295 lines
16 KiB
Markdown
295 lines
16 KiB
Markdown
# Описание компонента zh_inclinometer
|
|
|
|
## Общие сведения
|
|
|
|
**zh_inclinometer** — это компонент ESP-IDF для ESP32, реализующий измерение углового положения с помощью квадратурного оптического энкодера. Компонент использует аппаратный модуль счётчика импульсов (PCNT) из ESP-IDF для подсчёта импульсов с двух каналов энкодера и преобразования их в угол в градусах.
|
|
|
|
Компонент предоставляет простой API для инициализации, получения текущего угла и сброса счётчика. Поддерживается настройка направлений вращения, режима подтяжки GPIO и разрешения энкодера в импульсах на оборот.
|
|
|
|
## Основные возможности
|
|
|
|
1. **Поддержка квадратурного энкодера** — аппаратное декодирование каналов A и B через PCNT.
|
|
2. **Настраиваемые GPIO-пины** — задание любых свободных GPIO для каналов A и B.
|
|
3. **Настраиваемая подтяжка** — включение или отключение внутренних подтягивающих резисторов.
|
|
4. **Настраиваемое направление вращения** — положительный угол для вращения по часовой или против часовой стрелки.
|
|
5. **Настраиваемое разрешение** — указание количества импульсов на полный оборот энкодера.
|
|
6. **Фильтр глитчей** — аппаратное отсечение помех длительностью менее 1000 нс.
|
|
7. **Поддержка нескольких экземпляров** — одновременная работа с несколькими энкодерами.
|
|
|
|
## Внутреннее устройство
|
|
|
|
### Структура `zh_inclinometer_handle_t`
|
|
|
|
Публичный тип — непрозрачный указатель на внутреннюю структуру:
|
|
|
|
| Поле | Тип | Описание |
|
|
| ------ | ----- | ---------- |
|
|
| `pcnt_unit_handle` | `pcnt_unit_handle_t` | Указатель на экземпляр PCNT для данного энкодера |
|
|
| `pcnt_channel_a_handle` | `pcnt_channel_handle_t` | Указатель на канал A PCNT (подключён к пину энкодера A) |
|
|
| `pcnt_channel_b_handle` | `pcnt_channel_handle_t` | Указатель на канал B PCNT (подключён к пину энкодера B) |
|
|
| `degrees_per_pulse` | `float` | Угол в градусах, приходящийся на один подсчитанный импульс |
|
|
| `rotation` | `bool` | Флаг направления вращения: `true` — положительный угол при вращении по часовой стрелке |
|
|
|
|
### Структура конфигурации `zh_inclinometer_init_config_t`
|
|
|
|
Структура передаётся в функцию `zh_inclinometer_init()` при создании экземпляра:
|
|
|
|
| Поле | Тип | Описание |
|
|
| ------ | ----- | ---------- |
|
|
| `a_gpio_number` | `gpio_num_t` | Номер GPIO для канала A энкодера |
|
|
| `b_gpio_number` | `gpio_num_t` | Номер GPIO для канала B энкодера |
|
|
| `pullup` | `bool` | Включить подтягивающий резистор (true) или отключить (false) |
|
|
| `rotation` | `bool` | Направление: true — положительный угол при вращении по часовой стрелке |
|
|
| `encoder_pulses` | `uint16_t` | Количество импульсов энкодера на один полный оборот |
|
|
|
|
### Управление памятью
|
|
|
|
Экземпляр inclinometer выделяется в функции `zh_inclinometer_init()` через `heap_caps_calloc(1, sizeof(zh_inclinometer_handle_t), MALLOC_CAP_8BIT)` и полностью очищается в `zh_inclinometer_deinit()` через `heap_caps_free()`. Ресурсы PCNT (unit и каналы) освобождаются до освобождения самого handle.
|
|
|
|
## API (интерфейс)
|
|
|
|
### Инициализация и освобождение
|
|
|
|
| Функция | Описание |
|
|
| --------- | ---------- |
|
|
| `zh_inclinometer_init()` | Выделяет память, проверяет конфигурацию, инициализирует PCNT с двумя каналами для квадратурного декодирования и запускает счётчик. |
|
|
| `zh_inclinometer_deinit()` | Останавливает и отключает PCNT, удаляет каналы и unit, освобождает память handle и устанавливает его в NULL. |
|
|
| `zh_inclinometer_reset()` | Очищает счётчик PCNT, устанавливая текущую позицию в 0 градусов. |
|
|
|
|
### Получение данных
|
|
|
|
| Функция | Описание |
|
|
|---------|----------|
|
|
| `zh_inclinometer_get()` | Считывает текущее значение счётчика PCNT и преобразует его в угол в градусах с учётом направления вращения. |
|
|
|
|
## Алгоритмы
|
|
|
|
### Расчёт угла
|
|
|
|
При инициализации вычисляется коэффициент градусов на импульс:
|
|
|
|
```text
|
|
degrees_per_pulse = 360.0 / (4 * encoder_pulses)
|
|
```
|
|
|
|
Множитель 4 обусловлен квадратурным декодированием: один полный шаг квадратурного энкодера содержит 4 изменения сигнала (по фронту и спаду на обоих каналах A и B), что увеличивает эффективное разрешение в 4 раза.
|
|
|
|
Текущий угол вычисляется при каждом вызове `zh_inclinometer_get()`:
|
|
|
|
```text
|
|
angle = pcnt_count * degrees_per_pulse
|
|
```
|
|
|
|
Если `rotation == false`, угол инвертируется:
|
|
|
|
```text
|
|
angle = -angle
|
|
```
|
|
|
|
Отрицательный ноль приводится к положительному нулю (`0.0`).
|
|
|
|
### Декодирование квадратурного сигнала
|
|
|
|
Инициализация PCNT настраивает два канала для двунаправленного подсчёта. Каждый канал реагирует на фронты своего сигнала (edge action), а направление счёта определяется текущим уровнем второго сигнала (level action):
|
|
|
|
| Канал | Edge action | Level action |
|
|
|-------|-------------|--------------|
|
|
| `A` (edge — пин A, level — пин B) | фронт — `DECREASE`, спад — `INCREASE` | `B == 1` — `KEEP`, `B == 0` — `INVERSE` |
|
|
| `B` (edge — пин B, level — пин A) | фронт — `INCREASE`, спад — `DECREASE` | `A == 1` — `KEEP`, `A == 0` — `INVERSE` |
|
|
|
|
`INVERSE` меняет действие счётчика на противоположное, поэтому при одном направлении вращения все четыре перехода сигналов дают `+1`, при противоположном — `-1`. Так реализуется четырёхкратное увеличение разрешения относительно шага энкодера.
|
|
|
|
Знак результата зависит от физически подключённой последовательности каналов. Параметр `rotation` компенсирует эту разницу: при `rotation == false` знак угла инвертируется при чтении, а конфигурация PCNT остаётся неизменной.
|
|
|
|
### Фильтр глитчей
|
|
|
|
Встроенный аппаратный фильтр отбрасывает импульсы длительностью менее 1000 нс (1 мкс). Фильтр настраивается функцией `pcnt_unit_set_glitch_filter()` и работает на уровне периферии, не создавая нагрузки на процессор.
|
|
|
|
### Очистка при ошибках
|
|
|
|
При инициализации PCNT реализована каскадная очистка ресурсов: при ошибке создания или настройки каждого последующего ресурса предыдущие удаляются в обратном порядке. Это гарантирует отсутствие утечек ресурсов при неудачной инициализации.
|
|
|
|
## Примеры использования
|
|
|
|
### Базовое чтение угла
|
|
|
|
Пример чтения текущего угла энкодера с периодом 100 мс.
|
|
|
|
```c
|
|
#include "zh_inclinometer.h"
|
|
|
|
zh_inclinometer_handle_t *inclinometer_handle = NULL;
|
|
|
|
void app_main(void)
|
|
{
|
|
esp_log_level_set("zh_inclinometer", ESP_LOG_ERROR);
|
|
|
|
zh_inclinometer_init_config_t config = ZH_INCLINOMETER_INIT_CONFIG_DEFAULT();
|
|
config.a_gpio_number = GPIO_NUM_26;
|
|
config.b_gpio_number = GPIO_NUM_27;
|
|
config.encoder_pulses = 3600;
|
|
config.pullup = true;
|
|
config.rotation = true;
|
|
|
|
esp_err_t ret = zh_inclinometer_init(&config, &inclinometer_handle);
|
|
if (ret != ESP_OK)
|
|
{
|
|
printf("Inclinometer initialization error: %s\n", esp_err_to_name(ret));
|
|
return;
|
|
}
|
|
|
|
for (int i = 0; i < 100; i++)
|
|
{
|
|
float angle = 0;
|
|
ret = zh_inclinometer_get(&inclinometer_handle, &angle);
|
|
if (ret == ESP_OK)
|
|
{
|
|
printf("Angle: %.2f deg\n", angle);
|
|
}
|
|
vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);
|
|
}
|
|
|
|
zh_inclinometer_deinit(&inclinometer_handle);
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
### Сброс позиции и работа с разными конфигурациями
|
|
|
|
Пример инициализации с отключённой подтяжкой, обратным направлением и периодическим сбросом позиции.
|
|
|
|
```c
|
|
#include "zh_inclinometer.h"
|
|
|
|
zh_inclinometer_handle_t *inclinometer_handle = NULL;
|
|
|
|
void app_main(void)
|
|
{
|
|
esp_log_level_set("zh_inclinometer", ESP_LOG_ERROR);
|
|
|
|
zh_inclinometer_init_config_t config = ZH_INCLINOMETER_INIT_CONFIG_DEFAULT();
|
|
config.a_gpio_number = GPIO_NUM_26;
|
|
config.b_gpio_number = GPIO_NUM_27;
|
|
config.encoder_pulses = 1800;
|
|
config.pullup = false;
|
|
config.rotation = false;
|
|
|
|
esp_err_t ret = zh_inclinometer_init(&config, &inclinometer_handle);
|
|
if (ret != ESP_OK)
|
|
{
|
|
printf("Initialization error: %s\n", esp_err_to_name(ret));
|
|
return;
|
|
}
|
|
|
|
for (int i = 0; i < 10; i++)
|
|
{
|
|
float angle = 0;
|
|
ret = zh_inclinometer_get(&inclinometer_handle, &angle);
|
|
if (ret == ESP_OK)
|
|
{
|
|
printf("Angle before reset: %.2f deg\n", angle);
|
|
}
|
|
|
|
ret = zh_inclinometer_reset(&inclinometer_handle);
|
|
if (ret == ESP_OK)
|
|
{
|
|
printf("Position reset to zero.\n");
|
|
}
|
|
|
|
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
|
|
}
|
|
|
|
zh_inclinometer_deinit(&inclinometer_handle);
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
### Ограничение на количество импульсов
|
|
|
|
Пример с максимальным разрешением (encoder_pulses = 8191) и демонстрация обработки ошибок.
|
|
|
|
```c
|
|
#include "zh_inclinometer.h"
|
|
|
|
zh_inclinometer_handle_t *inclinometer_handle = NULL;
|
|
|
|
void app_main(void)
|
|
{
|
|
esp_log_level_set("zh_inclinometer", ESP_LOG_ERROR);
|
|
|
|
zh_inclinometer_init_config_t config = ZH_INCLINOMETER_INIT_CONFIG_DEFAULT();
|
|
config.a_gpio_number = GPIO_NUM_26;
|
|
config.b_gpio_number = GPIO_NUM_27;
|
|
config.encoder_pulses = 8191;
|
|
config.pullup = true;
|
|
config.rotation = true;
|
|
|
|
esp_err_t ret = zh_inclinometer_init(&config, &inclinometer_handle);
|
|
if (ret != ESP_OK)
|
|
{
|
|
printf("Inclinometer initialization error: %s\n", esp_err_to_name(ret));
|
|
return;
|
|
}
|
|
|
|
float angle = 0;
|
|
ret = zh_inclinometer_get(&inclinometer_handle, &angle);
|
|
if (ret == ESP_OK)
|
|
{
|
|
printf("Current angle: %.2f deg\n", angle);
|
|
}
|
|
|
|
ret = zh_inclinometer_reset(&inclinometer_handle);
|
|
if (ret == ESP_OK)
|
|
{
|
|
printf("Position reset.\n");
|
|
}
|
|
|
|
zh_inclinometer_deinit(&inclinometer_handle);
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
## Логирование
|
|
|
|
Компонент использует ESP-IDF логирование с тегом `"zh_inclinometer"`. Уровень логирования настраивается через `esp_log_level_set()`:
|
|
|
|
```c
|
|
esp_log_level_set("zh_inclinometer", ESP_LOG_ERROR);
|
|
```
|
|
|
|
Макросы логирования определены внутри компонента и не требуют отдельного подключения. Доступные уровни: `ESP_LOG_ERROR` и `ESP_LOGI`.
|
|
|
|
## Ошибки
|
|
|
|
| Код | Описание |
|
|
| ----- | ---------- |
|
|
| `ESP_OK` | Успешное выполнение операции |
|
|
| `ESP_ERR_INVALID_ARG` | Неверный аргумент: NULL-указатель, невалидный GPIO (>= GPIO_NUM_MAX), одинаковые пины A и B, `encoder_pulses` равно 0 |
|
|
| `ESP_ERR_INVALID_STATE` | Повторная инициализация: `*handle` уже не равен NULL |
|
|
| `ESP_ERR_NO_MEM` | Не удалось выделить память для handle |
|
|
| `ESP_FAIL` | Ошибка инициализации PCNT, GPIO, фильтра глитчей или других ресурсов |
|
|
|
|
## Ограничения
|
|
|
|
1. **Максимум 8191 импульс на оборот** — ограничено диапазоном счётчика PCNT (±32767), так как внутренний счётчик умножается на 4 при квадратурном декодировании (`4 * encoder_pulses <= 32767`).
|
|
2. **Сброс счётчика при достижении пределов** — аппаратный PCNT автоматически обнуляет счётчик при достижении high_limit или low_limit. Угол «зацикливается» в диапазоне приблизительно от -360° до 360°. При вращении за пределы одного оборота счётчик сбрасывается и угол начинается заново.
|
|
3. **Не потокобезопасен** — компонент не использует мьютексы или другие механизмы синхронизации. Одновременный доступ к handle из нескольких задач не поддерживается.
|
|
4. **Глитч-фильтр зафиксирован на 1000 нс** — значение не выносится в конфигурацию и не может быть изменено пользователем.
|
|
5. **GPIO_NUM_MAX не является допустимым значением** — оба GPIO должны быть явно заданы перед инициализацией. Значение `GPIO_NUM_MAX` в `ZH_INCLINOMETER_INIT_CONFIG_DEFAULT()` служит маркером «не задано».
|
|
|
|
## Требования для сборки
|
|
|
|
- ESP-IDF версии 5.0 или выше
|
|
- Компонент `driver` (ESP-IDF < 6) или `esp_driver_gpio` + `esp_driver_pcnt` (ESP-IDF 6)
|
|
- FreeRTOS (входит в состав ESP-IDF)
|
|
- Два свободных GPIO-пина для подключения энкодера
|
|
- Модуль PCNT периферии ESP32 (доступен на всех моделях ESP32)
|
|
|
|
## Установка
|
|
|
|
```bash
|
|
cd ваш_проект/components
|
|
git clone https://github.com/aZholtikov/zh_inclinometer
|
|
```
|
|
|
|
```c
|
|
#include "zh_inclinometer.h"
|
|
```
|