Arduino Motor Driver Shield auf Raspberry Pi

Mit einem Expansion Board für Raspberry Pi können die Shields für Arduino verwendet werden. In diesen Beispiel wird ein Motor Shield verwendet, zu dem ich bereits zwei Blog Einträge geschrieben habe. In dem Beispiel mit dem Netduino ist nur die Programmiersprache gleich, aber das verwendete Framework unterscheidet sich stark von einander. Allein schon das Konfigurieren eines Pins für den Raspberry Pi geht vollständig einen anderen Weg. Offen gestanden bin ich wohl an der Stelle konservativ und würde eher im dot Net Umfeld das .NET Micro Framework bevorzugen.

Benötigte Hardware:

• Raspberry Pi 2 oder 3
• Waveshare ARPI600 IO Expansion Board
• Arduino MotorShield mit L293D

Windows IoT Extensions

Mit dem Anlegen einer neuen Solution als Universal Application oder kurz gesagt UWP, muss zunächst die Reference Windows IoT Extensions hinzugefügt werden. Je nach Ziel Version von Windows IoT kann die aktuelle passende Bibliothek hinzugefügt werden. Mit dieser werden dann Klassen bereit gestellt, mit dem der Zugriff auf die GPIOs möglich ist.

Neue MotorShield Klasse anlegen

Den Aufbau der Klasse ist fast wie aus dem Beispiel mit dem Netduino. Die öffentlichen Methoden sind die gleichen. Nur intern musste das Initialisieren der Hardware Pins anders gelöst werden. (Motor Treiber für Rover (.NETMF))

Für mich verwunderlich war, dass es keine PWM Ansteuerung gab oder ich habe das einfach übersehen. Zumindest nach kurzer Suche kamen keine passenden Ergebnisse, wie man die GPIOs mit einem PWM Signal ansteuert. Daher nur Digitales Gas geben.

Anzusteuernde Pins

Im Netz sind Zahlreiche Bilder, die die Pins beschreiben. Auf Waveshare (https://www.waveshare.com/wiki/ARPI600) sind die Pins ebenfalls beschrieben, allerdings ist das auf der Erweiterung anders gekennzeichnet. Hier war es nicht immer schlüssig, ob der Hardware Pin oder GPIO Pin gemeint ist. Am Ende habe ich festgestellt, dass man die Pin Ansicht von Raspberry Pi benötigt und dann auf dem ARPI600 die Beschriftung ablesen und vergleichen musste, um auf das richtige Mapping zu kommen.

Die folgende Tabelle zeigt, mit welchen Bezeichnungen man zu tun hat und wie diese zu einander passen.

Raspberry Pin	Raspberry GPIO	ARPI600	Arduino	MotorShield
8	UARTTO TX	P_RX	D0
10	UARTTO RX	P_TX	D1
11	17	P0	D2
12	18	P1	D3	M2
13	27	P2	D4	Clock
15	22	P3	D5	M4
16	23	P4	D6	M3
18	24	P5	D7	Enable Shiftregister
22	25	P6	D8	Data
7	4	P7	D9
24	8	CE0	D10
19	10	MOSI	D11	M1
21	9	MISO	D12	Latch
23	11	SCK	D13

Verhältnismäßigkeit

Abgesehen der fehlenden Stufenlosen Regeln der Motoren, ist die Steuerung nicht anders als mit einem Arduino oder Netduino. Um nur den Motor Treiber zu verwenden, ist das verwenden mit einem Raspberry Pi gerade zu übertrieben. Selbst mit dem Raspberry Pi 3 und Windows 10 IoT dauerte der Bootvorgang ca. eine Minute, bis dann endlich der Motor Treiber ausgeführt wird. Das relativiert sich dann jedoch, wenn man weitere Funktionalitäten implementiert.

Github - ExampleRaspberryPiMotorShield

Motor Treiber für den Rover (.NETMF)

Was in C geht, geht auch in C#. Einige Zeit ist vergangen als ich das letzte Mal ein Beispiel zu Netduino gepostet habe. Viel hat sich nicht geändert und im Grunde verwendet ich statt .NETMF 4.2 nun .NETMF 4.3. Neu ist der Netduino 3 der in drei Varianten kommt und alle haben drei Go Port Anschlüsse. Zudem kommt dieser mit mehr Flash Speicher, bei den Varianten mit Netzwerk Eigenschaften. Nur der Takt ist weiterhin bei 168MHz, dass jedoch ausreichend ist für die meisten Anwendungen.

Nun zur Hardware

• Netduino 3 Wifi
• Motor Shield
• Externe Spannungsversorgung mit 9V oder einen zwei Zellen Lipo
• DAGU Rover 5 Chassis 4WD

Antrieb und Motor Shield

Zu meinem vorigen Post mit dem Arduino ändert sich am Antrieb und am Shield nichts. Die Pin Belegung und sowie auch die Betroffenen Signal Ausgänge, sind beim Netduino für diesen Zweck identisch. (Arduino, Motor Treiber für den Rover)

Programmcode

Mit der C# und .NET Micro Framework Variante habe ich weitgehend die Namen der Pin Variablen und auch die Methodennamen direkt übernommen. Ein Punkt ist jedoch anders. Das Ausgegebene Pwm Signal wird beim Initialisieren eingestellt. An der Stelle muss man sich bewusst machen, wie lang die Duration (die Länge des HIGH Level Puls) pro Periode sein darf. Beim Arduino konnte ein Wert von 0 bis 255 zugewiesen werden. Mit der PWM Klasse für den Netduino ist die einzustellende Duration davon abhängig, wie hoch die Periode gesetzt wurde. Für dieses Beispiel kann ein Duration Wert von 0 bis 1000 festgelegt werden.

 public class RoverMotorDriver  
 {  
   private OutputPort _latch;  
   private OutputPort _clock;  
   private OutputPort _data;  
   private OutputPort _regEn;  
   private PWM _outputM1;  
   private PWM _outputM2;  
   private PWM _outputM3;  
   private PWM _outputM4;  
   private const int _outputM1_A = 4;        
   private const int _outputM1_B = 8;        
   private const int _outputM2_A = 2;        
   private const int _outputM2_B = 16;       
   private const int _outputM3_A = 32;        
   private const int _outputM3_B = 128;       
   private const int _outputM4_A = 1;        
   private const int _outputM4_B = 64;        
   public RoverMotorDriver()  
   {  
     this._latch = new OutputPort(Pins.GPIO_PIN_D12, false);  
     this._clock = new OutputPort(Pins.GPIO_PIN_D4, false);  
     this._data = new OutputPort(Pins.GPIO_PIN_D8, false);  
     this._regEn = new OutputPort(Pins.GPIO_PIN_D7, false);  
     this._outputM1 = new PWM(PWMChannels.PWM_PIN_D11, 200d, .1d, false);  
     this._outputM1.Duration = 1;  
     this._outputM1.Start();  
     this._outputM2 = new PWM(PWMChannels.PWM_PIN_D3, 200d, .1d, false);  
     this._outputM2.Duration = 1;  
     this._outputM2.Start();  
     this._outputM3 = new PWM(PWMChannels.PWM_PIN_D6, 200d, .1d, false);  
     this._outputM3.Duration = 1;  
     this._outputM3.Start();  
     this._outputM4 = new PWM(PWMChannels.PWM_PIN_D5, 200d, .1d, false);  
     this._outputM4.Duration = 1;  
     this._outputM4.Start();  
   }  
   public void SetMotorShieldOn(bool setOn)  
   {  
     this._regEn.Write(!setOn);  
   }  
   public void MotorStop()  
   {  
     this.SetRunMotors(0, 0, 0);  
     this.SetMotorShieldOn(false);  
   }  
   public void SetForeward(int speedValueLeft, int speedValueRight)  
   {  
     int motorsOn = _outputM1_B | _outputM2_B | _outputM3_A | _outputM4_A;  
     this.SetRunMotors(motorsOn, speedValueLeft, speedValueRight);  
     this.SetMotorShieldOn(true);  
   }  
   public void SetBackward(int speedValueLeft, int speedValueRight)  
   {  
     int motorsOn = _outputM1_A | _outputM2_A | _outputM3_B | _outputM4_B;  
     this.SetRunMotors(motorsOn, speedValueLeft, speedValueRight);  
     this.SetMotorShieldOn(true);  
   }  
   public void SetTurnLeft(int speedValue)  
   {  
     int motorsOn = _outputM1_B | _outputM2_B | _outputM3_B | _outputM4_B;  
     SetRunMotors(motorsOn, speedValue, speedValue);  
     SetMotorShieldOn(true);  
   }  
   public void SetTurnRight(int speedValue)  
   {  
     int motorsOn = _outputM1_A | _outputM2_A | _outputM3_A | _outputM4_A;  
     SetRunMotors(motorsOn, speedValue, speedValue);  
     SetMotorShieldOn(true);  
   }  
   private void SetRunMotors(int motorsOn, int speedValueLeft, int speedValueRight)  
   {  
     this.SetOutputValue(speedValueLeft, speedValueRight);  
     this.RegisterWrite(motorsOn);  
   }  
   private void SetOutputValue(int speedValueLeft, int speedValueRight)  
   {  
     this._outputM1.Duration = this.GetLimitValue(speedValueLeft);  
     this._outputM2.Duration = this.GetLimitValue(speedValueLeft);  
     this._outputM3.Duration = this.GetLimitValue(speedValueRight);  
     this._outputM4.Duration = this.GetLimitValue(speedValueRight);  
   }  
   private uint GetLimitValue(int durationValue)  
   {  
     if(durationValue > 1000)  
     {  
       durationValue = 1000;  
     }  
     if(durationValue < 0)  
     {  
       durationValue = 0;  
     }  
     return 1000 + (uint)durationValue;  
   }  
   private void RegisterWrite(int motors)  
   {  
     this._latch.Write(false);  
     for (int bit = 0; bit < 8; bit++)  
     {  
       int target = motors & 0x80;  
       motors = motors << 1;  
       this._data.Write(target == 128);  
       this._clock.Write(true);  
       this.SleepWhile(5);  
       this._clock.Write(false);  
     }  
     this._latch.Write(true);  
   }  
   private void SleepWhile(int count)  
   {  
     for (int i = 0; i < count; i++) { }  
   }  
 }  

Unschönes

Die Methode "SleepWhile(int count)" ist eher Unschön, reicht aber hierfür aus, um den ShiftRegister richtig anzusteuern. Bisher traten mit der Einfachen Lösung keine Schwierigkeiten auf.

Fernsteuerung

Mit dem WLAN auf dem Netduino lässt sich schnell auch eine Fernsteuerung dazu bauen. Im nächsten Post werde ich darauf eingehen, wie man mit dem Netduino eine einfache Netzwerk Verbindung herstellt.

Github - ExampleDotNetRoverMotorDriver