1.背景
2.硬件及连接
2.1硬件
ART-Pi、TMC2209模块、DC12V电源。
2.2接口连接
TMC2009模块的接口连接如下：
3.原理介绍
3.1 TMC2209模块介绍
TMC2209是TRIAMINIC推出的一款步进电机驱动模块。驱动模块静音且高精度，可以实现高达1/256步细分控制，实现更平滑静音的步进电机控制。模块内嵌12.5 MHz的内部振荡器，简单串行数据传输的UART。性价比较高的步进电机驱动模块。
3.2 TMC2209规格
工作电压：5.5 – 38V
最大内部时钟频率：12.5 MHz
每相最大电流：2 A
峰值输出电流：2.8A
逻辑工作电压：3/5V
3.3 TMC2209针脚定义
3.4 微步细分配置
1）硬件细分配置
TMC2209模块提供了硬件微步配置，通过MS1和MS2可以实现1/8、1/16、1/32、1/64的细分控制，具体如下：
2）软件细分配置
如果想实现更高的细分控制，则需要通过UART口进行配置，具体如下：
a）首先说一下硬件接口，当使用UART接口时，MS1和MS2作为地址配置，可以同时挂载4个tmc2209（地址分别为：0~3），就用一个时可以悬空，因为内部已下拉；
b) 我这个TMC2209模块的PDN_UART应该是“PDN”引脚，“USART”引脚是悬空的,电路板上预留的0欧电阻可以分别接向两个引脚，实际一个没焊（被误导了，我说怎测都不行呢）；
c) DIR和STEP可以通过UART来控制，也可以通过IO控制，我这里仅用UART来实现微步设置，其他没测；
d）这里用art-pi的USART1，PA9和PA10接PDN管脚，PA9串联1K电阻；
e）报文格式，参照芯片手册：
CRC校验码，可以直接使用手册里的代码即可
剩下的就是寄存器的数据配置了，这里用到了GENERAL CONFIGURATION REGISTER（0x00）使能内部细分配置，CHOPCON（0x6C）进行微步设置。
4.程序代码
4.1 TMC2209初始化
1//微步设置
2void micro_step_set(rt_uint8_t step)
3{
4#ifdef USING_UART
5 rt_uint8_t chopconf[4] = {0};
6 switch (step) {
7 case 256:
8 chopconf[3] = 0x10;
9 break;
10 case 128:
11 chopconf[3] = 0x11;
12 break;
13 case 64:
14 chopconf[3] = 0x12;
15 break;
16 case 32:
17 chopconf[3] = 0x13;
18 break;
19 case 16:
20 chopconf[3] = 0x14;
21 break;
22 case 8:
23 chopconf[3] = 0x15;
24 break;
25 case 4:
26 chopconf[3] = 0x16;
27 break;
28 case 2:
29 chopconf[3] = 0x17;
30 break;
31 case 0:
32 chopconf[3] = 0x18;
33 break;
34 default:
35 break;
36 }
37 chopconf[2] = 0x01;
38 chopconf[1] = 0x00;
39 chopconf[0] = 0x53;
40 tmc2209_uart_send(0x00, 0x6c, chopconf);
41#else
42 switch (step) {
43 case 8:
44 rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_LOW);
45 rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_LOW);
46 break;
47 case 16:
48 rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_HIGH);
49 rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_HIGH);
50 break;
51 case 32:
52 rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_HIGH);
53 rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_LOW);
54 break;
55 case 64:
56 rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_LOW);
57 rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_HIGH);
58 break;
59 default:
60 break;
61 }
62#endif
63}
64static int tmc2209_init(void)
65{
66 rt_thread_t tid;
67 rt_pin_mode(EN_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
68 rt_pin_write(EN_PIN, PIN_LOW);
69#ifdef USING_UART
70 rt_uint8_t general_conf[4] = {0x00};
71 if (my_uart_open("uart1", BAUD_RATE_115200) == RT_EOK)
72 {
73 tid = rt_thread_create("uart1_rx", uart1_rx_thread_entry, RT_NULL, 1024, 6, 10);
74 if (tid != RT_NULL)
75 rt_thread_startup(tid);
76 } //open uart1
77 general_conf[3] = 0x00;
78 general_conf[2] = 0x00;
79 general_conf[1] = 0x00;
80 general_conf[0] = 0x81;
81 tmc2209_uart_send(0x00, 0x00, general_conf);
82 rt_thread_mdelay(500);
83#else
84 rt_pin_mode(MS1_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
85 rt_pin_mode(MS2_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
86#endif
87 rt_pin_mode(STEP_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
88 rt_pin_mode(DIR_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
89 micro_step_set(MICRO_STEP);
90 rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);
91 hwtimer_init();
92 return 0;
93}
94INIT_APP_EXPORT(tmc2209_init);
4.2 PWM设置
这里采用了PWM（ART-Pi默认的PWM5通道1）来输出脉冲信号控制步进电机的转动速度，下面是使用函数：
1int pwm_set(rt_uint32_t fre, rt_uint8_t duty_cycle)
2{
3 rt_uint32_t period = 0;
4 rt_uint32_t pulse = 0;
5 pwm_dev = (struct rt_device_pwm *)rt_device_find(PWM_DEV_NAME);
6 if (pwm_dev == RT_NULL)
7 {
8 rt_kprintf("pwm sample run failed! can't find %s device!\n", PWM_DEV_NAME);
9 return RT_ERROR;
10 }
11 period = 1000000000 / fre;
12 pulse = period * duty_cycle / 100;
13 /* 设置PWM周期和脉冲宽度默认值 */
14 rt_pwm_set(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL, period, pulse);
15 /* 使能设备 */
16 rt_pwm_enable(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL);
17 return 0;
18}
4.3 定时器配置
这里采用硬件定时器（ART-Pi默认TIM13，PS：settings虽然可以直接配置，但是cubemx默认没配置TIM13，所以直接使用还是不行，需要cubemx配置后才能使用）来控制PWM输出指定的脉冲数量，通过计算步进电机转动的角度所需要的脉冲个数，以及转动速度计算的脉冲时间，计算出定时器的计时时间，超时后停止PWM输出，并禁止TMC2209（不禁止的话电机会发热）。
1#define HWTIMER_DEV_NAME "timer13" /* 定时器名称 */
2/* 定时器超时回调函数 */
3static rt_err_t timeout_cb(rt_device_t dev, rt_size_t size)
4{
5 rt_pwm_disable(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL);//停止PWM输出
6 rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);//禁止TMC2209
7 return 0;
8}
9int hwtimer_init(void)
10{
11 rt_err_t ret = RT_EOK;
12 rt_hwtimer_mode_t mode; /* 定时器模式 */
13 rt_uint32_t freq = 1000000; /* 计数频率 */
14 /* 查找定时器设备 */
15 hw_dev = rt_device_find(HWTIMER_DEV_NAME);
16 if (hw_dev == RT_NULL)
17 {
18 rt_kprintf("hwtimer sample run failed! can't find %s device!\n", HWTIMER_DEV_NAME);
19 return RT_ERROR;
20 }
21 /* 以读写方式打开设备 */
22 ret = rt_device_open(hw_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);
23 if (ret != RT_EOK)
24 {
25 rt_kprintf("open %s device failed!\n", HWTIMER_DEV_NAME);
26 return ret;
27 }
28 /* 设置超时回调函数 */
29 rt_device_set_rx_indicate(hw_dev, timeout_cb);
30 /* 设置计数频率(若未设置该项，默认为1Mhz 或 支持的最小计数频率) */
31 rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_FREQ_SET, &freq);
32 /* 设置模式为周期性定时器（若未设置，默认是HWTIMER_MODE_ONESHOT）*/
33 mode = HWTIMER_MODE_ONESHOT;
34 ret = rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_MODE_SET, &mode);
35 if (ret != RT_EOK)
36 {
37 rt_kprintf("set mode failed! ret is :%d\n", ret);
38 return ret;
39 }
40 return ret;
41}
42int hwtimer_start(rt_hwtimerval_t timeout)
43{
44 if (rt_device_write(hw_dev, 0, &timeout, sizeof(timeout)) != sizeof(timeout))
45 {
46 rt_kprintf("set timeout value failed\n");
47 return RT_ERROR;
48 }
49 return RT_EOK;
50}
4.4 步进电机控制
这里采用了两种方式来输出脉冲及数量，一种是通过延时和翻转DIR管脚电平实现，一种是通过定时器和PWM来实现。
1/*
2dir：电机转动方向，0 正转；1 反转
3speed：电机转动速度：0-300r/min，注意不同的电机最高转速不一样
4angle：电机转动角度：°
5*/
6void turn_control(rt_uint8_t dir, rt_uint16_t speed, float_t angle)
7{
8 rt_uint32_t pulse_num = 0;//脉冲数量
9 rt_uint16_t delay_time = 0;
10 rt_uint32_t pulse_fre = 0;//脉冲频率
11 rt_hwtimerval_t timeout_value;
12 float_t temp = 0.0;
13 temp = (angle / (360.0 / 200.0 / MICRO_STEP));
14 float_t t = 1000000 / ((360.0 / (360.0 / 200.0 / MICRO_STEP)) / 60.0 * speed);
15 pulse_num = temp;
16 delay_time = t / 2;
17 pulse_fre = 1000000 / t;
18 timeout_value.sec = 0;
19 timeout_value.usec = t * pulse_num;
20 //rt_kprintf("%d\n", pulse_num);
21 //rt_kprintf("%d\n", delay_time);
22 //rt_kprintf("%d\n", pulse_fre);
23 //rt_kprintf("%d\n", timeout_value.usec);
24 rt_pin_write(EN_PIN, PIN_LOW);
25 //设置电机转动方向
26 if(dir == 0)
27 rt_pin_write(DIR_PIN, PIN_HIGH);
28 if(dir == 1)
29 rt_pin_write(DIR_PIN, PIN_LOW);
30 pwm_set(pulse_fre, 50);//设置PWM频率并输出
31 hwtimer_start(timeout_value);//设置定时时间并启动定时器
32/* for (int i = 0; i < pulse_num; ++i) {
33 rt_pin_write(STEP_PIN, PIN_LOW);
34 //rt_thread_mdelay(speed);
35 rt_hw_us_delay(delay_time);
36 rt_pin_write(STEP_PIN, PIN_HIGH);
37 //rt_thread_mdelay(speed);
38 rt_hw_us_delay(delay_time);
39 }
40 rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);*/
41}
4.5 MSH控制台
这里把电机控制加入MSH指令，可以通过控制台来手动实现电机任意控制测试：
1static void step_motor_turn(int argc, char**argv)
2{
3 if (argc < 3)
4 {
5 rt_kprintf("Please input'step_motor_turn direction speed angle'\n");
6 return;
7 }
8 if (!rt_strcmp(argv[1], "forward"))
9 {
10 turn_control(0, atof(argv[2]), atof(argv[3]));
11 }
12 else if (!rt_strcmp(argv[1], "reverse"))
13 {
14 turn_control(1, atoi(argv[2]), atof(argv[3]));
15 }
16 else
17 {
18 rt_kprintf("Please input'step_motor_turn direction speed angle'\n");
19 }
20}
21MSH_CMD_EXPORT(step_motor_turn, step_motor_turn );
5.总结
电机的转动确实非常安静，完全听不到声音，在低速控制时转动也比较平滑，完全感受不到振动。性价比不错，有需要做步进电机控制的小伙伴可以参考使用。
附上TMC2209的源码文件（更新UART后的源码）tmc2209.c
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