[STM32學習記錄-7] AS5047P 旋轉位置感測器/磁性編碼器使用教學

前言

AMS AS5047P 是一款旋轉位置感測器/磁性編碼器。

它擁有包含 SPI、ABI、UVW 及 PWM 的多種使用模式，及 14 位元的高解析度，和 28krpm 的高反應速度，還擁有動態角度誤差補償（Dynamic angle error compensation，DAEC），非常適合搭配馬達進行控制。

本文將以 NUCLEO-F446RE（STM32F446RE）與 STM32 HAL 作為示範，簡單介紹 AS5047P 的用法。本篇的範例程式有放在 GitHub。

SPI

AS5047P 透過 SPI 進行通訊。其對 SPI 的要求為：

Mode = 1（CPOL = 0，CPHA = 1）
- 空閒時，SCK 時鐘訊號為低電平（0）。
- 資料在第二個邊緣取樣（即負緣）。
CSn （Chip select）為低電平有效。
資料長度為 16 個位元。其中 MSB 為偶同位（Even parity）位元。
位元順序為 MSB 在前（MSB first）。
SCK 最大速度為 10 MHz。
只支援從機模式（Slave operation mode）。

設定範例：

static void SPI_Init(void)
{
  SPI_HandleTypeDef hspi1;
 
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_16BIT;
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16;
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
 
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

通訊格式

AS5047P 有 3 種 SPI 訊框格式。

Command Frame

Bit	Name	描述
15	PARC	偶同位（Even parity），使整個訊框的 `1` 為偶數個。
14	R/W	`0` 代表要寫入。`1` 代表要讀取。
13:0	ADDR	要讀寫的暫存器位置。

讀取「NOP (0x0000)」暫存器等同一個 nop（no operation，無操作）指令。

Read Data Frame

Bit	Name	描述
15	PARC	偶同位（Even parity），使整個訊框的 `1` 為偶數個。
14	EF	`0` 代表沒有錯誤發生。`1` 代表有錯誤發生。
13:0	DATA	資料。

要讀取資料時，先使用「Command Frame」傳輸要讀取的位置，AS5047P 會在 CS 上拉並重新下拉後的下一個讀取指令時，在 MISO 上傳輸「Read Data Frame」。

Write Data Frame

Bit	Name	描述
15	PARC	偶同位（Even parity），使整個訊框的 `1` 為偶數個。
14	0	永遠為 `0`。
13:0	DATA	資料。

要寫入資料時，先使用「Command Frame」傳輸要寫入的位置，再使用「Write Data Frame」傳輸要寫入的資料。

當「Write Data Frame」在 MOSI 上傳輸時，AS5047P 會在 MISO 上傳輸該暫存器目前的值（舊的值），並在下一次的「Command Frame」在 MOSI 上傳輸時，AS5047P 會在 MISO 上傳輸該暫存器實際的值。

程式

完整的程式可以到 GitHub: ziteh/as5047p_driver 查看。

位元操作

#define BIT_MODITY(src, n, val) ((src) ^= (-(val) ^ (src)) & (1UL << (n)))
#define BIT_READ(src, n) (((src) >> (n)&1U))
#define BIT_TOGGLE(src, n) ((src) ^= 1UL << (n))

傳輸「Command Frame」

void as5047p_send_command(bool is_read_cmd, uint16_t address)
{
  uint16_t frame = address & 0x3FFF;
 
  /* R/W: 0 for write, 1 for read. */
  BIT_MODITY(frame, 14, is_read_cmd ? 1 : 0);
 
  /* Parity bit(even) calculated on the lower 15 bits. */
  if (!is_even_parity(frame))
  {
    BIT_TOGGLE(frame, 15);
  }
 
  as5047p_spi_transmit(frame);
}

寫入資料到指定的暫存器

void as5047p_send_data(uint16_t address, uint16_t data)
{
  uint16_t frame = data & 0x3FFF;
 
  /* Data frame bit 14 always low(0). */
  BIT_MODITY(frame, 14, 0);
 
  /* Parity bit(even) calculated on the lower 15 bits. */
  if (!is_even_parity(frame))
  {
    BIT_TOGGLE(frame, 15);
  }
 
  as5047p_send_command(false, address);
  as5047p_spi_transmit(frame);
}

讀取資料自指定的暫存器

uint16_t as5047p_read_data(uint16_t address)
{
  as5047p_send_command(true, address);
  uint16_t received_data = as5047p_spi_receive();
  return received_data;
}

讀取角度資訊，可選擇是否啟用動態角度誤差補償（DAEC）

讀取「ANGLECOM (0x3FFF)」可取得有 DAEC 的角度數值，讀取「ANGLEUNC (0x3FFE)」可取得無 DAEC 的角度資訊。

int as5047p_get_angle(bool with_daec, float *angle_degree)
{
  uint16_t address;
  if (with_daec)
  {
    /* Measured angle WITH dynamic angle error compensation(DAEC). */
    address = AS5047P_ANGLECOM;
  }
  else
  {
    /* Measured angle WITHOUT dynamic angle error compensation(DAEC). */
    address = AS5047P_ANGLEUNC;
  }
 
  uint16_t data = as5047p_read_data(address);
  if (BIT_READ(data, 14) == 0)
  {
    *angle_degree = (data & 0x3FFF) * (360.0 / 0x4000);
    return 0; /* No error occurred. */
  }
  return -1; /* Error occurred. */
}

偶同位計算

bool is_even_parity(uint16_t data)
{
  uint8_t shift = 1;
  while (shift < (sizeof(data) * 8))
  {
    data ^= (data >> shift);
    shift <<= 1;
  }
  return !(data & 0x1);
}

SPI 通訊

void as5047p_spi_transmit(uint16_t data)
{
  delay(T_CSN_DELAY);
  as5047p_spi_select();
  as5047p_spi_send(data);
  as5047p_spi_deselect();
}
 
uint16_t as5047p_spi_receive(void)
{
  delay(T_CSN_DELAY);
  as5047p_spi_select();
  uint16_t data = as5047p_spi_read();
  as5047p_spi_deselect();
  return data;
}
 
void delay(volatile uint16_t t)
{
  while (t--)
  {
    __asm__("nop"); /* Do nothing. */
  }
}
 
void as5047p_spi_send(uint16_t data)
{
  HAL_SPI_Transmit(&hspi1, (uint8_t *)&data, 1, HAL_MAX_DELAY);
}
 
uint16_t as5047p_spi_read(void)
{
  uint16_t data = 0;
  HAL_SPI_Receive(&hspi1, (uint8_t *)&data, 1, HAL_MAX_DELAY);
  return data;
}
 
void as5047p_spi_select(void)
{
  HAL_GPIO_WritePin(AS5047P_SS_GPIO_Port, AS5047P_SS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}
 
void as5047p_spi_deselect(void)
{
  HAL_GPIO_WritePin(AS5047P_SS_GPIO_Port, AS5047P_SS_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

若要在 STM32 HAL 以外的平臺使用的話，只需要修改 as5047p_spi_send()、as5047p_spi_read()、void as5047p_spi_select()、as5047p_spi_deselect() 這 4 個函式的實作就好了。

後記

最近在做馬達的閉迴路位置控制，因此買了這個 AS5047P 來用，就順便寫了本篇文章做記錄。而此程式我也有放在 GitHub 上：ziteh/as5047p_driver

若有問題或內容有誤還請告知，謝謝！