STM32 PWM DSHOT驱动

HAL,DSHOT1200

Updated on August 20, 2021 Posted by elmagnifico on June 3, 2020

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最近要用DSHOT,然后就发现一堆问题,首先是DSHOT没有那种特别详细的介绍手册,基本全靠几个帖子和博客的内容,剩下的就是代码里内容,很多地方也没说清楚到底怎么弄。

DSHOT历史

首先随着时间的发展,DSHOT也越来越强了,目前来看应该是最强ESC协议了

平常ESC多数用的都是PWM,但是传统PWM也有问题,比如50HZ,那很明显,我控制频率可以达到400HZ的话,实际输出的控制信号却只有50HZ,那相当于剩下的频率都浪费了,对于反馈而言也不及时,所以这给整个控制系统带来了极大的延迟,首先是把pwm的频率提升到和控制输出频率相同的程度,那么就可以和控制信号兼容了,当然那会pwm基本已经可以输出400HZ,甚至更高。但是除了四轴,还有其他的各种模型可能也需要更高的输出频率,那么这个时候PWM就不够了。

后来就有了Oneshot,Multishot等等,不过最开始的是DSHOT150,然后DSHOT300,DSHOT600,现在的DSHOT1200。在这之前最强的应该是Multishot,当然对应协议的提升,也要求电调的控制板更强,从之前的8位,16位,到现在的32位单片机,并且时钟频率也从8Mhz,一直提升到了现在的48Mhz,72Mhz甚至更高。

SMMS

这些都是老图了,可以看到DSHOT600已经非常接近Multishot了,而DSHOT1200直接碾压

DSHOT将模拟信息作为数字信号来处理,自然就让电调也进一步,平常电调都需要校准油门行程,而DSHOT理论上可以不需要每次重新校准油门行程(实际上DSHOT也需要校准的,不过那不是我们做的)

DSHOT评价

简单说,好处是抗干扰,不用校准,随时切换正反转,可以拿到电调反馈信息,半有感,响应快,延迟低。

不方便的地方:对于主控的要求高,可能要多一根线,电调成本增高(需要增加电流相关芯片)

DSHOT协议

DSHOT协议本身将原本的模拟信号转变成了数字信号,并且加入了校验位,其单loop时间足够快,分辨率高,有校验,同时还有telemetry作为反馈。

DSHOT本身一个完整控制帧,是16bits,其中11bits用来表示油门,1bit表示telemetry,4bits表示crc校验

bit 0-11bits 1bit 4bits
表示范围 0-2047 0-1 0-15

油门的0,用于电调解锁,1-47是给telemetry用的,而从48到2047则是对应真实的油门1-2000,这样油门就有2000的分辨率,大部分情况下应该说够用了。

然后后面的4bits crc校验可以防止给出错误帧导致电调给出错误的控制信号(实际电调内部还有一个根据输入PID电机输出的东西)

SMMS

既然是数字信号,那么对于0和1的定义就是必须要有的,其实这里0和1是按照占空比来区分的。75%左右的占空比就是1,37.5%左右的占空比就是0.

如下图所示。

SMMS

这样原本的模拟信号就组测了一个个数字bit,从而形成一个完整信号帧,这里的75%要求不是很严格,稍微多一些少一些都能正常识别

SMMS

而有了上面的基础协议以后,DSHOT剩下的就是规定实际每个bit的时间 ,就可以决定输出的频率等信息了。

模式 比特率 输出频率 单bit时间 1的高电平时间 0的高电平时间
Dshot 150 150 Kbit/s 4.05 kHz 6.67 µs 5.00 µs 2.50 µs
Dshot 300 300 Kbit/s 8.09 kHz 3.33 µs 2.50 µs 1.25 µs
Dshot 600 600 Kbit/s 16.0 kHz 1.67 µs 1.25 µs 0.625 µs
Dshot 1200 1200 Kbit/s 32.0 kHz 0.83 µs 0.625 µs 0.313 µs

(这里的输出频率仅供参考,实际可能比这个略高或者略低都可以正常工作)

这个图里的单bit时间和0,1的表示都是按照,1,0.75,0.375来表示的,而理论频率其实可以根据bit时间来反算,比如Dshot 600时,实际输出一个loop需要80/3 us,可以得到理论频率大概是37.5khz,这个频率就已经非常高了,但是实际上并不可以。实际使用的时候,每帧之间需要一个间隔时间,用来区分2帧。而DSHOT600,官方没有给明确的时间,多数人都是从某个帖子里看到的要给的时间是2us左右。

这里我说明一下,实际并不是2us,应该是3个bit时间,取决于使用的模式,DSHOT1200可能需要更多一点4bit时间,这个都是我实际测试的结果(有可能受到电调和电机的实际情况影响,需要自行测试)。多个开源飞控里的我看到都是至少3bit时间,如果少于3bit时间,输出相同的油门,可以看到电机明显的顿挫,而时间给够以后明显流畅了。实际输出的频率自然也会随着这3bit降低,大概就变成了31.5khz,我实测是ok的。

CRC

既然这里有CRC,然后无论哪里都不具体说用的是啥CRC,下面是实际4位crc的算法,packet中是只有油门的,没有telemetry,可能需要根据情况设置telemetry

uint16_t add_checksum_and_telemetry(uint16_t packet) {
    uint16_t packet_telemetry = (packet << 1) | 0;
    uint8_t i;
    int csum = 0;
    int csum_data = packet_telemetry;

    for (i = 0; i < 3; i++) {
        csum ^=  csum_data;   // xor data by nibbles
        csum_data >>= 4;
    }
    csum &= 0xf;
    packet_telemetry = (packet_telemetry << 4) | csum;

    return packet_telemetry;    //append checksum
}

解锁

一般支持DSHOT的都是BLH的电调了,然后DSHOT解锁比较特殊,和平常的PWM直接给输出就转不一样。

DSHOT必须先给0,然后逐渐拉高,拉到最大2047,然后再拉回最低0,这样才能解锁,然后给油才会正常转,否则直接给油门电机是不会转的

当然也可以通过,给0油门3秒,然后给2047油门1秒,然后再给0油门3秒,就正常解锁了。

平常的PWM是必须先给0解锁,保持一会就可以随意加油门了,DHSOT这里是结合了BLH中的油门校准,每次启动都要这么来一下(切换了输出协议也要这样来一下,比如PWM切换到DSHOT或者OneSHOT切换到DSHOT)

telemetry

有一些电调支持返回当前电调和电机的信息,比如温度、电压、电流、累计电流总量、转速等信息。

相当于是在没有编码器的情况,让这个电机成为半有感电机了,由于这些信息本质上是来自于电调,所以有可能是不准确的,甚至发生短路或者某些特定异常的时候电调不一定能检测出来。

要使用telmetry,还需要电调支持一个输出接口,这个接口也使用相同的dshot协议进行数据传输。只有在输出的dshot里只为了telemetry,才会有信息返回。

同时电调的设置里也要开启回应telmetry才行

image-20210820181808186

有了这些基础,DSHOT基本就可以正常工作了

STM32 HAL DMA PWM 输出bug

实际使用DSHOT的时候就会发现一点小问题,由于DSHOT可以输出的频率非常高,而要每时每刻去变timer中的ccr显然不能单线程死循环跑,太影响性能了。这里就要用DMA来实现自动喂CCR寄存器。

这里做设计就要注意一下,ST的DMA是有限的,并且有的通道可能只有一个选择,不能切到其他DMA或者换通道,而且DMA是一对一的,不能相同通道相同流同时使用,这就要提前规避,不然最后DSHOT输出不了。

DMA timer的例程,官方就有好多个,但是都是单通道输出,如果只是单通道肯定也没啥问题,但我这里要用的是4通道,并且是用HAL库的函数来做的,然后我就发现貌似同一时刻只有一个通道工作

这个是普通PWM开始输出的函数,可以看到没啥大问题

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_TIM_CCX_INSTANCE(htim->Instance, Channel));

  /* Enable the Capture compare channel */
  TIM_CCxChannelCmd(htim->Instance, Channel, TIM_CCx_ENABLE);
  
  if(IS_TIM_ADVANCED_INSTANCE(htim->Instance) != RESET)  
  {
    /* Enable the main output */
    __HAL_TIM_MOE_ENABLE(htim);
  }
    
  /* Enable the Peripheral */
  __HAL_TIM_ENABLE(htim);
  
  /* Return function status */
  return HAL_OK;
} 

这里是对应的DMA的PWM输出方式,可以看到DMA PWM开始工作的要求是timer必须是ready状态的,而实际上只要开了一个通道,就会导致他将timer状态修改成busy,然后其他通道全都用不了。

无论DMA输出模式是normal还是circle模式,都会被这个busy给强制退出

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Start_DMA(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel, uint32_t *pData, uint16_t Length)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_TIM_CCX_INSTANCE(htim->Instance, Channel));
  
  if((htim->State == HAL_TIM_STATE_BUSY))
  {
     return HAL_BUSY;
  }
  else if((htim->State == HAL_TIM_STATE_READY))
  {
    if(((uint32_t)pData == 0 ) && (Length > 0)) 
    {
      return HAL_ERROR;                                    
    }
    else
    {
      /*
       * DMA work in circle mode
       * there is a bug that PWM start DMA will lock the timer
       * just one channel work other blocked
       * you could remove the code or add a state at the end
       * so here i add a HAL_TIM_STATE_READY state at the end
       * */
      htim->State = HAL_TIM_STATE_BUSY;
    }
  }    
  switch (Channel)
  {
    case TIM_CHANNEL_1:
    {      
      /* Set the DMA Period elapsed callback */
      htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC1]->XferCpltCallback = HAL_TIM_DMADelayPulseCplt;
     
      /* Set the DMA error callback */
      htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC1]->XferErrorCallback = HAL_TIM_DMAError ;
      
      /* Enable the DMA Stream */
      HAL_DMA_Start_IT(htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC1], (uint32_t)pData, (uint32_t)&htim->Instance->CCR1, Length);
      
      /* Enable the TIM Capture/Compare 1 DMA request */
      __HAL_TIM_ENABLE_DMA(htim, TIM_DMA_CC1);
    }
    break;
    
    case TIM_CHANNEL_2:
    {
      /* Set the DMA Period elapsed callback */
      htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC2]->XferCpltCallback = HAL_TIM_DMADelayPulseCplt;
     
      /* Set the DMA error callback */
      htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC2]->XferErrorCallback = HAL_TIM_DMAError ;
      
      /* Enable the DMA Stream */
      HAL_DMA_Start_IT(htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC2], (uint32_t)pData, (uint32_t)&htim->Instance->CCR2, Length);
      
      /* Enable the TIM Capture/Compare 2 DMA request */
      __HAL_TIM_ENABLE_DMA(htim, TIM_DMA_CC2);
    }
    break;
    
    case TIM_CHANNEL_3:
    {
      /* Set the DMA Period elapsed callback */
      htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC3]->XferCpltCallback = HAL_TIM_DMADelayPulseCplt;
     
      /* Set the DMA error callback */
      htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC3]->XferErrorCallback = HAL_TIM_DMAError ;
      
      /* Enable the DMA Stream */
      HAL_DMA_Start_IT(htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC3], (uint32_t)pData, (uint32_t)&htim->Instance->CCR3,Length);
      
      /* Enable the TIM Output Capture/Compare 3 request */
      __HAL_TIM_ENABLE_DMA(htim, TIM_DMA_CC3);
    }
    break;
    
    case TIM_CHANNEL_4:
    {
     /* Set the DMA Period elapsed callback */
      htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC4]->XferCpltCallback = HAL_TIM_DMADelayPulseCplt;
     
      /* Set the DMA error callback */
      htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC4]->XferErrorCallback = HAL_TIM_DMAError ;
      
      /* Enable the DMA Stream */
      HAL_DMA_Start_IT(htim->hdma[TIM_DMA_ID_CC4], (uint32_t)pData, (uint32_t)&htim->Instance->CCR4, Length);
      
      /* Enable the TIM Capture/Compare 4 DMA request */
      __HAL_TIM_ENABLE_DMA(htim, TIM_DMA_CC4);
    }
    break;
    
    default:
    break;
  }

  /* Enable the Capture compare channel */
  TIM_CCxChannelCmd(htim->Instance, Channel, TIM_CCx_ENABLE);
    
  if(IS_TIM_ADVANCED_INSTANCE(htim->Instance) != RESET)  
  {
    /* Enable the main output */
    __HAL_TIM_MOE_ENABLE(htim);
  }
  
  /* Enable the Peripheral */
  __HAL_TIM_ENABLE(htim); 

  /*
     * DMA work in circle mode
     * there is a bug that PWM start DMA will lock the timer
     * just one channel work other blocked
     * you could remove the code or add a state at the end
     * so here i add a HAL_TIM_STATE_READY state at the end
     * */
  htim->State = HAL_TIM_STATE_READY;

  /* Return function status */
  return HAL_OK;
}

这个busy状态直到DMA传输完成才会返回并且切换,这就导致这几路PWM无法同时输出

/**
  * @brief  TIM DMA Period Elapse complete callback. 
  * @param  hdma: pointer to a DMA_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified DMA module.
  * @retval None
  */
static void TIM_DMAPeriodElapsedCplt(DMA_HandleTypeDef *hdma)
{
  TIM_HandleTypeDef* htim = ( TIM_HandleTypeDef* )((DMA_HandleTypeDef* )hdma)->Parent;
  
  htim->State= HAL_TIM_STATE_READY;
  
  HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(htim);
}

基于这个原因,我就在前面的函数退出前直接加了一个htim->State = HAL_TIM_STATE_READY,强制让timer此时可以正常工作。

DMA PWM输出第一个bit bug

这里讨论的不再是DSHOT了,而是单纯这个DMA输出PWM,在启动的一瞬间会出现2个0的情况,这个情况目前我解不了,应该是DMA的bug。

我之前是想直接用DMA PWM来模拟一个串口,直接输出串口信号,实际上我成功了,可以正常被识别。

但是这里会遇到一个问题,就是DMA首次输出的时候会出错,我是用circle模式,如果是normal模式的话,每次调用start的时候都会出错。

正常串口协议是这样的:

SMMS

姑且不论后面的0-7位是0还是1,而我实际从示波器上看到的是这样的:

SMMS

也就是第一个起始位0,被输出了2个0,如果是circle模式,后面无论输出多少个0或者起始位,都不会再出现这个问题。

只要重新开启DMA或者重新激活PWM输出,那么输出的第一个bit就一定会出现这个问题。

正常来说输出0的时候,就是ccr为0,period的值如果为1000,然后输出就是0了,要避免第一bit出错,那么还有个办法,就是原本的0不用0,而是用1,这样识别起来还是0,虽然从示波器上会看到每个0前面有一个小毛刺,而如果要输出的是其他任何不为0的值,那么一定不会出错,只有第一次输出0的时候出错。

这个问题无论怎么调整DMA或者timer的极性或者其他设置都没用,只会让第一个出错的变成2个1或者2个0,肯定会出错,只要DMA一启动这个错误的bit就会出现。

DMA PWM输出切换延迟

我实际想要实现的是单线DMA PWM模拟串口输入和输出,输出没有大问题,但是模拟输入的时候就有明显问题了,从DMA PWM输出模式切换到普通IO的模式的过程花费的时间超过了52us,导致实际使用19200波特率的情况下,单线串口输入的时候,信号丢失了。

某种程度上说目前的HAL库还是太重型了,虽然带来了一部分好处,比如统一配置,统一回调,更多的东西变成了一种约定(类似于springboot),你知道你就能正常用,你不知道你就用的很奇怪。好处是HAL的代码至少写的比你健壮一些,但是坏处就是有很多冗余性的东西,导致了现在的性能问题,甚至有的HAL内部问题,如果不仔细看底层实现是发现不了的。

End

除了上面这个错以外,其实还有DMA帧错误,实际上帧错误是使用FIFO才会出现的,而FIFO是disable的,但是初始化以后还是默认开启了帧错误中断,这就是很多人明明没用FIFO但是却在DMA完成回调时看到了帧错误的错误回调,而这个问题貌似也已经好多年了都没修复,不知道为什么

而我看到了chibiOS等系统直接将板级资源重新定义,然后自己实现一个hal库,剩下的就是根据硬件去实现对应的hal库这种方式感觉更集中一些,在应用层屏蔽底层更完全一些,而且可以调用的系统资源也相对更完整一些。

Quote

https://www.youtube.com/watch?v=EQJgh-o-uHo

https://github.com/betaflight/betaflight/wiki/DSHOT-ESC-Protocol

https://dmrlawson.co.uk/index.php/2017/12/04/dshot-in-the-dark/

https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?2756129-Dshot-testing-a-new-digital-parallel-ESC-throttle-signal

https://blog.seidel-philipp.de/dshot-digital-esc-signal/

https://www.speedgoat.com/help/slrt/page/io_main/refentry_dshot_usage_notes

https://blck.mn/2016/11/dshot-the-new-kid-on-the-block/