使用PYNQ生成PWM波控制舵机/步进电机/机械臂

使用PYNQ生成PWM波控制舵机/步进电机/机械臂

在开始这个工程之前，你需要PYNQ-Z2的板卡文件，约束文件，原理图作为参考，你可以在我上传的资源里下载。

当然，这个工程也适用于PYNQ-Z1，只需要改一下板卡文件和约束文件。

我使用的舵机如下：

1. PWM 信号

脉宽调制（PWM）是一种调制技术，它生成可变宽度的脉冲来表示模拟输入信号的幅度。

我们关注两个参数：

信号频率（或周期）和信号占空比：

• 周期是信号从低到高所需的时间

• 占空比是高电平时间占信号周期的比例。

2. 用于 PWM 的 IP 核：Axi Timer

Xilinx 提供的唯一能够生成 PWM 信号的 IP 核是 Axi Timer。Axi Timer 由 S_AXI 接口控制的，它输出两种类型的输出：

• 一个定时器输出，用于生成一个简单的时钟定时器

• 一个 PWM，用于生成一个 PWM 信号

因此，根据这一点，我们将创建一个设计，该设计生成一个与 PYNQ Z2 的特定引脚相连的 PWM 信号。

3. PWM 的 Vivado 设计

Vivado 流程是通用的：

• 首先，新建一个vivado工程，步骤如下：
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

• 创建一个Block Design，步骤如下：
  
  
  
  
  
  

• AXI Timer的添加也类似，想要驱动几个舵机，就添加几个AXI Timer，由于我控制的是四自由度的机械臂，所以这里用 4 个 AXI Timer，然后让它们自动连线：
  
  
  
  
  
  
  
  

• 将 4 个 PWM 端口引出来，并且修改端口名字：
  
  
  
  

• 可以点击这里验证自己的设计是否正确：
  
  

• 在我们的设计中，我们定义了以下约束文件（对于4自由度的机械臂，我们需要4个PWM信号控制4个舵机，所以我们连接了 PMODB下面的 4 个引脚）：
  
  
  
  
  
  
  
  

• 约束文件内容如下：

  set_property -dict {PACKAGE_PIN W14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {motor0}]
  set_property -dict {PACKAGE_PIN Y14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {motor1}]
  set_property -dict {PACKAGE_PIN T11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {motor2}]
  set_property -dict {PACKAGE_PIN T10 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {motor3}]
  

• 现在讲解怎么确定管脚的绑定，根据PYNQ-Z2原理图，我们可以看到，PMODB下面四个管脚对应的序号为JB1P，JB1N，JB2P，JB2N，在IO口（BANK）寻找对应的序号，我们发现，这四个序号对应的管脚编号分别为W14，Y14，T11，T10，将 Block Design 中引出的 PWM 端口绑定到这四个管脚上，这样我们约束文件也就确定好了。
  
  
  
  

• Create HDL Wrapper（将设计的顶层模块包装成一个HDL文件）
  
  

• 最后，生成 bit 流，当看到右上角write_bitstream Complete说明比特流生成成功。

• 比特流生成成功后，你将会在pwm_stepper_motor\pwm_stepper_motor.runs\impl_1看到生成的design_1_wrapper.bit文件，在pwm_stepper_motor\pwm_stepper_motor.srcs\sources_1\bd\design_1\hw_handoff文件夹中看到生成的design_1.hwh，这两个是pynq开发的必要文件，将它们改名为pwm_stepper_motor.bit和pwm_stepper_motor.hwh（注意！两个文件名要相同）。
• 打开 Jupyter Notebook ，创建一个pwm_stepper_motor.ipynb文件，将它和pwm_stepper_motor.bit、pwm_stepper_motor.hwh这两个文件放在同一个文件夹下。

4.生成 PWM 的 Pynq 代码

现在，我们有了比特流。我们如何使用它呢？

你必须阅读 Axi Timer 的文档 。

Axi Timer 的文档在这里：https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axi_timer/v2_0/pg079-axi-timer.pdf

与所有 ip 核类似，你需要控制下面显示的控制/状态寄存器：

因此，我们需要在这个寄存器的特定位上写入值，以激活 PWM 信号发生器。

特别地，我们需要以下配置：

• TCSR0 的 PWMA0 位和 TCSR1 的 PWMB0 位必须设置为 1 以启用 PWM 模式。
• 必须在 TCSR 中启用 GenerateOut 信号（GENT 位设置为 1）。PWM0 信号由 Timer 0 和 Timer 1 的 GenerateOut 信号生成，因此这些信号必须在两个定时器中都启用；
• 计数器 UDT 可以设置为向上或向下计数（我更喜欢设置为 1）；
• 将 Autoreload 寄存器 ARHT0 设置为 1；
• 使能定时器将 ENT0 设置为 1。
• 完成后，我们可以设置生成的 PWM 信号的周期和占空比。

4.1 周期设置

AXI Timer IP通过将输入的计数值转换为实际的时间周期来工作。在这个例子中，AXI Timer的输入时钟频率是50MHz。这意味着每个计数单位表示20ns的时间（1 / 50MHz = 20ns）。

为了将计数值转换为实际的周期时间，我们需要考虑输入时钟的频率。在这个例子中，我们将_period_值设为10000，乘以100，得到周期计数值：

period = int((_period_ & 0x0ffff) * 100)

这里，我们将_period_值限制为16位（通过将其与0x0ffff进行位与操作），然后将其乘以100。这样，我们得到的period变量值为1000000，这表示1000000个20ns的计数单位，即20ms的实际周期时间。

接下来，我们将计算出的周期值写入AXI Timer的TLR0寄存器：

motor0.write(TLR0['address_offset'], period)

4.2 占空比设置

在这个示例中，计算占空比的方法是基于期望的百分比值。给定一个占空比的百分比，我们可以计算与之对应的脉冲宽度计数值。

首先，我们设置期望的占空比百分比：

_pulse_ = 50  # 50% 占空比

然后，我们计算占空比对应的脉冲宽度计数值。为此，我们首先将占空比限制为7位（通过将其与0x07f进行位与操作），然后将其乘以计算出的周期计数值（period）除以100。这将把占空比的百分比值转换为实际的脉冲宽度计数值：

pulse = int((_pulse_ & 0x07f) * period / 100)

在这个例子中，我们得到的pulse变量值为500000，这表示500000个20ns的计数单位，即10ms的实际脉冲宽度时间。因此，占空比为50%（10ms脉冲宽度 / 20ms周期 = 0.5）。

最后，我们将计算出的脉冲宽度值写入AXI Timer的TLR1寄存器：

motor0.write(TLR1['address_offset'], pulse)

这将配置AXI Timer，使其产生一个占空比为50%的PWM信号。这样，我们就可以根据需要调整PWM信号的周期和占空比，以便控制连接到AXI Timer的设备（例如舵机或其他类型的马达）。

好的，现在我们准备好控制 PWM 了！以下是一些用于生成 PWM 的 PYNQ 代码（在单个 Axi Timer 上）：

from pynq import Overlay

# 用于位操作的实用函数
def set_bit(value, bit):
    return value | (1 << bit)

def clear_bit(value, bit):
    return value & ~(1 << bit)

def get_bit(value, bit):
    return (value >> bit) & 1

ol = Overlay("pwm_stepper_motor.bit")
motor0 = ol.axi_timer_0

# 提取寄存器地址（每个Axi Timer的寄存器地址都相同）
TCSR0 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TCSR0']
TCSR1 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TCSR1']
TCSR0_address = TCSR0['address_offset']
TCSR1_address = TCSR1['address_offset']
TCSR0_register = TCSR0['fields'] # bit_offset for address
TCSR1_register = TCSR1['fields']
TLR0 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TLR0']
TLR1 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TLR1']
TLR0_address = TLR0['address_offset']
TLR1_address = TLR1['address_offset']

# 创建控制寄存器的配置值
temp_val_0 = 0
temp_val_1 = 0

# 要启用PWM模式，必须将TCSR0中的PWMA0位和TCSR1中的PWMB0位设置为1
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['PWMA0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['PWMA1']['bit_offset'])

# 在TCSR中必须启用GenerateOut信号（将GENT位设置为1）
# PWM0信号是由Timer 0和Timer 1的GenerateOut信号生成的
# 因此必须在两个定时器中启用这些信号
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['GENT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['GENT1']['bit_offset'])

# 计数器可以设置为向上计数或向下计数
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['UDT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['UDT1']['bit_offset'])

# 将ARHT0位设置为1
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['ARHT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['ARHT1']['bit_offset'])

# 要启用定时器，可以将ENT0位设置为1
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['ENT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['ENT1']['bit_offset'])

# 这里您应该会看到两次"0b1010010110"
print(bin(temp_val_0))
print(bin(temp_val_1))

# 现在我们可以生成PWM信号了
_period_ = 10000 # 50Hz, 20ms
_pulse_ = 50 # 50% 占空比
period = int((_period_ & 0x0ffff) *100);
pulse = int((_pulse_ & 0x07f)*period/100);
print("period 20ms", period)
print("pulse 50%", pulse)

motor0.write(TCSR0['address_offset'], temp_val_0)
motor0.write(TCSR1['address_offset'], temp_val_1)
motor0.write(TLR0['address_offset'], period)
motor0.write(TLR1['address_offset'], pulse)

运行该代码，如果你将示波器连接到PMOD B的引脚，您将会看到一个PWM信号！

如果您想使用图形界面更改PWM的周期，您可以使用此Jupyter Notebook代码：

from ipywidgets import interact, interactive, HBox, VBox
import ipywidgets as widgets

def clicked(P=None, Torque=None):

    _period_ = P
    _pulse_ = 50 # 50% 占空比
    period = int((_period_ & 0x0ffff) *100);
    pulse = int((_pulse_ & 0x07f)*period/100);
    print("period 20ms", period)
    print("pulse 50%", pulse)

    motor0.write(TCSR0['address_offset'], temp_val_0)
    motor0.write(TCSR1['address_offset'], temp_val_1)
    motor0.write(TLR0['address_offset'], period)
    motor0.write(TLR1['address_offset'], pulse)

w = interactive(clicked,
            	P=widgets.IntSlider(min=4000, max=30000, step=1, value=4000),
                Torque=widgets.IntSlider(min=-400, max=400, step=1, value=0))
VBox([w.children[0], w.children[1]])

5. 伺服电机是如何工作的

我们知道你也很好奇，让我们来了解一下！



这个特定的伺服电机包含一个无刷电机、一些减速齿轮以减少电机的转速但增加扭矩、一个电路来将外部信号解释为旋转轴的特定位置，以及一个“H桥”以允许顺时针和逆时针旋转。

180°舵机：

角度	脉冲宽度	占空比
0	0.5ms	2.5%
45	1ms	5.0%
90	1.5ms	7.5%
135	2ms	10.0%
180	2.5ms	12.5%

因此，这种特定的伺服电机不能仅仅使用给定的电压或电流旋转，而是需要一个特定的命令来旋转到一个角度。该命令由一个PWM信号组成，改变信号的占空比，算法如下：

pulse = 2.5 + (angle/180)*10

最后，将周期和脉冲值发送到Axi Timer的相应寄存器中。

PYNQ代码如下：

def set_servo_angle(servo, angle):

    _period_ = 10000
    _pulse_ = 2.5 + (angle/180)*10
    period = int((_period_ & 0x0ffff) *100);
    pulse = int((_pulse_ & 0x07f)*period/100);

    servo.write(TCSR0['address_offset'], temp_val_0)
    servo.write(TCSR1['address_offset'], temp_val_1)
    servo.write(TLR0['address_offset'], period)
    servo.write(TLR1['address_offset'], pulse)

好的，让我们把所有的东西连接在一起，并创建一个简单的PYNQ代码来测试一下：

from pynq import Overlay

def set_servo_angle(servo, angle):

    _period_ = 10000
    _pulse_ = 2.5 + (angle/180)*10
    period = int((_period_ & 0x0ffff) *100);
    pulse = int((_pulse_ & 0x07f)*period/100);

    servo.write(TCSR0['address_offset'], temp_val_0)
    servo.write(TCSR1['address_offset'], temp_val_1)
    servo.write(TLR0['address_offset'], period)
    servo.write(TLR1['address_offset'], pulse)

ol = Overlay("pwm.bit")
motor0 = ol.axi_timer_0
TCSR0 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TCSR0']
TCSR1 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TCSR1']
TCSR0_address = TCSR0['address_offset']
TCSR1_address = TCSR1['address_offset']
TCSR0_register = TCSR0['fields']
TCSR1_register = TCSR1['fields']
TLR0 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TLR0']
TLR1 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TLR1']
TLR0_address = TLR0['address_offset']
TLR1_address = TLR1['address_offset']

temp_val_0 = 0
temp_val_1 = 0

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['PWMA0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['PWMA1']['bit_offset'])

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['GENT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['GENT1']['bit_offset'])

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['UDT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['UDT1']['bit_offset'])

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['ARHT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['ARHT1']['bit_offset'])

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['ENT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['ENT1']['bit_offset'])

set_servo_angle(motor0, 90)

如果一切正常，您可以看到电机旋转到90度。很酷，对吧？