在前一篇[IoT] 在樹莓派中，使用C#驅動步進馬達中，說明了如何透過C#驅動步進馬達
在本篇文章，會說明如何驅動伺服馬達
要驅動伺服馬達的方式有兩種，一種是透過GPIO發送訊息的頻率，進行伺服馬達轉動的動作，另一種則是直接發送轉動的角度定位至GPIO，讓伺服馬達作旋轉，兩種方式的寫法不一樣，硬體的環境設定也不一樣
這裡會針對兩種方式都作說明
這篇文章所用的伺服馬達是MG90S，而在線路的配置上，連接馬達的線路
紅色：輸入電壓
棕色：接地
橘色：訊號輸入
所以硬體的接線上，我們把輸入電壓接在Pin2(5v)，接地接在Pin6(GND)，訊號輸入接在Pin12(GPIO 18)
硬體這樣接就算完成了，如果擔心電流或是電壓爆衝的問題，可以加上一個電容作緩衝
接著，我們把Visual Studio打開，並在專案中加入一個類別庫，ServoMotor.cs
將下面的程式碼放入至ServoMotor.cs的類別庫中
using Windows.Devices.Gpio;
using Windows.System.Threading;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
using Windows.Foundation;
public class ServoMotor
{
public GpioPin pin;
public GpioPinValue pinValue;
private IAsyncAction workItemThread;
public GpioController gpio;
public ServoMotor(int servoPin)
{
gpio = GpioController.GetDefault();
pin = gpio.OpenPin(servoPin);
pinValue = GpioPinValue.High;
pin.Write(pinValue);
pin.SetDriveMode(GpioPinDriveMode.Output);
}
public void PWM_R(int intAngle)
{
var stopwatch = Stopwatch.StartNew();
intAngle = (intAngle * 300 / 90);
workItemThread = Windows.System.Threading.ThreadPool.RunAsync(
(source) =>
{
// setup, ensure pins initialized
ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);
mre.WaitOne(1000);
ulong pulseTicks = ((ulong)(Stopwatch.Frequency) / 1000) * 2;
ulong delta;
var startTime = stopwatch.ElapsedMilliseconds;
while (stopwatch.ElapsedMilliseconds - startTime <= intAngle)
{
pin.Write(GpioPinValue.High);
ulong starttick = (ulong)(stopwatch.ElapsedTicks);
while (true)
{
delta = (ulong)(stopwatch.ElapsedTicks) - starttick;
if (delta > pulseTicks) break;
}
pin.Write(GpioPinValue.Low);
starttick = (ulong)(stopwatch.ElapsedTicks);
while (true)
{
delta = (ulong)(stopwatch.ElapsedTicks) - starttick;
if (delta > pulseTicks * 10) break;
}
}
}, WorkItemPriority.High);
}
public void PWM_L(int intAngle)
{
intAngle = (intAngle * 300 / 90);
var stopwatch = Stopwatch.StartNew();
workItemThread = Windows.System.Threading.ThreadPool.RunAsync(
(source) =>
{
// setup, ensure pins initialized
ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);
mre.WaitOne(1000);
ulong pulseTicks = ((ulong)(Stopwatch.Frequency) / 1000) * 2;
ulong delta;
var startTime = stopwatch.ElapsedMilliseconds;
while (stopwatch.ElapsedMilliseconds - startTime <= intAngle)
{
pin.Write(GpioPinValue.High);
ulong starttick = (ulong)(stopwatch.ElapsedTicks);
while (true)
{
delta = starttick - (ulong)(stopwatch.ElapsedTicks);
if (delta > pulseTicks) break;
}
pin.Write(GpioPinValue.Low);
starttick = (ulong)(stopwatch.ElapsedTicks);
while (true)
{
delta = (ulong)(stopwatch.ElapsedTicks) - starttick;
if (delta > pulseTicks * 10) break;
}
}
}, WorkItemPriority.High);
}
}
這段程式碼，主要是在呼叫順時鐘旋轉與逆時鐘旋轉的方法，並在初始化ServoMotor的時候，傳入發送訊號的GPIO Pin腳
接著在MainPage.xaml裡，加上下面的程式碼
<TextBlock x:Name="txtServoMotor" HorizontalAlignment="Left" Margin="3,16,0,0" TextWrapping="Wrap" Text="ServoMotor" VerticalAlignment="Top"/>
<Button x:Name="btnReverse" Content="Reverse" HorizontalAlignment="Left" Margin="136,10,0,0" VerticalAlignment="Top" Click="btnReverse_Click"/>
<TextBox x:Name="txtAngle" HorizontalAlignment="Left" Margin="212,10,0,0" TextWrapping="Wrap" Text="90" VerticalAlignment="Top"/>
<Button x:Name="btnFoward" Content="Foward" HorizontalAlignment="Left" Margin="281,10,0,0" VerticalAlignment="Top" Click="btnFoward_Click"/>
<Button x:Name="btnStop" Content="Reset" HorizontalAlignment="Left" Margin="212,47,0,0" VerticalAlignment="Top" Click="btnStop_Click" Width="64"/>
這段內容主要是在畫面上放入旋轉角度、順時鐘旋轉以及逆時鐘旋轉的按鈕，放完後會出現下面的畫面
接下來再將下面的程式碼放入至MainPage.xaml.cs之中
ServoMotor objServo = null;
public MainPage()
{
this.InitializeComponent();
objServo = new ServoMotor(18);
}
private void btnReverse_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
objServo.PWM_R(int.Parse(txtAngle.Text));
}
private void btnFoward_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
objServo.PWM_L(int.Parse(txtAngle.Text));
}
程式碼的動作很簡單，就是在初始化的時候指定GPIO的腳位以及在旋轉的時候指定旋轉角度而已
接著將寫好的程式碼佈署到樹莓派中
執行剛佈署好的程式
透過遠端桌面，看到可以轉動伺服馬達的按鈕，這時已經可以實際進行伺服馬達旋轉的動作了
執行的結果如下
文章一開始有提到，要驅動伺服馬達有兩種方式，上面提到的是透過送出訊號的頻率，讓伺服馬達作旋轉的動作，第二種方式是直接輸出旋轉的角度定位讓伺服馬達旋轉。
要用這種方式的話，需要作一些硬體設定的變更，首先先連進樹莓派的管理畫面，並點入到[Devices]的畫面中
在[Devices]的設定中，將[Default Controller Driver]的下拉選單中，將Driver變更為[Direct Memory Mapped Driver]模式，並按[Update Driver]，重新啟動樹霉派
然後回到Visual Studio裡，加入一個ServoMotorAngle.cs的類別庫檔案
將下面的程式碼，加入至ServoMotorAngle.cs的類別庫檔案之中
using Windows.Devices;
using Windows.Devices.Pwm;
using Microsoft.IoT.Lightning.Providers;
public class ServoMotorAngle : IDisposable
{
public ServoMotorAngle(int servoPin)
{
if (LightningProvider.IsLightningEnabled)
{
LowLevelDevicesController.DefaultProvider = LightningProvider.GetAggregateProvider();
}
ServoPin = servoPin;
}
public int Frequency { get; set; } = 50;
public double MaximumDutyCycle { get; set; } = 0.1;
public double MinimumDutyCycle { get; set; } = 0.05;
public int ServoPin { get; set; }
public int SignalDuration { get; set; }
private PwmPin ServoGpioPin { get; set; }
public async Task Connect()
{
var pwmControllers = await PwmController.GetControllersAsync(LightningPwmProvider.GetPwmProvider());
if (pwmControllers != null)
{
var pwmController = pwmControllers[1];
pwmController.SetDesiredFrequency(Frequency);
ServoGpioPin = pwmController.OpenPin(ServoPin);
}
}
public void Dispose()
{
ServoGpioPin?.Stop();
}
public void Go()
{
ServoGpioPin.Start();
Task.Delay(SignalDuration).Wait();
ServoGpioPin.Stop();
}
public void SetPosition(int degree)
{
ServoGpioPin?.Stop();
var pulseWidthPerDegree = (MaximumDutyCycle - MinimumDutyCycle) / 180;
var dutyCycle = MinimumDutyCycle + pulseWidthPerDegree * degree;
ServoGpioPin.SetActiveDutyCyclePercentage(dutyCycle);
}
public void AllowTimeToMove(int pauseInMs)
{
this.SignalDuration = pauseInMs;
}
}
這段程式碼，主要目的就是當呼叫SetPosition時，可以傳入要定位的角度，並在執行Go之後進行旋轉
接著打開類別庫專案的Nuget套件管理員，加入[Microsoft.IoT.Lightning]套件的參考
接下來打開UWP的專案，使用XML編輯器點開[Package.appxmanifest]，將下面的內容作一些修改，首先是在最上方的部份，讓內容變成這樣
<Package
xmlns="http://schemas.microsoft.com/appx/manifest/foundation/windows10"
xmlns:mp="http://schemas.microsoft.com/appx/2014/phone/manifest"
xmlns:uap="http://schemas.microsoft.com/appx/manifest/uap/windows10"
xmlns:iot="http://schemas.microsoft.com/appx/manifest/iot/windows10" <!-- 加上這一行 -->
IgnorableNamespaces="uap mp iot">
在最下方的內容，更改為這樣
<Capabilities>
<Capability Name="internetClient" />
<!-- 加上下面這兩行 -->
<iot:Capability Name="lowLevelDevices" />
<DeviceCapability Name="109b86ad-f53d-4b76-aa5f-821e2ddf2141" />
</Capabilities>
打開MainPage.xaml的畫面，切換到原始碼內容的部份，變更最上方的部份內容
<Page
x:Class="maduka_RaspberryPi.App.MainPage"
xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
xmlns:local="using:maduka_RaspberryPi.App"
xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
xmlns:iot="http://schemas.microsoft.com/appx/manifest/iot/windows10" <!-- 加上這一段 -->
mc:Ignorable="d">
點開UWP專案，並點選右鍵選擇[參考]，接著點選[加入參考]，在參考項目中，選擇[Universal Windows] => [擴充功能]，並將[Windows IoT Extensions for the UWP]打勾，加入至UWP專案的參考之中
接著把下面的控制項放入到畫面裡
<TextBlock x:Name="txtServoMotorAngle" HorizontalAlignment="Left" Margin="3,200,0,0" TextWrapping="Wrap" Text="ServoMotorAngle" VerticalAlignment="Top"/>
<Button x:Name="btnReverseAngle" Content="0" HorizontalAlignment="Left" Margin="136,200,0,0" VerticalAlignment="Top" Click="btn0Angle_Click"/>
<Button x:Name="btnFowardAngle" Content="90" HorizontalAlignment="Left" Margin="212,200,0,0" VerticalAlignment="Top" Click="btn90Angle_Click"/>
<Button x:Name="btnStopAngle" Content="180" HorizontalAlignment="Left" Margin="282,200,0,0" VerticalAlignment="Top" Click="btn180Angle_Click"/>
可以看到畫面加上了一個文字方塊與三個按鈕
這三個按鈕代表，當按下按鈕的動作時，會直接將伺服馬達轉到指定的角度上
最後，將下面的程式碼放入到MainPage.xaml.cs裡
private async void btn0Angle_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
using (var servo = new ServoMotorAngle(18))
{
await servo.Connect();
servo.SetPosition(0);
servo.AllowTimeToMove(1000);
servo.Go();
}
}
private async void btn90Angle_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
// 讓馬達回到正中央,90度的地方
using (var servo = new ServoMotorAngle(18))
{
await servo.Connect();
servo.SetPosition(90);
servo.AllowTimeToMove(1000);
servo.Go();
}
}
private async void btn180Angle_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
using (var servo = new ServoMotorAngle(18))
{
await servo.Connect();
servo.SetPosition(180);
servo.AllowTimeToMove(1000);
servo.Go();
}
}
這樣就完成了直接指定伺服馬達轉動角度的功能了
切換至 [Direct Memory Mapped Driver] 模式後，也無法單純透過GPIO的高低訊號差作訊號的輸出，只能指定輸出訊號的相位模式
所以選擇要使用哪一種模式，也要看其他腳位的應用，再進行決定
參考資料
https://engineering.tamu.edu/media/4247823/ds-servo-mg90s.pdf
Any Servo Library for Raspberry Pi 2
A servo library in C# for Raspberry Pi 3 – Part #1, implementing PWM
aspberry Pi software PWM Servo Windows IoT C#
Windows 10 IoT Core - Controlling Servo Motor
