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8-bit A/D Converter 原理
 

今天要說明的是 馬達制動 (Mortor Brake) ; Mortor Brake, brake 這個字不是我拼錯了, 它中文就是 "制動" 的意思. 在此我必須先說明 8-bit A/D Converter. 為什麼馬達制動會與 AD Converter 有關呢? 原因是馬達 正轉/反轉 轉到我們所希望控制的位置停下來, 這停下來的位置必須有一個參考, 否則馬達怎麼知道轉向以及何時停止轉動? 這個參考在本文中使用 類比輸入 (Analog Input) 來做參考. 馬達在不同位置時 Analog Input 會不同, 這裡我們假設示 0.372~2.77 V (伏特) . 
 

如本文最上方的示意圖所示:  8-bit AD Converter 原理是 Digital OutPut (圖示 Digital OutPut 4條線, 8-bit 應為 8條線) 至 D/A 線路, 這 D/A 線路可能會需要 OP放大 (運算放大器) , 再與 類比輸入 (Analog Input) 來比較 (COMPARATOR) . 8-bit 定址至 255, 著 Digital OutPut 由 0 往 255 遞增, D/A 輸出之 Analog Output 也會遞增. 起出 Analog Input 與 Analog Output 比較 LOGIC 為 0, 遞增至臨界值, 這比較器 (COMPARATOR) 回突然 LOGIC 為 1; LOGIC 由 0 變為 1 的時機, Digital OutPut 所輸出的 binary 數值, 就是 8-bit A/D 值. 

 

PCA9555 I2C to GPIO (IO Extender)
 

這裡我所示範的 IO 是使用 PCA9555 IO Extender, 下方圖示是它的方塊圖: 

 

pca9555.png

 

PCA9555 Host 介面是 I2C BUS, 多個 I2C DEVICE 可以並接, 但每一 DEVICE 的 SLAVE ADDRESS (BUS ADDRESS) 必須不同;
 

425px-I2C.svg.png

 

因此 PCA_9555_SLAVE_1 / PCA_9555_SLAVE_2 我們設為 0x20 與 0x21 . 
 

#define PCA_9555_SLAVE_1        0X20
#define PCA_9555_SLAVE_2        0X21

上圖 A2, A1, A0 即是 I2C SLAVE ADDRESS 最低 3個位元. PCA_9555_SLAVE_1=0x20 最低 3個位元是 b000; 也就是 A2=0, A1=0, A0=0 ; PCA_9555_SLAVE_2=0x21 最低 3個位元是 b001; 也就是 A2=0, A1=0, A0=1 .  
 

#define PCA_9555_SLAVE_1        0X20
#define PCA_9555_SLAVE_2        0X21

PCA9555 Registers 是固定的: 詳見 datasheet . 
 

#define PCA_9555_INPUT_0        0
#define PCA_9555_INPUT_1        1
#define PCA_9555_OUTPUT_0        2
#define PCA_9555_OUTPUT_1        3
#define PCA_9555_POLARITY_0        4
#define PCA_9555_POLARITY_1        5
#define PCA_9555_CONFIG_0        6
#define PCA_9555_CONFIG_1        7

 

I2C_WRITE_DATA / I2C_READ_DATA
 

這裡我們需要 I2C READ / WRITE 函式. 
 

int i2c_write_data(int fd_i2c, int bus_adr, int sub_adr, const unsigned char *data, int length) {
    int res;
    char buf[256];
    int i;

    if (0 == data || 0 >= fd_i2c)                        return -1;
    res = ioctl(fd_i2c, I2C_SLAVE_FORCE, bus_adr);
    if(res < 0)                                            return -1;
    buf[0] = sub_adr;
    for(i = 1; i <= length; i++)        buf[i] = data[i -1];
    if(write(fd_i2c, buf, length + 1) != (length + 1))    return -1;
    return length;
}
int i2c_read_data(int fd_i2c, int bus_adr, int sub_adr, unsigned char *data, int length) {
    int res;

    if (0 == data || 0 >= fd_i2c)                    return -1;
    res = ioctl(fd_i2c, I2C_SLAVE_FORCE, bus_adr);
    if(res < 0)                                        return -1;
    if(write(fd_i2c, &sub_adr, 1) != 1)                return -1;
    return read(fd_i2c, data, length);
}

 

8-bit A/D Converter - ReadI2cAdc()
 

來看一下 ReadI2cAdc() 這個函式: 
 

// 返回 0:失敗 1:成功 ; 參數傳回 value
static int ReadI2cAdc(int fd, unsigned char *value) {
    int i;
    int probe = 0;
    unsigned char X = 0;
    unsigned char Y = 0;
    static unsigned char O = 0; // last X

    if (-1 == fd)        return 0;
    for (i = 0; i < 256; i++) {
        if (-1 == i2c_write_data(fd, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_OUTPUT_1, &X, 1)) {
            printf("(%s %d) i2c_write_data FAIL \n", __FILE__, __LINE__);
            return 0;
        }
        usleep(1000);
        if (-1 == i2c_read_data(fd, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_INPUT_0, &Y, 1)) {
            printf("(%s %d) i2c_read_data FAIL \n", __FILE__, __LINE__);
            return 0;
        }
        usleep(1000);

        // COMPARATOR
        if ((Y & BIT7) == BIT7) {
            probe = 1;
            break;
        }

        O = X;
        if (X >= 255)                X = 0;
        else                        X++;
    }
    if (0 == probe)        return 0;
    *value = O;   // 傳回上一次的 DIGITAL OUTPUT
    return 1;
}

Digital OutPut 接線至 PCA_9555_SLAVE_2 之 PORT 1 : 
 

 i2c_write_data(fd, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_OUTPUT_1, &X, 1);

COMPARATOR LOGIC 接線至 PCA_9555_SLAVE_2 PORT-0 裡面的 IO7 也就是 P0_7
 

 i2c_read_data(fd, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_INPUT_0, &Y, 1);
 if ((Y & BIT7) == BIT7)   LOGIC=1;

函式中: 

for (i = 0; i < 256; i++) ...

 

DIGITAL OUTPUT 由 0 往 255 遞增. 我們要找的是 PCA_9555_SLAVE_2 P0_7 (COMPARATOR LOGIC) 由 0 轉變到 1 的時機; 當 COMPARATOR LOGIC 由 0 轉變到 1, 函式返回, 由參數 value 傳回上一次的 DIGITAL OUTPUT. 

 


馬達正轉 / 反轉 / 停止
 

馬達的 IO 是 PCA_9555_SLAVE_1 之 P0_2 以及 P0_3 , 因此: 
 

正轉: 

     // motor+
     v &= ~BIT2; v |= BIT3;

反轉: 

     // motor-
     v &= ~BIT3; v |= BIT2;

停止: 

     // motor stop
     v |= BIT2; v |= BIT3;

 

IO Input / Output Settings
 

1. 馬達 IO 設為 OUTPUT:
 

    // motor IO
    res = i2c_read_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_1, PCA_9555_CONFIG_0, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);
    v &= ~BIT2; v &= ~BIT3;
    res = i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_1, PCA_9555_CONFIG_0, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);

2. DIGITAL OUTPUT: 
 

    // X output
    v = 0X00; res = i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_CONFIG_1, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c_write_data() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);


3. LOGIC INPUT:
 

    // Y input
    res = i2c_read_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_CONFIG_0, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);
    v |= BIT7; res = i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_CONFIG_0, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c_write_data() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);


A/D Converter 伺服馬達制動 - mbrake.c
 

把上述綜合起來, 筆者寫了這個伺服馬達制動的程式 mbrake.c ; 讀者請別小看它, 我已經看過兩個軟體工程師掛點 (GG了) 在這 A/D Converter 伺服馬達制動程式; 在當時好像只有我做出來. 
 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>
#include <stdarg.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <termios.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

#include <asm/ioctl.h>
#include <asm/errno.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/i2c-dev.h>

//////////////////////////////////////////////////////////////////////
// define
//////////////////////////////////////////////////////////////////////

#define BIT0                    (1<<0)
#define BIT1                    (1<<1)
#define BIT2                    (1<<2)
#define BIT3                    (1<<3)
#define BIT4                    (1<<4)
#define BIT5                    (1<<5)
#define BIT6                    (1<<6)
#define BIT7                    (1<<7)

#define PCA_9555_SLAVE_0        0X24
#define PCA_9555_SLAVE_1        0X20
#define PCA_9555_SLAVE_2        0X21

#define PCA_9555_INPUT_0        0
#define PCA_9555_INPUT_1        1
#define PCA_9555_OUTPUT_0        2
#define PCA_9555_OUTPUT_1        3
#define PCA_9555_POLARITY_0        4
#define PCA_9555_POLARITY_1        5
#define PCA_9555_CONFIG_0        6
#define PCA_9555_CONFIG_1        7

#ifdef USE_SOC_ADC

#define GPIO_IOCTL_ID           'G'
#define GPIO_IOCTL_SET_VALUE    _IOW(GPIO_IOCTL_ID, 0, int)
#define GPIO_IOCTL_GET_VALUE    _IOR(GPIO_IOCTL_ID, 1, int)
#define GPIO_IOCTL_SET_INPUT    _IOW(GPIO_IOCTL_ID, 2, int)
#define GPIO_IOCTL_SET_PROPERTY _IOW(GPIO_IOCTL_ID, 3, int)
#define GPIO_IOCTL_SET_INT      _IOW(GPIO_IOCTL_ID, 4, int)

#define GPIO_FUNC_ORG           0
#define GPIO_FUNC_GPIO          1
#define GPIO_DIR_OUTPUT         0
#define GPIO_DIR_INPUT          1
#define GPIO_PULL_LOW           0
#define GPIO_PULL_HIGH          1
#define GPIO_PULL_FLOATING      2
#define GPIO_NO_PULL            3
#define GPIO_IRQ_DISABLE        0
#define GPIO_IRQ_ENABLE         1

#define GP_ADC_MAGIC    'G'
#define IOCTL_GP_ADC_START        _IOW(GP_ADC_MAGIC,0x01,unsigned long)
#define IOCTL_GP_ADC_STOP        _IO(GP_ADC_MAGIC,0x02)

#define MK_GPIO_INDEX(ch, func, gid, pin) \
            (((ch) << 24) | ((func) << 16) | ((gid) << 8) | (pin))

typedef struct gpio_content_s {
    unsigned int pin_index;
    unsigned int value;
    unsigned int debounce;
} gpio_content_t;

#endif

//////////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////////

static int i2c_write_data(int fd_i2c, int bus_adr, int sub_adr, const unsigned char *data, int length) {
    int res;
    char buf[256];
    int i;

    if (0 == data || 0 >= fd_i2c)                        return -1;
    res = ioctl(fd_i2c, I2C_SLAVE_FORCE, bus_adr);
    if(res < 0)                                            return -1;
    buf[0] = sub_adr;
    for(i = 1; i <= length; i++)        buf[i] = data[i -1];
    if(write(fd_i2c, buf, length + 1) != (length + 1))    return -1;
    return length;
}
static int i2c_read_data(int fd_i2c, int bus_adr, int sub_adr, unsigned char *data, int length) {
    int res;

    if (0 == data || 0 >= fd_i2c)                    return -1;
    res = ioctl(fd_i2c, I2C_SLAVE_FORCE, bus_adr);
    if(res < 0)                                        return -1;
    if(write(fd_i2c, &sub_adr, 1) != 1)                return -1;
    return read(fd_i2c, data, length);
}

#ifndef USE_SOC_ADC
static int ReadI2cAdc(int fd, unsigned char *value) {
    int i;
    int probe = 0;
    unsigned char X = 0;
    unsigned char Y = 0;
    static unsigned char O = 0;    // last X 

    if (-1 == fd)        return 0;
    // DIGITAL OUTPUT 由 0 往 255 遞增
    for (i = 0; i < 256; i++) {
        if (-1 == i2c_write_data(fd, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_OUTPUT_1, &X, 1)) {
            printf("(%s %d) i2c_write_data FAIL \n", __FILE__, __LINE__);
            return 0;
        }
        usleep(1000);
        if (-1 == i2c_read_data(fd, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_INPUT_0, &Y, 1)) {
            printf("(%s %d) i2c_read_data FAIL \n", __FILE__, __LINE__);
            return 0;
        }
        usleep(1000);

        // COMPARATOR
        if ((Y & BIT7) == BIT7) {
            // COMPARATOR LOGIC=1
            probe = 1;
            break;
        }
        // COMPARATOR LOGIC=0
        O = X;
        if (X >= 255)                X = 0;
        else                        X++;
    }
    if (0 == probe)        return 0;
    *value = O;
    return 1;
}
#endif

void PrintUsage(void) {
    char file[128];
    int i = 0;

    memset(file, 0, sizeof(file));
    strcpy(file, __FILE__);
    for (; i < 128; i++)        if ('.' == file[i])    file[i] = 0;
    printf("Usage: %s -L [BRAKE-LEVEL] -T [TIMEOUT]\n", file);
    printf("Example: %s -L 6 -T 6\n", file), exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    int adc1 = -1;
    int t;
    time_t timeout = 6;
    int i2c0 = -1;
    int level = 6;
    static unsigned int adc = 0;
    time_t now = 0;
    int D = 0;

    int res;
    int o;
    int len = 0;
    static unsigned char v;
    int i;
    int ok = 0;

    setbuf(stdout, 0);
    if (argc < 2)                                        PrintUsage();
    while ((o = getopt(argc, argv, "L:l:T:t:")) != -1) {
        switch (o) {
        default:
            break;
        case '?':
            PrintUsage();
            break;
        case 't':
        case 'T':
            len = strlen(optarg);
            for (i = 0; i < len; i++) {
                if ('0' != optarg[i] && '1' != optarg[i] && '2' != optarg[i] && '3' != optarg[i] && '4' != optarg[i] && '5' != optarg[i] && '6' != optarg[i] && '7' != optarg[i] && '8' != optarg[i] && '9' != optarg[i]) {
                    PrintUsage();
                }
            }
            t = atoi(optarg);
            if (t <= 0)                                    PrintUsage();
            timeout = (time_t)t;
            timeout &= 0XFF;
            break;
        case 'l':
        case 'L':
            len = strlen(optarg);
            for (i = 0; i < len; i++) {
                if ('0' != optarg[i] && '1' != optarg[i] && '2' != optarg[i] && '3' != optarg[i] && '4' != optarg[i] && '5' != optarg[i] && '6' != optarg[i] && '7' != optarg[i] && '8' != optarg[i] && '9' != optarg[i]) {
                    PrintUsage();
                }
            }
            level = atoi(optarg);
            if (level <= 0)                                PrintUsage();
            level &= 0XFF;
            break;
        }
    }

    i2c0 = open("/dev/i2c-0", O_RDWR);
    if (-1 == i2c0)
        printf("(%s %d) OPEN(/dev/i2c-0) FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), exit(1);

    // motor IO output
    res = i2c_read_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_1, PCA_9555_CONFIG_0, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);
    v &= ~BIT2; v &= ~BIT3;
    res = i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_1, PCA_9555_CONFIG_0, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);

#ifdef USE_SOC_ADC
    adc1 = open("/dev/adc", O_RDWR);
    if (-1 == adc1)
        printf("(%s %d) open('/dev/adc') Fail \n", __FILE__, __LINE__), exit(1);
#else
    // DIGITAL OUTPUT
    v = 0X00; res = i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_CONFIG_1, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c_write_data() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);

    // LOGIC INPUT
    res = i2c_read_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_CONFIG_0, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);
    v |= BIT7; res = i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_2, PCA_9555_CONFIG_0, &v, 1);
    if (-1 == res)
        printf("(%s %d) i2c_write_data() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__), close(i2c0), exit(1);
#endif

    time(&now);
    timeout += now;
    for(;;) {
        int gpio;

#if 1
        if (-1 == i2c_read_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_1, PCA_9555_INPUT_0, &v, 1)) {
            printf("\n(%s %d) i2c_read_data() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__);
            goto BAITOUT;
        }

        // motor stop
        v |= BIT2; v |= BIT3;
        if (-1 == i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_1, PCA_9555_OUTPUT_0, &v, 1)) {
            printf("\n(%s %d) i2c_write_data() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__);
            goto BAITOUT;
        }
#endif

        time(&now);
        if (now > timeout) {
            printf("\n(%s %d) TIMEOUT, EXIT \n", __FILE__, __LINE__);
            goto BAITOUT;
        }

#ifdef USE_SOC_ADC
        gpio = open("/dev/gpio", O_RDWR);
        if(-1 == gpio) {
            printf("GPIO OPEN ERROR\n"); break;
        } else {
            gpio_content_t ctx;
            ctx.pin_index = MK_GPIO_INDEX(0, 0, 9, 20);
            ctx.value = 0;
            ctx.value = GPIO_PULL_FLOATING; ctx.debounce = 0;
            ioctl(gpio, GPIO_IOCTL_SET_INPUT, &ctx);
            close(gpio);
            if (-1 == ioctl(adc1, IOCTL_GP_ADC_START, 1))    { printf("ADC_START ERROR\n"); break; }
            if (-1 == read(adc1, &adc, sizeof(int)))        { printf("ADC_READ ERROR\n"); break; }
            if (-1 == ioctl(adc1, IOCTL_GP_ADC_STOP, 1))    { printf("ADC_STOP ERROR\n"); break; }
            // 10-bit ; hence we need shift right 2 bits
            adc >>= 2;
        }
#else
        if(0 != ReadI2cAdc(i2c0, &adc))                        printf("L=%d A=%d\n", level, adc);
        else                                                 { printf("ADC ERROR\n"); break; }
#endif

        D = (int)level - (int)adc;
        if (D <= 1 && D >= -1) {
            ok = 1;
            break;
        } else {
            if (D >= 0) {
                // motor+
                v &= ~BIT2; v |= BIT3;
            } else {
                // motor-
                v &= ~BIT3; v |= BIT2;
            }
            if (-1 == i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_1, PCA_9555_OUTPUT_0, &v, 1)) {
                printf("\n(%s %d) i2c_write_data() FAIL, EXIT \n", __FILE__, __LINE__);
                goto BAITOUT;
            }
            usleep(20 * 1000);
        }
    }
    if (ok)        printf("\nMORTOR BRAKE, LEVEL=%d ADC=%d\n", level, adc);

BAITOUT:
    // motor stop
    v |= BIT2; v |= BIT3;
    i2c_write_data(i2c0, PCA_9555_SLAVE_1, PCA_9555_OUTPUT_0, &v, 1);
    close(i2c0);
    close(adc1);
    return 0;
}

 

使用方式 (轉動馬達至 Level 99 的位置) 
 

# mbrake -L 99 -T 6

-L 面是 level ; -T 後面是 time out 
 

Treadmill 的 incline 或是 bike 的 workload 原理可能是這樣的. 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

z.png


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