量角器是一種專門的設備，用于高精度測量旋轉(zhuǎn)角度，并通過USB將這些測量結(jié)果傳輸?shù)街鳈C。它集成了一個精確的編碼器，能夠以1度的精度測量角度。樹莓派Pico通過可編程I/O (Programmable I/O)高速讀取編碼器信號，而TinyUSB庫則用于與主機共享數(shù)據(jù)。該量角器的開發(fā)主要是為了解決在汽車駕駛模擬中需要精確測量物理方向盤的旋轉(zhuǎn)角度的問題。

軟件棧

為了提供所需的功能，該平臺需要支持快速I/O和簡單的USB處理。使用直接GPIO讀取編碼器信號的初步實驗表明，在快速旋轉(zhuǎn)過程中，信號可能部分丟失，因為直接GPIO只能處理高達~10kHz的變化。一個更好更快的選擇是使用Raspberry Pi Pico上可用的可編程輸入/輸出(Programmable Input/Output， PIO)功能。

最初，我計劃使用最簡單的軟件選項——MicroPython，但它缺乏對USB功能的直接支持。CircuitPython是第二個候選，但它沒有完全的PIO支持。最后，我選擇了c++，因為它為Raspberry Pi Pico (TinyUSB庫)提供了良好的USB支持以及PIO功能。

我基于TinyUSB庫中的hid_composite示例實現(xiàn)，并從實現(xiàn)中刪除了除通用輸入/輸出設備外的所有子設備。我用一個處理基于tm1637的顯示的簡單類和一個帶有處理編碼器信號的自定義PIO代碼的Encoder c++類完成了代碼。

為了開發(fā)，我使用了Microsoft Visual Studio Code和官方的Raspberry Pi Pico擴展(在macOS和Windows上)。

編碼器信號處理

編碼器產(chǎn)生兩相正交脈沖信號，每個相位每旋轉(zhuǎn)400個脈沖。該信號的解碼由PIO程序(在文件encoder.pio中)執(zhí)行，該程序等待通道a上的上升沿，然后檢查通道B上的值：對于0，生成IRQ 0;對于1，生成irq1。這些中斷由Encoder c++類處理：irq0減少旋轉(zhuǎn)計數(shù)器，而irq1增加旋轉(zhuǎn)計數(shù)器。這種配置每次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生400個脈沖，計數(shù)器值需要乘以360/400 = 0.9來表示以度為單位的值。

通過增加三個PIO程序，可以將測量精度提高到每旋轉(zhuǎn)1600個脈沖：一個等待通道A的下降沿，另一個等待通道B的上升沿，第三個等待通道B的下降沿。

USB通信

USB處理實現(xiàn)基于TinyUSB庫中的hid_composite示例。除通用輸入/輸出設備外，所有設備類型都從原始代碼中刪除?？梢允褂胻ests目錄中的兩個示例在主機設備上測試該實現(xiàn)：

?Test_hid.py，它使用了hid庫

?Test_pyusb.py，它使用pyusb庫

?構建指令

連接:

?編碼器<-> RPi Pico

?VCC[紅色]<-> VBus[引腳40](5V)

?GND[黑色]<-> GND[例如引腳38]

?通道A[白色]<-> GP2[引腳4]+ 10 kOhm上拉電阻至3V3[引腳36]

?通道B[綠色]<-> GP3[引腳5]+ 10 kOhm上拉電阻到3V3[引腳36]

?TM1637顯示<-> RPi Pico

?CLK <-> 5[引腳7]

?DIO <-> 4[引腳6]

?VCC <-> 3V3[引腳36]

?GND <-> GND[例如引腳38]

?復位開關<-> RPi Pico

?3V3[針36]

?GP14[引腳19]

案例:

使用OpenSCAD設計的簡單設備案例和插件案例可以在GitHub的案例目錄中找到。

本文編譯自hackster.io