialize shell system (UART + task + buffer)
 * @return 0 on success, -1 on failure
 */
signed short shell_init(void)
{
    /* Initialize UART */
    shell_uart_init();

    /* Configure shell structure */
    shell.read = shellRead;
    shell.write = shellWrite;

    /* Initialize shell with buffer */
    shellInit(&shell, shellBuffer, sizeof(shellBuffer));

    /* Create shell task */
    if (xTaskCreate(shell_task,
                    "shell_task",
                    configMINIMAL_STACK_SIZE + 512,
                    NULL,
                    tskIDLE_PRIORITY + 3,
                    NULL) != pdPASS)
        return -1;

    return 0;
}

② FOC移植foc_port.c：初始化、获取时钟、三相PWM初始化。注意原有的从systick获取的时钟无效，这里使用了freertos的时钟数据。三相PWM配置为中心对称模式，并且设置了死区时间200ns。

* ========== FOC Hardware Initialization ========== */
/**
 * @brief Initialize SimpleFOC hardware and parameters
 */
void simple_foc_init(void)
{
    PRINTF("\r\n=== SimpleFOC init (MCXA346) ===\r\n");

    /* Initialize magnetic sensor */
    MagneticSensor_Init();
    delay_ms(10);
    M1_Disable; // Disable driver at startup for safety

    /* Initialize PWM for 3-phase output to DRV8313 */
    foc_pwm_init(20000); // 20kHz recommended

    /* Set FOC control parameters */
    voltage_power_supply = 12.0f;
    voltage_limit = 3.0f;
    velocity_limit = 20.0f;
    voltage_sensor_align = 3.0f;

    torque_controller = Type_voltage;
    controller = Type_angle;
    target = 0.0f;

    /* Initialize motor and FOC */
    Motor_init();
    Motor_initFOC();
    PID_init();

    PRINTF("Motor ready.\r\n");
}

/**
 * @brief SimpleFOC control task
 * Runs FOC loop at 1ms intervals, or LED control in angle mode
 */
static void simple_foc_task(void *arg)
{
    const TickType_t period = pdMS_TO_TICKS(1); // 1ms control period
    TickType_t tick = xTaskGetTickCount();      // Initialize baseline tick


    for (;;)
    {
        if (led_angle_mode) {
            // LED angle control mode: only read angle and update LEDs
            float angle = getAngle();
            update_leds_from_angle(angle);
        } else {
            // Normal FOC control
            loopFOC();                      // Clarke/Park/SVPWM/Current loop
            move(target);                   // Velocity/position controller (outer loop)
        }
        vTaskDelayUntil(&tick, period); // Fixed period, no jitter
    }
}

/**
 * @brief Get current time in microseconds
 * @return Current time in microseconds
 */
uint64_t micros(void)
{
    uint32_t tick = xTaskGetTickCount();
    uint32_t cycles = SysTick->VAL;


    return tick * 1000ULL +
           (SystemCoreClock / 1000U - cycles) / (SystemCoreClock / 1000000U);
}

/* ========== I2C/LPI2C Initialization ========== */
/**
 * @brief Initialize I2C for FOC sensor communication
 */
void FOC_I2C_Init(void)
{
    lpi2c_master_config_t config;


    LPI2C_MasterGetDefaultConfig(&config);
    config.baudRate_Hz = 1000000U; // Can be adjusted to 100k/400k as needed


    LPI2C_MasterInit(FOC_LPI2C_BASE, &config, FOC_LPI2C_CLOCK_FREQ);
}


/******************************************************************************/
// FOC PWM初始化
#define BOARD_PWM_BASEADDR (FLEXPWM0)
#define PWM_SRC_CLK_FREQ (CLOCK_GetFreq(kCLOCK_MainClk))
#define DEMO_PWM_CLOCK_DEVIDER (kPWM_Prescale_Divide_4)
#define DEMO_PWM_FAULT_LEVEL true

/*******************************************************************************
 * Code
 ******************************************************************************/
static void PWM_DRV_Init3PhPwm(uint32_t pwm_freq_hz)
{
    uint16_t deadTimeVal;
    pwm_signal_param_t pwmSignal[2];
    uint32_t pwmSourceClockInHz;
    uint32_t pwmFrequencyInHz = pwm_freq_hz;

    pwmSourceClockInHz = PWM_SRC_CLK_FREQ;

    /* Set deadtime count, we set this to about 200ns */
    deadTimeVal = ((uint64_t)pwmSourceClockInHz * 200) / 1000000000;

		// 省略中间代码

    /*********** PWMA_SM1 - phase B configuration, setup PWM A channel only ************/
#ifdef DEMO_PWM_CLOCK_DEVIDER
    PWM_SetupPwm(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_1, pwmSignal, 1, kPWM_SignedCenterAligned, pwmFrequencyInHz,
                 pwmSourceClockInHz / (1 << DEMO_PWM_CLOCK_DEVIDER));
#else
    PWM_SetupPwm(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_1, pwmSignal, 1, kPWM_SignedCenterAligned, pwmFrequencyInHz,
                 pwmSourceClockInHz);
#endif


    /*********** PWMA_SM2 - phase C configuration, setup PWM A channel only ************/
#ifdef DEMO_PWM_CLOCK_DEVIDER
    PWM_SetupPwm(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_2, pwmSignal, 1, kPWM_SignedCenterAligned, pwmFrequencyInHz,
                 pwmSourceClockInHz / (1 << DEMO_PWM_CLOCK_DEVIDER));
#else
    PWM_SetupPwm(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_2, pwmSignal, 1, kPWM_SignedCenterAligned, pwmFrequencyInHz,
                 pwmSourceClockInHz);
#endif
}

③ LED随电机角度控制foc_port.c：虽然我很想使用PWM控制LED的亮度，但是由于三个LED的引脚，无法在PWM0或1的A或B通道，部分都在X通道。其中只有A和B通道才能输出PWM，因此没办法实现亮度的控制。所以，这里只是将电机分为了12个区域，对应区域开关LED。

/**
 * @brief Control LEDs based on motor angle
 * Maps angle to 6 regions for RGB LED control
 */
void update_leds_from_angle(float angle_rad)
{
    // Convert radians to degrees
    float angle = angle_rad * 180.0f / 3.141592653589793f;


    // Normalize angle to 0-360 degrees
    while (angle < 0) angle += 360.0f;
    while (angle >= 360.0f) angle -= 360.0f;


    int r = 0, g = 0, b = 0;


    // 6 regions: 3 main + 3 intermediate
    if (angle < 30.0f) {
        // Region 1: Red only
        r = 1; g = 0; b = 0;
    } else if (angle < 60.0f) {
        // Region 1-2: Red + Green
        r = 1; g = 1; b = 0;
    } else if (angle < 90.0f) {
        // Region 2: Green only
        r = 0; g = 1; b = 0;
    } else if (angle < 120.0f) {
        // Region 2-3: Green + Blue
        r = 0; g = 1; b = 1;
    } else if (angle < 150.0f) {
        // Region 3: Blue only
        r = 0; g = 0; b = 1;
    } else if (angle < 180.0f) {
        // Region 3-1: Blue + Red
        r = 1; g = 0; b = 1;
    } else if (angle < 210.0f) {
        // Region 1: Red only (continued)
        r = 1; g = 0; b = 0;
    } else if (angle < 240.0f) {
        // Region 1-2: Red + Green (continued)
        r = 1; g = 1; b = 0;
    } else if (angle < 270.0f) {
        // Region 2: Green only (continued)
        r = 0; g = 1; b = 0;
    } else if (angle < 300.0f) {
        // Region 2-3: Green + Blue (continued)
        r = 0; g = 1; b = 1;
    } else if (angle < 330.0f) {
        // Region 3: Blue only (continued)
        r = 0; g = 0; b = 1;
    } else {
        // Region 3-1: Blue + Red (continued)
        r = 1; g = 0; b = 1;
    }


    // Set LEDs (assuming active low)
    if (r) GPIO_PortClear(BOARD_LED_RED_GPIO, 1u << BOARD_LED_RED_GPIO_PIN);
    else   GPIO_PortSet(BOARD_LED_RED_GPIO, 1u << BOARD_LED_RED_GPIO_PIN);


    if (g) GPIO_PortClear(BOARD_LED_GREEN_GPIO, 1u << BOARD_LED_GREEN_GPIO_PIN);
    else   GPIO_PortSet(BOARD_LED_GREEN_GPIO, 1u << BOARD_LED_GREEN_GPIO_PIN);


    if (b) GPIO_PortClear(BOARD_LED_BLUE_GPIO, 1u << BOARD_LED_BLUE_GPIO_PIN);
    else   GPIO_PortSet(BOARD_LED_BLUE_GPIO, 1u << BOARD_LED_BLUE_GPIO_PIN);
}

④ Shell函数、命令注册freertos_hello.c：这里简单附上几个函数和命令，例如hello、角度控制、速度控制、led设置。

/* ========== Shell hello 函数 ========== */
void hello(void)
{
    PRINTF("Hello, DigiKey Funpack 5-1\r\n");
}
SHELL_EXPORT_CMD(SHELL_CMD_PERMISSION(0) | SHELL_CMD_TYPE(SHELL_TYPE_CMD_FUNC), hello, hello, Hello DigiKey Funpack 5 - 1);

/* ============================================================
 * angle —— Query / Set target angle
 * ========================================================== */


/**
 * @brief Set or query motor angle target
 * Usage: angle [target_degrees]
 */
void angle(int argc, void *argv[])
{
    float current_angle = getAngle();


    if (argc == 1)
    {
        PRINTF("Current angle = %.2f deg, Target = %.2f deg\r\n", current_angle, target);
        return;
    }


    if (argc == 2)
    {
        const char *arg = (const char *)argv[1];
        target = strtof(arg, NULL);
        controller = Type_angle;
        PRINTF("Set angle target = %.2f deg\r\n", target);
        return;
    }


    PRINTF("Usage: angle [target_degrees]\r\n");
}
SHELL_EXPORT_CMD(SHELL_CMD_PERMISSION(0) | SHELL_CMD_TYPE(SHELL_TYPE_CMD_MAIN),
                 angle, angle, angle[target]);


/* ============================================================
 * vel —— Query / Set velocity target
 * ========================================================== */


/**
 * @brief Set or query motor velocity target
 * Usage: vel [target_rad_per_sec]
 */
void vel(int argc, void *argv[])
{
    if (argc == 1)
    {
        PRINTF("Velocity target = %.2f rad/s\r\n", target);
        return;
    }


    target = strtof((char *)argv[1], NULL);
    controller = Type_velocity;
    PRINTF("Set velocity target = %.2f rad/s\r\n", target);
}
SHELL_EXPORT_CMD(SHELL_CMD_PERMISSION(0) | SHELL_CMD_TYPE(SHELL_TYPE_CMD_MAIN),
                 vel, vel, vel[rad / s]);