Schaeffler FPGA

Modelovanie vnoreného systému na čipe FPGA - praktická časť

Cieľom praktického cvičenia je navrhnúť hardvér a softvér pre vnorený mikropočítačový systém, využívajúci soft-core procesor MicroBlaze. Úlohou systému bude ovládať rýchlosť jednosmerného motora pomocou pulznej šírkovej modulácie (PWM) v otvorenej slučke. Procesor bude zaznamenávať signály z enkodéra motora a na základe týchto signálov vyhodnocovať uhlovú rýchlosť motora v jednotkách otáčok za minútu (ot/min).

Úlohy

1. Naštudujte si funkciu H-mostíka a enkodéra DC motora
2. Navrhnite hardvér procesora s perifériami.
3. Navrhnite a otestujte softvér pre procesor na obsluhu PWM a enkodéra motora.
4. Overte ovládanie a snímanie uhlovej rýchlosti DC motora pomocou experimentu.

1. Naštudujte si funkciu H-mostíka a enkodéra DC motora

H-mostík

H-mostík je elektronický obvod používaný na riadenie smeru a veľkosti prúdu, ktorý tečie cez záťaž. Pozostáva z štyroch tranzistorov a vytvára tak kruhovú sústavu, ktorá dokáže meniť polaritu prúdu prechádzajúceho cez záťaž. Táto vlastnosť umožňuje použitie H-mostíka v rôznych aplikáciách, ako napríklad pri riadení motora, serva alebo pri riadení intenzity svetla LED. H-mostíky sú kľúčovými súčasťami v mnohých robotických aplikáciách a elektrotechnických projektov, kde umožňujú presné a účinné riadenie výkonu.

Pmod DHB1 je dvojkanálový H-mostík, ktorý dokáže ovládať 2 DC motory, je pripojiteľný pomocou konektoru Pmod. Pin EN1 môže byť realizovaný ako PWM signál, pri plnej striede (Duty) sa motor bude točiť maximálnou rýchlosťou. Pomocou DIR1 sa určí smer otáčania motora. Signály S1A a S1B slúžia ako výstupy z enkodéra, pomocou ktorých bude snímať rýchlosť otáčania motora. Viac informácií o H-mostíku nájdete na stránke výrobcu

Inkrementálny enkodér DC motora

Enkodér motora je senzor, ktorý slúži na zisťovanie otáčok a polohy rotujúceho prvku motora. Enkodéry môžu byť absolútne alebo inkrementálne. Inkrementálne enkodéry merajú zmenu polohy rotujúceho prvku vzhľadom k svojej východiskovej polohy. Absolútne enkodéry dokážu zistiť aktuálnu polohu rotujúceho prvku bez ohľadu na jeho predchádzajúce polohy.

V našej aplikácií budeme využívať magnetický inkrementálny enkodér s dvoma halovými sondami. Zmenu magnetického poľa vytvára kotúč s troma magnetmi. Halova sonda tak zaznamená tri nábežné hrany na otáčku motora. Pri výpočte treba započítať aj prevodový pomer planétovej prevodovky motora, ktorý je 1:19. Hriadeľ motora za prevodovkou otáča 19x pomalšie ako motor. Viac informácií o motore s enkodérom nájdete na stránke výrobcu

2. Navrhnite hardvér procesora s perifériami.

• V programe Vivado otvorte projekt umiestnený v adresári C:\skolenie\VIVADO\embedded_system_design.

• Vytvorte základnú štruktúru procesora microblaze s prerušeniami, ktorý pripojte na hodinový a reset signál. Použite pomocný nástroj Run Block Automation a nakonfigurujte procesor

• Vytvorte hardvér pre UART komunikáciu, pripojte aj prerušenie na vstupný blok radiča prerušení. Výsledné zapojenie porovnajte s referenčným návrhom.

• Vložte do návrhu časovač AXI Timer, pripojte na vstupy časovača capturetrig0 a capturetrig1 výstupy z enkodéra JA2 a JA3, ktoré vytvoríte pravým kliknutím na vstupný port IP jadra a následne zvolíte Make External. Výstup IP bloku interrupt pripojte na radič prerušení.

• Vložte do návrhu ďalší časovač, ktorý bude tentokrát slúžiť na generovanie PWM signálu, na výstup pwm0 pripojte RGB1_Green a port JA0. Na port JA1 pripojíme konštantu 0 tak, aby sa motor mohol otáčať len jedným smerom. V tomto prípade interrupt pripájať nie je potrebné.

• Otvorte IP Catalog pridajte nový repozitár vlastných IP blokov, ktorý sa nachádza v priečinku školských počítačov C:\vmsm\ip_repo. Importujte do návrhu IP blok s názvom Seven_segment_display_driver. Vytvorte externé porty an a seg a pripojte ich k IP bloku. Následne pripojte IP blok na AXI zbernicu.

• Importujte do hardvérového návrhu obsluhu tlačidiel použitím AXI GPIO bloku

• Importujte do hardvérového návrhu timer, pomocou ktorého budeme vyvolávať pravidelne sa opakujúce udalosti, napr. diskrétny PID regulátor

• Overte si celkový dizajn s obrázkom. Vygenerujte HDL wrapper a bitstream, ktorý následne vyexportujte pre softvér Xilinx SDK.

3. Navrhnite a otestujte softvér pre procesor na obsluhu PWM a enkodéra motora

• V programe vytvorte nový aplikačný projekt na základe šablóny Hello World a otestujte jeho funkčnosť. Súbor helloworld.c premenujte na main.c.
• Importujte do projektu súbory periph.h a periph.c a analyzujte ich obsah. Súbory sa nachádzajú v priečinku C:\skolenie\
• Pridajte do hlavného súboru main.c,
  • knižnice, direktívy a globálne premenné
  • Prototypy pre funkcie na obsluhu prerušení

#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xtmrctr.h"
#include "xintc.h"
#include "Seven_segment_display_driver.h"
#include "xgpio.h"
#include "periph.h"

#define PWM_PERIOD              	500000    // PWM perioda 500 us

#define ENCODER_DEVICE_ID			XPAR_TMRCTR_0_DEVICE_ID // ID  encoder
#define PWM_DEVICE_ID       		XPAR_TMRCTR_1_DEVICE_ID // ID pre pwm
#define TIMER_DEVICE_ID				XPAR_TMRCTR_2_DEVICE_ID	// ID pre timer
#define GPIO_BUTTONS_DEVICE_ID		XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID //ID gpio periferie
#define INTC_DEVICE_ID				XPAR_INTC_0_DEVICE_ID	// ID radica preruseni

#define ENCODER_INTERRUPT_ID		XPAR_INTC_0_TMRCTR_0_VEC_ID  //ID prerusenia encodera
#define GPIO_INTERRUPT_ID			XPAR_INTC_0_GPIO_0_VEC_ID //ID prerisenia gpio
#define TIMER_INTERRUPT_ID			XPAR_INTC_0_TMRCTR_2_VEC_ID	//ID prerusenia timer
#define COUNTER_INIT_VAL			0
#define DISP_DRV_BASE_ADDR 			XPAR_SEVEN_SEGMENT_DISPLA_0_S00_AXI_BASEADDR

#define TIMER_INTERVAL				10000000 // perioda

XTmrCtr TimerEncoder; 				/* 0 The instance of the Timer for Encoder */
XTmrCtr TimerPWM; 					/* 1 The instance of the Timer for PWM */
XTmrCtr TimerController;			/* 2 The instance of the Timer for periodic events */

XIntc InterruptController; 			/* The instance of the Interrupt Controller */

XGpio Buttons;

int DutyCycle;
u32 Period;
u32 HighTime;
u8 Div;
volatile float rpm;  			// Speed of DC Motor
volatile int time;				// time period of last impulse from motor encoder probe A
static u16 GlobalIntrMask; 		// GPIO channel mask that is needed by the Interrupt Handler

u32 ControllerPeriod;

u32 soft_counter;


static void TimerEncoderHandler(void *CallBackRef, u8 TmrCtrNumber);
static void GpioHandler(void *CallbackRef);
static void TimerControllerHandler(void *CallBackRef, u8 TmrCtrNumber);

Obsluha pre tlačidlá

Pre inicializáciu obsluhy tlačidiel je potrebné vo funkcii main() zavolať inicializačné funkcie

        init_gpio(&Buttons, GPIO_BUTTONS_DEVICE_ID, 0x1, 0x1);
	init_gpio_intr(&Buttons, &InterruptController,
			(Xil_ExceptionHandler) GpioHandler, GPIO_BUTTONS_DEVICE_ID,
			INTC_DEVICE_ID, GPIO_INTERRUPT_ID, &GlobalIntrMask);

V inicializačnej funckií sme nastavili, že po stlačení tlačidla sa vyvolá prerušenie procesora ktoré následné spustí funkciu void GpioHandler(void *CallbackRef). Základnú štruktúru takejto funkcie môžeme vidieť v nasledujúcej ukážke.

void GpioHandler(void *CallbackRef) {
	XGpio *GpioPtr = (XGpio *) CallbackRef;
	int val = XGpio_DiscreteRead(&Buttons, 1);

	xil_printf("button event\n");

	/* Clear the Interrupt */
	XGpio_InterruptClear(GpioPtr, GlobalIntrMask);
}

Úloha: Zistite aké hodnoty sa uložia do premennej val po stačení jednotlivých tlačidiel.

Obsluha časovača pre PWM

Inicializáciu časovača pre PWM realizujeme pomocou funkcie

Period = PWM_PERIOD;
timer_pwm_init(&TimerPWM, PWM_DEVICE_ID, Period);

Samotná zmena pwm signálu je realizovaná pomocou sekvencie funkcií:

	/* DisablePWM */
	XTmrCtr_PwmDisable(&TimerPWM);
	/* Confgure PWM */
	HighTime = PWM_PERIOD * DivF;  // DivF is real (float) number from 0 to 1
	DutyCycle = XTmrCtr_PwmConfigure(&TimerPWM, Period, HighTime);
	/* Enable PWM */
	XTmrCtr_PwmEnable(&TimerPWM);

Úloha: Upravte funkciu obsluhy tlačidiel tak, aby bola pomocou vybraných tlačidiel možná zmena Striedy PWM. Zmenu plnenia PWM signálu môžete pozorovať na zelenej LED na vývojovej doske.

Obsluha časovača pre enkodér motora

Časovač pre enkodér motora inicializujeme vo funkcií main() pomocou funkcie:

	timer_encoder_init(&TimerEncoder, &InterruptController, TimerEncoderHandler,
	ENCODER_DEVICE_ID, INTC_DEVICE_ID, ENCODER_INTERRUPT_ID,
	COUNTER_INIT_VAL);

Obsluha prerušenia sa vyvolá po každej nábežnej hrane senzora A. Do premennej time sa uloží hodnota počítadla, ktorý počítal hodinové impulzy od poslednej nábežnej hrany sondy A. Na základe počtu impulzov hodinového signálu sa dá vyhodnotiť čas, ktorý medzi dvoma nábežnými hranami enkodéra uplynul. Prepočtom je potom možné vyjadriť aj uhlovú rýchlosť motora v otáčkach za minútu.

void TimerEncoderHandler(void *CallBackRef, u8 TmrCtrNumber) {
	XTmrCtr *InstancePtr = (XTmrCtr *) CallBackRef;
	time = XTmrCtr_GetCaptureValue(InstancePtr, TmrCtrNumber);
	XTmrCtr_SetResetValue(InstancePtr, TmrCtrNumber, RESET_VALUE);
	XTmrCtr_Reset(InstancePtr, TmrCtrNumber);

	rpm = 105263179 / time;
}

Úloha: Vytvorte vo funkcií main() nekonečnú slučku v ktorej budete zobrazovať na 7 segmentový displej rýchlosť motora. Otestujte funkčnosť displeja.

usleep(5000000);
int irpm = (int) rpm;
SEVEN_SEGMENT_DISPLAY_DRIVER_mWriteReg(DISP_DRV_BASE_ADDR, 0x0, irpm);

Obsluha pre časovač pravidelných udalostí

Inicializácia časovača pravidelných udalostí vo funckií main():

	ControllerPeriod = TIMER_INTERVAL;
	timer_contoller_init(&TimerController, &InterruptController,
			TimerControllerHandler,
			TIMER_DEVICE_ID, INTC_DEVICE_ID, TIMER_INTERRUPT_ID,
			COUNTER_INIT_VAL, ControllerPeriod);

Funkcia prerušenia časovača:

void TimerControllerHandler(void *CallBackRef, u8 TmrCtrNumber) {
	XTmrCtr *InstancePtr = (XTmrCtr *) CallBackRef;

	int irpm = (int) rpm;
	
}

Úloha: Upravte zdrojový kód tak, aby sa zobrazenie údajov na displej ako aj cez terminál realizovalo v pravidelných 1 sekundových intervaloch pomocou funkcie prerušenia časovača Timer_2.

Úloha: Naprogramujte softvérový counter, ktorý bude počítať všetky nábežné hrany z halovej sondy A počas jednej sekundy. Na základe počtu impulzov vypočítajte uhlovú rýchlosť motora v ot/min (rpm). Porovnajte oba spôsoby vyhodnotenia uhlovej rýchlosti pomocou experimentu.

Úloha: Upravte postupne intervaly prerušenia časovača na 100ms a 10ms. Experiment opakujte a výsledky pre jednotlivé vzájomne porovnajte .

Kompletné definície funkcií pre obsluhu prerušení

Obsluha pre tlačidláObsluha pre časovač enkodéraObsluha pre časovač pravidelných udalostí

void GpioHandler(void *CallbackRef) {
	XGpio *GpioPtr = (XGpio *) CallbackRef;
	int val = XGpio_DiscreteRead(&Buttons, 1);
	//button is pressed
	if (val != 0x0) {
		if ((val == 0x1) && (Div < 10)) {
			Div++;
		} else if ((val == 0x4) && (Div > 0)) {
			Div--;
		}
		float DivF = (float) Div / 10;
		HighTime = PWM_PERIOD * DivF;
		if (Div > 9) {
			HighTime = PWM_PERIOD - 10;
		} else if (Div == 0) {
			HighTime = PWM_PERIOD;
		}

		//xil_printf("Duty is %d0 %% \n", Div);

		XTmrCtr_PwmDisable(&TimerPWM);
		DutyCycle = XTmrCtr_PwmConfigure(&TimerPWM, Period, HighTime);
		/* Enable PWM */
		XTmrCtr_PwmEnable(&TimerPWM);
	}
	/* Clear the Interrupt */
	XGpio_InterruptClear(GpioPtr, GlobalIntrMask);
}

void TimerEncoderHandler(void *CallBackRef, u8 TmrCtrNumber) {
	XTmrCtr *InstancePtr = (XTmrCtr *) CallBackRef;
	time = XTmrCtr_GetCaptureValue(InstancePtr, TmrCtrNumber);
	XTmrCtr_SetResetValue(InstancePtr, TmrCtrNumber, RESET_VALUE);
	XTmrCtr_Reset(InstancePtr, TmrCtrNumber);

	rpm = 105263179 / time;
	soft_counter++;
}

void TimerControllerHandler(void *CallBackRef, u8 TmrCtrNumber) {
	XTmrCtr *InstancePtr = (XTmrCtr *) CallBackRef;

	int irpm = (int) rpm;
	float crpm = ((soft_counter * 60 ) / (19 * 3))*(100000000/TIMER_INTERVAL);
	int icrpm = (int) crpm;
	xil_printf("%d,",Div*10);
	xil_printf("%d,",irpm);
	xil_printf("%d\n",icrpm);
	soft_counter = 0;
	SEVEN_SEGMENT_DISPLAY_DRIVER_mWriteReg(DISP_DRV_BASE_ADDR, 0x0, irpm); //
}