Arduino & Pi

В рамках создания комплекса экзокисти под управлением нейрокомпьютерного интерфейса написал прошивку для Arduino Mega, которая через CAN-контроллер управляет серводвигателем RMD-X8 Pro, приводящим в движение механизм экзокисти. Модель экзокисти создавали наши студенты, прошивка представляла собой скетч, вырезанный из другого проекта, двигатель мог управляться только с помощью джойстика. Причем джойстик при движении вперед раскручивал двигатель вперед, а при отклонении джойстика в обратную сторону постепенно останавливал его и начинал неконтролируемые движение в обратном направлении. При остановке джойстика движение также не прекращалось. Контроля углов вращения не было.

Особенность этого двигателя в том, что при вращении вала двигателя на 360 градусов редуктор примерно в четыре раза уменьшает угол поворота, а энкодер двигателя контролирует вращение только на 360 градусов по валу двигателя, что фактически является только четвертью полного оборота. При прохождении отметки в 360 градусов энкодер сбрасывался в ноль и считал данные заново.

Для двигателя есть настроечная программа, которая работает по протоколу serial-232, имеются варианты интерфейса двигателей с RS485 у которого больше возможностей, чем у CAN, который через один датафрейм может передать максимум 8 байт. В тестовой вкладке программы настройки примеры интерфейса управлением двигателя работают не так, как хотелось бы, но зато оказалось, что там есть команды, не описанные в документации. При использовании тестовых режимов программа указывает, какие данные она пересылает в датафрейме, и стало видно, что кроме команд позиционирования А1-А6 также используются команды А7 и А8, и последняя команда как раз подошла для нашей задачи.

Сейчас прошивка реализована следующим образом: от джойстика или от внешней управляющей программы (в итоге это будет нейрокомпьютерный интерфейс) приходит команда, что нужно выставить угол экзокисти в заданное значение. Прошивка определяет текущее положение двигателя, если угол больше, то подается команда на движение в обратную сторону, положение кисти постоянно контролируется.

Энкодер двигателя очень чувствительный – он позволяет позиционировать двигатель с точностью до сотых долей градуса. При команде на остановку двигатель по инерции проходит еще несколько сотых градуса, и без усреднения данных положения энкодер постоянно пытался бы вернуть двигатель точно в заданное положение, опять бы проскакивал его по инерции и т.д., что вызывало бы постоянное дерганье. Усреднил показания позиции, разделил их на 100 и отбросил дробную часть, чтобы сравнивались только целые градусы углов, поскольку точность в 1 градус вполне достаточна, а лишних дерганий удается избежать.

Добавил в прошивку подстраховку, что в случае неисполнения двигателем команды на остановку она будет посылаться снова и снова, пока двигатель не остановится. Кроме того, есть команда на аварийное отключение двигателя, если что-то идет не так.

Также добавил в прошивку работу с внешними интерфейсами через последовательный порт в формате JSON, через которые прошивка будет получать команды от внешней управляющей программы. На Java написана ретранслирующая программа, которая принимает пакеты по протоколу UDP, пересылает их в Ардуино по serial, с последовательного же порта получает ответ от платы и пересылает его обратно в управляющую программу высокого уровня по UDP. Это необходимо для обратной совместимости со сторонним программным обеспечением.

Содержание:

Часть 1: Введение

Часть 1.3: Чип

Часть 1.4: Распиновка

Часть 2: Описание системы

Каждому блоку периферийных регистров выделяется 4 КБ адресного пространства, доступ к регистрам осуществляется одним из 4 методов, выбранных посредством декодирования адреса.

Addr + 0x0000: нормальный доступ для чтения и записи

Addr + 0x1000: атомарное исключающее "или" при записи

Addr + 0x2000: установка атомарной битовой маски при записи

Addr + 0x3000: очистка атомарной битовой маски при записи

Это позволяет изменять отдельные поля регистра управления без выполнения последовательности чтения-изменения-записи в программном обеспечении: вместо этого изменения отправляются на периферийное устройство и выполняются на месте. Без этой возможности трудно безопасно получить доступ к регистрам ввода-вывода, когда подпрограмма обслуживания прерывания выполняется одновременно с кодом, выполняемым на переднем плане, или когда два процессора выполняют код параллельно.

Четыре псевдонима атомарного доступа занимают в общей сложности 16 КБ. Большинство периферийных устройств на RP2040 обеспечивают эту функциональность изначально, а атомарная запись имеет те же временные характеристики, что и обычный доступ для чтения/записи. Некоторые периферийные устройства (I2C, UART, SPI и SSI) вместо этого имеют эту функциональность, добавленную с помощью промежуточного устройства шины, которое переводит восходящие атомарные записи в нисходящие последовательности чтения-изменения-записи на уровне периферийного устройства. Это увеличивает время доступа на два системных тактовых цикла.

SIO (Часть 2.3.1), одноцикловый блок ввода-вывода, подключенный непосредственно к портам ввода/вывода ядер, не поддерживает атомарный доступ на уровне шины, хотя некоторые отдельные регистры (например, интерфейс ввода/вывода общего назначения) имеют псевдонимы set / clear / xor.

2.1.3. Мост APB

Мост APB связывает высокоскоростное основное соединение AHB-Lite с периферийными устройствами с более низкой пропускной способностью. В то время как матрица AHB-Lite предлагает доступ с нулевым временем ожидания повсюду, доступ к APB имеет штраф за цикл:

- Доступ к шине APB занимает минимум два цикла (фаза настройки и фаза доступа)

- Мост добавляет дополнительный цикл для доступа на чтение, так как запрос и ответ шины регистрируются.

- Мост добавляет два дополнительных цикла для доступа к записи, так как этап настройки APB не может начаться, пока данные записи AHB-Lite не станут действительными.

В результате пропускная способность части APB структуры шины несколько ниже, чем у части AHB-Lite. Однако пропускной способности более чем достаточно для насыщения последовательной периферии APB.

2.1.4. "Узкая" запись в регистр ввода/вывода

Отображенные в память регистры ввода/вывода на RP2040 игнорируют ширину доступа для чтения/записи по шине. Они обрабатывают все записи, как если бы они были размером 32 бита. Это означает, что программное обеспечение не может использовать запись байтов или полуслов для изменения части регистра ввода-вывода: любая запись по адресу, где 30 старших битов адресов совпадают с адресом регистра, повлияет на содержимое всего регистра.

Для обновления части регистра ввода-вывода без последовательности чтения-изменения-записи лучшим решением на RP2040 является атомарные set/clear/XOR (см. Раздел 2.1.2). Обратите внимание, что это более гибко, чем запись байтов или полуслов, так как любая комбинация полей может быть обновлена за одну операцию.

После 8-битной или 16-битной записи (такой как инструкция strb на Cortex-M0+) регистр ввода-вывода будет производить выборку всей 32-битной шины данных записи. Cortex-M0+ и контроллер прямого доступа к памяти на RP2040 всегда будут реплицировать "узкие" данные по шине:

https://ideone.com/Qk6Vxz (код с комментариями и выводом на русском)

https://github.com/raspberrypi/pico-examples/blob/2fb08a028f... (оригинальный код)

Содержание:

Часть 1: Введение

Часть 1.3: Чип

Часть 1.4: Распиновка

Часть 2: Описание системы

В центре шины RP2040 находится полносвязная матрица 4:10. Её 4 восходящих порта подключены к 4 мастерам системной шины, а 10 нисходящих портов подключаются к ведомым устройствам AHB-Lite с самой высокой пропускной способностью (а именно, интерфейсам памяти) и к нижним уровням структуры. На рисунке 5 показана структура матрицы AHB-Lite 2:3, устроенная аналогично матрице 4:10 на RP2040, но ее легче показать на схеме.

Матрица состоит из двух компонентов:

Разветвители:

- Выполняют декодирование адреса

- Маршрутизируют запросы (адреса, запись данных) в нисходящий порт, указанный при декодировании начального адреса

- Маршрутизируют ответы (чтение данных, ошибки шины) от правильного арбитра обратно на восходящий порт

Арбитры:

- Управляют одновременными запросами к нисходящему порту

- Маршрутизируют ответы (чтение данных, ошибки шины) на правильный разветвитель

- Реализуют правила приоритета шины

Основная матрица на RP2040 состоит из 4 разветвителей 1:10 и 10 арбитров 4: 1 с сеткой из 40 каналов шины AHB-Lite между ними. Обратите внимание, что, поскольку AHB-Lite является конвейерной шиной, разветвитель может направлять обратно ответ на предыдущий запрос от нисходящего порта A, в то время как новый запрос к нисходящему порту B уже выполняется. Это не влечет за собой никаких штрафов за цикл.

2.1.1.1. Приоритет шины

Арбитры в главной матрице AHB-Lite реализуют двухуровневую схему приоритета шины. Уровни приоритета настраиваются предварительно, при помощи регистра BUS_PRIORITY в блоке регистров BUSCTRL.

Когда имеется несколько одновременных обращений к одному и тому же арбитру, любые запросы от высокоприоритетных мастеров (уровень приоритета 1) будут рассматриваться перед любыми запросами от низкоприоритетных мастеров (приоритет 0). Если несколько мастеров с одним и тем же уровнем приоритета пытаются одновременно получить доступ к одному и тому же ведомому устройству, применяется циклический разделительный интервал, то есть арбитр предоставляет доступ каждому мастеру по очереди.

ПРИМЕЧАНИЕ

Приоритетный арбитраж применяется только к нескольким мастерам, пытающимся получить доступ к одному и тому же ведомому устройству в одном и том же цикле. Доступ к различным ведомым устройствам, например разные банки SRAM, может быть предоставлен одновременно.

При доступе к ведомому устройству с нулевыми состояниями ожидания, таким как SRAM (т.е. к нему можно получить доступ один раз за цикл системной тактовой частоты), ведущие устройства с высоким приоритетом никогда не будут наблюдать никакого замедления или других эффектов синхронизации, вызванных доступом от низкоприоритетных мастеров. Это обеспечивает гарантированную задержку и пропускную способность для случаев использования с гарантированной работой в режиме реального времени; однако это означает, что мастер с низким приоритетом может остановиться до тех пор, пока не будет свободного цикла.

2.1.1.2. Счетчики производительности шины

Счетчики производительности автоматически подсчитывают количество обращений к основным арбитрам AHB-Lite. Это может помочь в диагностике проблем с производительностью в случаях использования в проектах с высоким трафиком.

Есть четыре счетчика производительности. Каждый из них представляет собой 24-битный счетчик насыщения. Значения счетчика можно прочитать из BUSCTRL_PERFCTRx и очистить, записав любое значение в BUSCTRL_PERFCTRx. Каждый счетчик может одновременно подсчитывать одно из 20 доступных событий, выбранных в BUSCTRL_PERFSELx. Доступны следующие события шины:

Содержание:

Часть 1: Введение

Часть 1.3: Чип

В этой главе описаны ключевые особенности системы RP2040, включая процессор, память, способ подключения блоков, тактовую частоту, сброс, питание и ввод-вывод. См. обзорную диаграмму на Рисунке 2.

2.1 Шина данных

Шина RP2040 маршрутизирует адреса и данные через микросхему.

На рисунке 4 показана высокоуровневая структура коммутационной сети шины. Основная матрица AHB-Lite направляет адреса и данные между своими 4 восходящими портами и 10 нисходящими портами: в каждом цикле может происходить до четырех передач по шине. Все тракты данных имеют ширину 32 бита. Устройства памяти имеют выделенные порты на главной панели, чтобы удовлетворить их требования к высокой пропускной способности. Периферийные устройства AHB-Lite с высокой пропускной способностью имеют общий порт на кросс-панели, а мост APB обеспечивает доступ по шине к регистрам управления системой и периферийным устройствам с низкой пропускной способностью.

Структура шины соединяет 4 мастера AHB-Lite, то есть устройства, которые генерируют адреса:

- Ядро процессора 0

- Ядро процессора 1

- Порт чтения на контроллере прямого доступа к памяти

- Порт записи на контроллере прямого доступа к памяти

Они соединены с 10 нисходящими портами на главной шине:

- Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

- Память с поддержкой функции исполнения на месте (Flash XIP)

- Статическая память с произвольным доступом (SRAM) по одному модулю на порт (0-5)

- Периферийные устройства Fast AHB-Lite: контроллеры программируемого ввода/вывода (PIO0, PIO1), универсальная последовательная шина (USB), регистры управления прямым доступом к памяти и исполнению на месте (один общий порт)

- Мост ко всем периферийным устройствам APB и регистрам управления системой

Четыре мастера шины могут получить доступ к любым четырем различным портам матрицы одновременно, структура шины не добавляет состояния ожидания при любом принудительном доступе через AHB-Lite. Таким образом, при системной частоте 125 МГц, максимальная устойчивая пропускная способность шины составляет 2,0 ГБ/с. Карта адресов системы организована таким образом, чтобы сделать эту параллельную полосу пропускания доступной как можно большему количеству программных вариантов использования - например, чередующийся псевдоним SRAM (раздел 2.6.2) распределяет доступ к основной памяти по четырем портам матрицы (SRAM0… 3), поэтому большее количество обращений к памяти может происходить параллельно.

Всем привет, уважаемые члены сообщества Arduino & Pi, разрешите обратиться к нашему коллективному разуму и ПЗУ - сравнительно недавно, хотя может и пару лет прошло, впрочем неважно: я видел или здесь у нас на Пикабу или возможно на Ю-тюбе - решение проблемы включения GSM900 shield (картинка из инета, ни на что не претендую).

В общем суть сводилась к тому, что недобросовестные китайцы при копировании оригинального шилда, забывали допаять один из smd резисторов и модуль тупо не стартовал, хотя и бодренько помаргивал светодиодами регистрации в сети...

Внимание вопрос - кто-то может сталкивался с подобным или видел этот пост на Пикабу / ролик на Ю-тюбе и помнит расположение данного резистора и номинал?

Большая просьба не минусить без причины, если уже был подобный пост, баянометр крамольного ничего не выдал, как впрочем и поиск по сайту...