做多軸運(yùn)動(dòng)控制的朋友應(yīng)該都有過(guò)這種體驗(yàn)八個(gè)軸一起動(dòng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖頻率一拉高CPU就被中斷淹沒(méi)加減速稍微算得慢一點(diǎn)脈沖間隔就肉眼可見(jiàn)地抖動(dòng)。我之前在某平臺(tái)項(xiàng)目里折騰8軸插補(bǔ)開(kāi)始用定時(shí)器中斷直接翻轉(zhuǎn)IO跑到300kHz左右就到頭了再往上要么丟脈沖要么電機(jī)失步。后來(lái)把方案推倒用雙DMA架構(gòu)重新實(shí)現(xiàn)了脈沖輸出定時(shí)器只負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)DMA負(fù)責(zé)搬運(yùn)頻率字CPU只處理插補(bǔ)規(guī)劃和緩沖填充實(shí)測(cè)可以穩(wěn)定輸出到2MHz級(jí)別加減速全程不打斷脈沖流8軸聯(lián)動(dòng)也沒(méi)再出現(xiàn)抖動(dòng)。這篇文章打算把整套源碼的核心思路拆開(kāi)講清楚雙DMA到底怎么分工、加減速曲線怎么變成DMA能“直接吃”的頻率字?jǐn)?shù)組、插補(bǔ)算法怎么和DMA緩沖對(duì)接以及我在示波器上看到的那些坑。想搞3D打印固件、CNC控制板、自動(dòng)化點(diǎn)膠或者貼片設(shè)備的朋友應(yīng)該能從這里直接抄走一套可用的框架。1. 先想清楚瓶頸8軸插補(bǔ)為什么不能用中斷硬扛1.1 定時(shí)器中斷輸出脈沖的極限在哪很多人第一版方案是把脈沖輸出放在定時(shí)器更新中斷里每次中斷翻轉(zhuǎn)GPIO順便算下一個(gè)頻率。這條路線在小規(guī)模、低頻率下沒(méi)問(wèn)題但一旦頻率超過(guò)幾百kHz就會(huì)全線崩潰。原因是每次中斷的開(kāi)銷太大。以一顆主頻168MHz的MCU為例Cortex-M4內(nèi)核進(jìn)入中斷大約需要12個(gè)時(shí)鐘周期做壓棧和取向量中斷處理函數(shù)里要開(kāi)關(guān)標(biāo)志位、重新裝載比較值、計(jì)算下一拍再加上中斷返回的出棧一次中斷輕松吃掉100多個(gè)時(shí)鐘周期。1MHz的脈沖輸出意味著1微秒就要來(lái)一次中斷CPU連喘氣的機(jī)會(huì)都沒(méi)有更別提8個(gè)軸同時(shí)動(dòng)。就算主頻再高一點(diǎn)時(shí)序抖動(dòng)也會(huì)要命。中斷響應(yīng)有不確定性相同優(yōu)先級(jí)下可能會(huì)出現(xiàn)幾十納秒到幾百納秒的延遲這在電機(jī)低速時(shí)無(wú)所謂高速時(shí)直接表現(xiàn)為“咔噠”一聲丟步然后整個(gè)插補(bǔ)軌跡就偏了。1.2 DMA方案解決的三個(gè)核心矛盾把“定時(shí)器中斷翻轉(zhuǎn)脈沖”換成“定時(shí)器硬件輸出脈沖 DMA搬運(yùn)頻率字”本質(zhì)上是在回答三個(gè)問(wèn)題CPU占用脈沖周期的動(dòng)態(tài)變化不需要CPU干預(yù)定時(shí)器每產(chǎn)生一次事件DMA就把內(nèi)存里的下一個(gè)頻率字搬到定時(shí)器比較寄存器CPU完全旁觀。時(shí)序確定性DMA搬運(yùn)由硬件事件觸發(fā)觸發(fā)到寄存器更新之間只有DMA取指、讀內(nèi)存、寫(xiě)外設(shè)這幾個(gè)固定總線周期抖動(dòng)遠(yuǎn)小于中斷響應(yīng)。脈沖連續(xù)性加減速過(guò)程中每個(gè)脈沖的周期都在變DMA按順序搬數(shù)組里的數(shù)據(jù)天然保持節(jié)奏不會(huì)因?yàn)镃PU被其他任務(wù)搶占而突然卡頓。這三個(gè)問(wèn)題解決后脈沖頻率的上限就跑到了DMA和定時(shí)器本身能承受的極限而不是CPU的調(diào)度極限。1.3 雙DMA的具體分工頻率字搬運(yùn)與方向字寫(xiě)IO標(biāo)題里的“雙DMA”在我這套源碼里有兩層含義第一層是物理上的兩個(gè)DMA控制器。常見(jiàn)的MCU內(nèi)部通常有兩個(gè)DMA控制器比如F4系列有DMA1和DMA2各自帶若干個(gè)獨(dú)立的stream互不搶通道。8個(gè)軸的脈沖輸出我把前4軸掛在DMA1上后4軸掛在DMA2上兩條DMA路徑分別跑各自的定時(shí)器事件總線負(fù)載被分散開(kāi)避免了所有軸堆在一個(gè)控制器上排隊(duì)。第二層含義更重要每個(gè)軸脈沖鏈路的“頻率字搬運(yùn)”和“方向字寫(xiě)入”由不同的DMA事務(wù)完成。脈沖頻率必須逐個(gè)周期更新屬于高頻小粒度事務(wù)方向信號(hào)只需要在運(yùn)動(dòng)段切換時(shí)變化一次屬于低頻一次性事務(wù)。源碼里把這兩類事務(wù)拆開(kāi)頻率字走定時(shí)器比較事件的DMA請(qǐng)求方向字則在開(kāi)啟運(yùn)動(dòng)段前由另一個(gè)DMA事務(wù)直接把打包好的32位方向字寫(xiě)入GPIO的BSRR寄存器。這種分工的好處是8個(gè)軸的方向變化可以一次完成而不是8次獨(dú)立寫(xiě)IO從機(jī)制上保證多軸方向切換的同步性。2. 雙DMA脈沖引擎的內(nèi)部機(jī)制2.1 輸出比較翻轉(zhuǎn)模式下頻率字就是CCR先看信號(hào)怎么產(chǎn)生。我用的是定時(shí)器輸出比較翻轉(zhuǎn)模式而不是大多數(shù)人習(xí)慣的PWM比較模式。PWM模式下ARR決定周期CCR決定占空比想改變輸出頻率就得改ARR但ARR一改當(dāng)前周期可能被截?cái)嗪苋菀桩a(chǎn)生一個(gè)不完整脈沖。翻轉(zhuǎn)模式則簡(jiǎn)單得多定時(shí)器計(jì)數(shù)器CNT遞增當(dāng)CNT和CCR相等時(shí)輸出引腳電平翻轉(zhuǎn)一次然后計(jì)數(shù)器繼續(xù)跑等下一次匹配時(shí)再翻轉(zhuǎn)。在這個(gè)模式下輸出頻率和CCR的關(guān)系非常直接f_pulse f_timer_clk / (2 * CCR)比如定時(shí)器時(shí)鐘是84MHz想讓脈沖輸出2MHzCCR就是21想輸出100kHzCCR就是420。因?yàn)槊看畏D(zhuǎn)電平一個(gè)完整脈沖需要兩次匹配所以頻率表達(dá)式里有個(gè)系數(shù)2寫(xiě)代碼時(shí)千萬(wàn)別漏。這個(gè)關(guān)系帶來(lái)的好處是加減速控制徹底變成“按時(shí)間序排列的CCR數(shù)組”。加速就是讓CCR從大值往小值走減速就是從小值往大值走DMA每次搬一個(gè)數(shù)到CCR寄存器脈沖頻率就跟著變一次。2.2 定時(shí)器事件如何“喂”給DMADMA不會(huì)自己知道什么時(shí)候該搬運(yùn)它需要一個(gè)觸發(fā)源。在源碼配置里我把DMA請(qǐng)求設(shè)置為定時(shí)器的比較事件每次CNT和CCR匹配產(chǎn)生一次比較事件DMA就搬一次數(shù)據(jù)到CCR寄存器。配合翻轉(zhuǎn)模式整個(gè)時(shí)序就是某個(gè)脈沖周期開(kāi)始時(shí)DMA已經(jīng)在前一次匹配時(shí)把新的CCR值搬進(jìn)去了。計(jì)數(shù)器繼續(xù)增數(shù)到這個(gè)新的CCR時(shí)匹配引腳翻轉(zhuǎn)同時(shí)DMA再搬下一個(gè)值過(guò)來(lái)。頻率隨CCR變化脈沖鏈不會(huì)斷。初始化代碼大致長(zhǎng)這樣static void axis_pulse_dma_init(TIM_HandleTypeDef *htim, DMA_HandleTypeDef *hdma, uint32_t channel) { hdma-Init.Request channel; // 例如 DMA_REQUEST_TIM1_CC1 hdma-Init.Direction DMA_MEMORY_TO_PERIPH; hdma-Init.PeriphInc DMA_PINC_DISABLE; // 外設(shè)地址固定為CCR hdma-Init.MemInc DMA_MINC_ENABLE; // 內(nèi)存地址遞增 hdma-Init.PeriphDataAlignment DMA_PDATAALIGN_WORD; hdma-Init.MemDataAlignment DMA_MDATAALIGN_WORD; hdma-Init.Mode DMA_NORMAL; // 配合半傳輸中斷重填 hdma-Init.Priority DMA_PRIORITY_HIGH; HAL_DMA_Init(hdma); __HAL_LINKDMA(htim, hdma[TIM_DMA_CC1], *hdma); HAL_TIM_OC_Start_IT(htim, channel); // 開(kāi)啟比較中斷或事件 HAL_DMA_Start_IT(hdma, (uint32_t)freq_table_axis, (uint32_t)htim-Instance-CCR1, segment_len); }注意DMA_MODE_NORMAL這是有意為之的。因?yàn)檎ＤＪ桨嵬曛付ㄩL(zhǎng)度就會(huì)停方便我控制“一段運(yùn)動(dòng)正好跑完”不會(huì)自動(dòng)循環(huán)到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)上。2.3 乒乓緩沖與半傳輸中斷的重填邏輯加減速過(guò)程往往持續(xù)幾千甚至上萬(wàn)個(gè)脈沖周期DMA緩沖不可能一次性放完整條曲線。我的做法是給每個(gè)軸分配一個(gè)大小固定的緩沖比如512個(gè)字DMA跑到一半時(shí)觸發(fā)半傳輸中斷跑到末尾時(shí)觸發(fā)傳輸完成中斷在這兩個(gè)中斷里把下一批頻率字填進(jìn)去。這和乒乓緩沖的本質(zhì)思路一樣前半段搬運(yùn)的同時(shí)CPU處理的是后半段要用的數(shù)據(jù)等DMA進(jìn)入后半段前半段已經(jīng)被重新填好隨時(shí)可以接著跑。重填邏輯用狀態(tài)機(jī)管理volatile uint32_t *dma_buf (uint32_t *)axis_freq_buf[axis_id]; volatile uint32_t seg_fill_index 0; volatile uint32_t seg_total_len 0; void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { // 半傳輸中斷 if (__HAL_DMA_GET_FLAG(axis_dma[axis_id], DMA_FLAG_HT)) { __HAL_DMA_CLEAR_FLAG(axis_dma[axis_id], DMA_FLAG_HT); fill_freq_half(axis_id, 0); } // 傳輸完成中斷 if (__HAL_DMA_GET_FLAG(axis_dma[axis_id], DMA_FLAG_TC)) { __HAL_DMA_CLEAR_FLAG(axis_dma[axis_id], DMA_FLAG_TC); if (seg_fill_index seg_total_len) { fill_freq_half(axis_id, 1); } else { // 整個(gè)運(yùn)動(dòng)段結(jié)束停止定時(shí)器 HAL_TIM_OC_Stop(htim, channel); } } }填充函數(shù)里預(yù)處理下一批頻率字然后直接更新DMA源地址。這里有個(gè)容易寫(xiě)錯(cuò)的點(diǎn)正常模式下DMA跑完一次就停止半傳輸中斷觸發(fā)時(shí)DMA還在跑剩余的一半此時(shí)不能調(diào)用HAL_DMA_Start_IT重啟DMA否則會(huì)打斷正在進(jìn)行的搬運(yùn)只需要更新當(dāng)前DMA句柄里的SxNDTR和SxM0AR讓它在當(dāng)前事務(wù)結(jié)束后無(wú)縫銜接下一批。這也是為什么源碼里半傳輸中斷只改寄存器不做重啟。3. 加減速曲線從數(shù)學(xué)函數(shù)到DMA緩沖數(shù)組3.1 梯形與S形曲線的離散化公式加減速控制的本質(zhì)是給出一串隨時(shí)間變化的脈沖頻率值。梯形加減速的公式最直觀加速段頻率線性增長(zhǎng)勻速段保持不變減速段線性下降。寫(xiě)成代碼就是void gen_freq_table_trapezoid(uint32_t *ccr_table, uint32_t len, uint32_t f_start, uint32_t f_max, uint32_t f_end) { uint32_t accel_len (f_max - f_start) * len / (2*f_max - f_start - f_end); uint32_t decel_len len - accel_len - 1; for (uint32_t i 0; i len; i) { uint32_t f; if (i accel_len) { f f_start (f_max - f_start) * i / accel_len; } else if (i accel_len 1) { f f_max; } else { f f_max - (f_max - f_end) * (i - accel_len - 1) / decel_len; } ccr_table[i] timer_clock / (2 * f); } }實(shí)際用起來(lái)我發(fā)現(xiàn)梯形加減速在高速段有比較明顯的沖擊感尤其是平臺(tái)設(shè)備走到角落突然換向的時(shí)候。S形曲線會(huì)更順滑工程上不用真的去算完整的正弦積分用余弦近似就夠了void gen_freq_table_s(uint32_t *ccr_table, uint32_t len, uint32_t f_start, uint32_t f_max, uint32_t f_end) { for (uint32_t i 0; i len; i) { float t (float)i / (len - 1); float accel_factor 0.5f - 0.5f * cosf((float)M_PI * t); // 加速段平滑過(guò)渡 float decel_factor 0.5f - 0.5f * cosf((float)M_PI * t (float)M_PI); // 減速段反向過(guò)渡 uint32_t f; if (t 0.5f) { f f_start (f_max - f_start) * accel_factor; } else { f f_max - (f_max - f_end) * decel_factor; } ccr_table[i] timer_clock / (2 * f); } }注意CCR和頻率是反比關(guān)系頻率變化線性并不代表CCR變化線性。如果直接拿CCR做線性插值實(shí)際頻率會(huì)呈現(xiàn)嚴(yán)重非線性加速前段沖得太猛后段又拖沓。我最初就是直接在CCR表里插值上機(jī)一測(cè)加速過(guò)程有明顯頓挫后來(lái)改回“先算頻率表再轉(zhuǎn)換成CCR表”才正常。3.2 緩沖尺寸、加減速點(diǎn)數(shù)與起始頻率的匹配這里涉及一個(gè)繞不開(kāi)的內(nèi)存問(wèn)題如果每個(gè)脈沖周期都更新CCR那么加速10毫秒、平均頻率500kHz就需要約5000個(gè)頻率字8個(gè)軸就是20000個(gè)uint32_t大約80KB內(nèi)存。單段運(yùn)動(dòng)還好說(shuō)如果需要多條加減速曲線排隊(duì)內(nèi)存根本不夠。所以源碼里不能把整條曲線一次性裝進(jìn)DMA緩沖。我的做法是DMA緩沖固定512字CPU在中斷里按需從“規(guī)劃隊(duì)列”中取出下一批頻率字實(shí)時(shí)填充。規(guī)劃隊(duì)列保存的不是具體的CCR值而是曲線參數(shù)每次半傳輸中斷時(shí)用前面兩個(gè)公式現(xiàn)算一批。起始頻率也有講究。頻率太低步進(jìn)電機(jī)會(huì)在低速段共振太高則會(huì)直接從加速起始點(diǎn)丟步。我一般把起始頻率設(shè)在1kHz到2kHz之間具體看驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分和電機(jī)負(fù)載。再結(jié)合加速時(shí)間和目標(biāo)頻率就能算出加速點(diǎn)數(shù)然后決定中斷里每批生成多少點(diǎn)。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值加速時(shí)間150ms、目標(biāo)頻率1MHz、起始頻率2kHz加速點(diǎn)數(shù)約75000個(gè)每批512字需要約300次半傳輸中斷每次中斷里做兩次余弦運(yùn)算生成512個(gè)CCR值在168MHz的MCU上耗時(shí)約0.2ms遠(yuǎn)小于半緩沖被用完的時(shí)間來(lái)得及。3.3 參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)?zāi)檬静ㄆ骺磶状尉投訙p速參數(shù)沒(méi)法一上來(lái)就拍腦袋定我建議先固定目標(biāo)頻率只調(diào)加速時(shí)間用示波器測(cè)脈沖間隔變化。先把曲線拉成純加速段從2kHz加速到目標(biāo)頻率加速時(shí)間從500ms開(kāi)始往小調(diào)。每次調(diào)完看示波器脈沖間隔的包絡(luò)是否平滑。如果包絡(luò)末端出現(xiàn)陡峭的臺(tái)階或者間隔突變說(shuō)明加減速點(diǎn)數(shù)還沒(méi)被平滑算法覆蓋問(wèn)題通常出在曲線末段的頻率差太小導(dǎo)致兩個(gè)相鄰CCR之間差了多個(gè)周期。還有一個(gè)容易忽略的點(diǎn)停止瞬間也需要減速曲線。如果運(yùn)動(dòng)段結(jié)束前不降速DMA直接停了最后一個(gè)脈沖周期可能極其短促驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是拖著失步的電機(jī)急停。我在規(guī)劃器里強(qiáng)制要求每段運(yùn)動(dòng)都帶完整的減速尾段除非是點(diǎn)動(dòng)操作或者特意要急停。4. 插補(bǔ)源碼設(shè)計(jì)DDA粗插補(bǔ)與DMA精插補(bǔ)的分層4.1 DDA累加器溢出的多軸聯(lián)動(dòng)原理多軸插補(bǔ)最常見(jiàn)也最穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)是DDA也就是數(shù)字微分分析器。思路是給每個(gè)軸維護(hù)一個(gè)累加器每個(gè)插補(bǔ)周期累加一個(gè)“步進(jìn)量”當(dāng)累加器溢出時(shí)這個(gè)軸輸出一個(gè)脈沖。各軸的步進(jìn)量比例決定了它們實(shí)際速度的比例。用代碼表示typedef struct { int32_t accum; // 累加器 int32_t step; // 每個(gè)周期的步進(jìn)量 uint8_t overflow; } dda_axis_t; void dda_tick(dda_axis_t *axes, uint32_t n_axes) { for (uint32_t i 0; i n_axes; i) { axes[i].accum axes[i].step; if (axes[i].accum 0x7FFFFFFF) { axes[i].accum - 0x7FFFFFFF; axes[i].overflow 1; // 這個(gè)周期該軸輸出脈沖 } else { axes[i].overflow 0; } } }如果一條直線從(0,0,0,...,0)插補(bǔ)到(target0, target1, ..., target7)那么每軸step target_i * 基準(zhǔn)頻率 / 最長(zhǎng)軸步數(shù)。最長(zhǎng)軸在每個(gè)周期都溢出其他軸按比例出脈沖。這樣8軸在同一時(shí)間基準(zhǔn)上各走各的步數(shù)最后同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)。DDA的工程意義在于粗插補(bǔ)階段只需要定期計(jì)算step精插補(bǔ)階段則根據(jù)溢出結(jié)果決定一段時(shí)間內(nèi)的脈沖組合完全不用在脈沖級(jí)重新規(guī)劃。4.2 運(yùn)動(dòng)段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與下發(fā)流程源碼里運(yùn)動(dòng)規(guī)劃被分成兩層。粗插補(bǔ)層負(fù)責(zé)把用戶輸入的軌跡比如一條長(zhǎng)直線或圓弧切分成若干直線運(yùn)動(dòng)段每段給出終點(diǎn)坐標(biāo)、合成速度和加減速參數(shù)。精插補(bǔ)層負(fù)責(zé)把每個(gè)運(yùn)動(dòng)段轉(zhuǎn)換成一串可下發(fā)的DMA頻率字。運(yùn)動(dòng)段的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)如下typedef struct { uint32_t axis_mask; // 參與本段的軸掩碼 int32_t target_pos[8]; // 相對(duì)于起點(diǎn)的脈沖增量 uint32_t f_start; // 起始頻率 uint32_t f_max; // 段內(nèi)最大頻率 uint32_t f_end; // 結(jié)束頻率 uint32_t accel_time_ms; // 加速時(shí)間 uint32_t decel_time_ms; // 減速時(shí)間 uint32_t direction_word; // 8軸方向打包值直接寫(xiě)B(tài)SRR } motion_segment_t;下發(fā)流程是粗插補(bǔ)器生成一個(gè)運(yùn)動(dòng)段填入motion_segment_t。規(guī)劃器調(diào)用gen_freq_table_*生成頻率曲線參數(shù)同時(shí)把方向打包字準(zhǔn)備好。配置對(duì)應(yīng)軸的DMA源地址和傳輸長(zhǎng)度啟動(dòng)DMA。半傳輸中斷中繼續(xù)生成下一批頻率字。方向字打包很關(guān)鍵。8個(gè)軸的方向位分別映射到一個(gè)32位寄存器的不同bit方向不變時(shí)這個(gè)字在運(yùn)動(dòng)中全程不變所以一次DMA通道寫(xiě)GPIO的BSRR就完成了8個(gè)軸的換向同步性比逐軸寫(xiě)IO好很多。4.3 雙DMA在多軸上的分配每4軸一組8軸脈沖輸出我用了兩個(gè)定時(shí)器每個(gè)定時(shí)器貢獻(xiàn)4個(gè)比較通道。DMA1控制第一個(gè)定時(shí)器的4個(gè)通道DMA2控制第二個(gè)定時(shí)器的4個(gè)通道兩者獨(dú)立工作。選型時(shí)的硬件限制要提前確認(rèn)。每個(gè)DMA控制器的stream數(shù)量是有限的比如DMA1和DMA2各8個(gè)stream如果每路脈沖占一個(gè)stream8路正好各占一個(gè)控制器的4個(gè)stream剩下的stream留給UART、ADC等常規(guī)外設(shè)。這種分配方式的好處是兩個(gè)DMA控制器的總線訪問(wèn)是并行的不會(huì)在同一個(gè)控制器上讓8路脈沖互相排隊(duì)。如果MCU資源更緊張也可以用“少量定時(shí)器通道分時(shí)復(fù)用”的軟件切換方案但代價(jià)是CPU要介入切換時(shí)機(jī)精度會(huì)下降。能上雙DMA就上雙DMA這是最舒服的架構(gòu)。void motion_start_segment(motion_segment_t *seg) { // 前4軸交給DMA1對(duì)應(yīng)的stream for (uint32_t i 0; i 4; i) { if (seg-axis_mask (1 i)) { hal_dma1_pulse_go(i, seg); } } // 后4軸交給DMA2對(duì)應(yīng)的stream for (uint32_t i 4; i 8; i) { if (seg-axis_mask (1 i)) { hal_dma2_pulse_go(i, seg); } } // 方向字一次性寫(xiě)入BSRR MODIFY_REG(GPIO_DIR_BSRR, 0xFFFFFFFF, seg-direction_word); // 兩個(gè)定時(shí)器用從模式同步啟動(dòng)保證8軸同一拍出發(fā) __HAL_TIM_MOE_ENABLE(htim_pulse_l); __HAL_TIM_MOE_ENABLE(htim_pulse_h); }必須強(qiáng)調(diào)啟動(dòng)同步。8個(gè)軸如果不同時(shí)起跑哪怕只差幾十微秒長(zhǎng)距離插補(bǔ)終點(diǎn)也可能偏出好幾個(gè)脈沖當(dāng)量。我的做法是用一個(gè)主定時(shí)器的更新事件去觸發(fā)另一個(gè)定時(shí)器的啟動(dòng)兩個(gè)定時(shí)器同步起振DMA的首次搬運(yùn)也都在同一拍完成。5. 高頻脈沖實(shí)測(cè)與避坑記錄5.1 實(shí)測(cè)波形從100kHz到2MHz的建立過(guò)程把電機(jī)拆下來(lái)用示波器直接觀察脈沖輸出腳。加速段起點(diǎn)2kHz、終點(diǎn)2MHz、加速時(shí)間800毫秒。示波器上看脈沖間隔從一開(kāi)始的250微秒逐漸收窄到0.25微秒包絡(luò)是一條漂亮的指數(shù)曲線中間沒(méi)有斷裂。減速段也同樣平滑。最緊張的時(shí)刻是加速切換到勻速的那一拍頻率字從加速表末端跳到勻速值示波器上看是一個(gè)極小的時(shí)間跳變但電機(jī)并沒(méi)有明顯的共震聲或丟步跡象。8軸同跑的實(shí)測(cè)更說(shuō)明問(wèn)題兩個(gè)定時(shí)器同步啟動(dòng)后8路脈沖在相位上沒(méi)有偏移軸線聯(lián)動(dòng)軌跡的終點(diǎn)位置誤差始終在1個(gè)脈沖當(dāng)量以內(nèi)。這個(gè)結(jié)果是靠雙DMA的硬件時(shí)序保證的換回中斷方案很難做到。5.2 高頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)級(jí)注意事項(xiàng)2MHz輸出在芯片引腳上很漂亮但到了步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器那邊可能會(huì)變成災(zāi)難。高頻方波經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的杜邦線或者走線不規(guī)范的PCB上升沿會(huì)出現(xiàn)明顯過(guò)沖和振鈴驅(qū)動(dòng)器會(huì)把振鈴誤當(dāng)成額外脈沖電機(jī)直接多走一步。我在調(diào)試過(guò)程中吃過(guò)一次虧一根40厘米的普通杜邦線接驅(qū)動(dòng)器脈沖端2MHz時(shí)示波器看出來(lái)上升沿振鈴幅度超過(guò)1V驅(qū)動(dòng)器隔三差五丟步。后來(lái)把線換成雙絞屏蔽線并且在驅(qū)動(dòng)器輸入端串了33歐姆電阻振鈴基本消除。還要留意驅(qū)動(dòng)器本身的硬件上限。很多細(xì)分驅(qū)動(dòng)器支持的步進(jìn)脈沖頻率上限就是500kHz左右2MHz脈沖打過(guò)去驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的整形電路跟不上等于白給。真正需要高線速度的場(chǎng)景建議降低細(xì)分或者升級(jí)成總線式閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器頻率指標(biāo)會(huì)寬裕很多。5.3 三個(gè)容易翻車的DMA細(xì)節(jié)調(diào)試這套源碼時(shí)有三個(gè)地方反反復(fù)復(fù)出了莫名其妙的問(wèn)題這里集中記錄一下。第一個(gè)坑是DMA觸發(fā)源選錯(cuò)。定時(shí)器的更新事件和比較事件都能作為DMA請(qǐng)求但用PWM模式時(shí)應(yīng)該觸發(fā)更新事件去更新ARR用翻轉(zhuǎn)模式時(shí)必須觸發(fā)比較事件。如果不想清楚就復(fù)制代碼會(huì)出現(xiàn)頻率字搬了但不生效或者脈沖頻率每次滯后一個(gè)周期減速段最后多出一個(gè)超長(zhǎng)脈沖。排查方法是邏輯分析儀抓脈沖間隔看第一個(gè)變化周期是不是比預(yù)期晚了一拍。第二個(gè)坑是半傳輸中斷和傳輸完成中斷的填充操作互相踩。源地址更新不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致DMA重跑舊數(shù)據(jù)頻率曲線出現(xiàn)周期性回跳。我最后是用一個(gè)原子標(biāo)志位保護(hù)填充流程半傳輸中斷里填前半段時(shí)如果傳完中斷也來(lái)湊熱鬧直接丟棄本次填充請(qǐng)求避免兩個(gè)中斷上下文同時(shí)改同一個(gè)DMA句柄。第三個(gè)坑是關(guān)停時(shí)序。運(yùn)動(dòng)段結(jié)束時(shí)如果直接停定時(shí)器最后一個(gè)脈沖可能只走到一半就斷掉驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)被截?cái)喑擅?。正確做法是DMA跑完傳輸完成中斷后先把優(yōu)先級(jí)調(diào)低、清掉比較中斷掛起標(biāo)志再停止定時(shí)器確保完整輸出最后一個(gè)低電平。還有一個(gè)小細(xì)節(jié)是DMA優(yōu)先級(jí)。8路DMA同時(shí)跑時(shí)總線仲裁確實(shí)會(huì)帶來(lái)微小的搬運(yùn)延遲但對(duì)脈沖輸出影響不大因?yàn)镃CR更新只要求在下一次匹配前完成即可頻率字提前幾百個(gè)總線周期就被搬完了。真正要優(yōu)先保的是穩(wěn)定性和可確定性優(yōu)先級(jí)上讓兩路低頻關(guān)鍵數(shù)據(jù)比如UART低于任何一路脈沖DMA。這套雙DMA框架最后跑下來(lái)最讓我滿意的不是2MHz這個(gè)數(shù)字而是CPU負(fù)載降下來(lái)之后插補(bǔ)規(guī)劃器可以放心地把時(shí)間花在更復(fù)雜的路徑前瞻和圓滑過(guò)渡上。運(yùn)動(dòng)控制永遠(yuǎn)是軟硬協(xié)同的事把高頻重復(fù)勞動(dòng)交給硬件把決策交給CPU這條路值得推到底。