設(shè)計(jì)一種將方向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)的裝置，用于汽車(chē)駕駛模擬

時(shí)間：2025-03-08 20:52:54

關(guān)鍵字： USB信號(hào) 量角器樹(shù)莓派Pico TM1637

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[導(dǎo)讀]量角器是一種專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，用于高精度測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度，并通過(guò)USB將這些測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)。它集成了一個(gè)精確的編碼器，能夠以1度的精度測(cè)量角度。樹(shù)莓派Pico通過(guò)可編程I/O (Programmable I/O)高速讀取編碼器信號(hào)，而TinyUSB庫(kù)則用于與主機(jī)共享數(shù)據(jù)。該量角器的開(kāi)發(fā)主要是為了解決在汽車(chē)駕駛模擬中需要精確測(cè)量物理方向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角度的問(wèn)題。

量角器是一種專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，用于高精度測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度，并通過(guò)USB將這些測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)。它集成了一個(gè)精確的編碼器，能夠以1度的精度測(cè)量角度。樹(shù)莓派Pico通過(guò)可編程I/O (Programmable I/O)高速讀取編碼器信號(hào)，而TinyUSB庫(kù)則用于與主機(jī)共享數(shù)據(jù)。該量角器的開(kāi)發(fā)主要是為了解決在汽車(chē)駕駛模擬中需要精確測(cè)量物理方向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角度的問(wèn)題。

軟件棧

為了提供所需的功能，該平臺(tái)需要支持快速I(mǎi)/O和簡(jiǎn)單的USB處理。使用直接GPIO讀取編碼器信號(hào)的初步實(shí)驗(yàn)表明，在快速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，信號(hào)可能部分丟失，因?yàn)橹苯覩PIO只能處理高達(dá)~10kHz的變化。一個(gè)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(jì)劃使用最簡(jiǎn)單的軟件選項(xiàng)——MicroPython，但它缺乏對(duì)USB功能的直接支持。CircuitPython是第二個(gè)候選，但它沒(méi)有完全的PIO支持。最后，我選擇了c++，因?yàn)樗鼮镽aspberry Pi Pico (TinyUSB庫(kù))提供了良好的USB支持以及PIO功能。

我基于TinyUSB庫(kù)中的hid_composite示例實(shí)現(xiàn)，并從實(shí)現(xiàn)中刪除了除通用輸入/輸出設(shè)備外的所有子設(shè)備。我用一個(gè)處理基于tm1637的顯示的簡(jiǎn)單類(lèi)和一個(gè)帶有處理編碼器信號(hào)的自定義PIO代碼的Encoder c++類(lèi)完成了代碼。

為了開(kāi)發(fā)，我使用了Microsoft Visual Studio Code和官方的Raspberry Pi Pico擴(kuò)展(在macOS和Windows上)。

編碼器信號(hào)處理

編碼器產(chǎn)生兩相正交脈沖信號(hào)，每個(gè)相位每旋轉(zhuǎn)400個(gè)脈沖。該信號(hào)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(duì)于0，生成IRQ 0;對(duì)于1，生成irq1。這些中斷由Encoder c++類(lèi)處理：irq0減少旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器，而irq1增加旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器。這種配置每次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生400個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器值需要乘以360/400 = 0.9來(lái)表示以度為單位的值。

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

USB通信

USB處理實(shí)現(xiàn)基于TinyUSB庫(kù)中的hid_composite示例。除通用輸入/輸出設(shè)備外，所有設(shè)備類(lèi)型都從原始代碼中刪除。可以使用tests目錄中的兩個(gè)示例在主機(jī)設(shè)備上測(cè)試該實(shí)現(xiàn)：

?Test_hid.py，它使用了hid庫(kù)

?Test_pyusb.py，它使用pyusb庫(kù)

?構(gòu)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]