PYNQからAXIバスのレジスタを触って、PWMを弄ってみた

PYNQのMMIOを使ってAXIバスのレジスタを変更してみました。

PWMのdutyを変えて、Lチカ・DCモータを制御しています。

プログラムからテスト動画含めて紹介します。

PYNQからAXIバスのレジスタを触って、PWMを弄ってみた
テスト環境
PYNQのMMIOモジュールからAXIのレジスタ変更
1. 実際のテストプログラム
PWMのdutyを変えて、Lチカ+オシロの波形
PWMのdutyを変えて、DCモータ+アーム動作
まとめ

PYNQからAXIバスのレジスタを触って、PWMを弄ってみた

PYNQのMMIOを使ってAXIバスのレジスタを変更してみました。

使用したFPGAボードはKV260です。

PWMのdutyを変えて、Lチカ・DCモータを制御しています。

プログラムからテスト動画含めて紹介します。

テスト環境

テスト環境は以下の通りです。FPGAのファイルは下記環境で作成しています。

Vivado, Vitis, PetaLinux…2023.1

使用評価ボードはKV260です。

自作のLED基板

LEDをテストした基板に関しては、下記記事で発注した旨を紹介しています。

プリント基板の発注を個人でやってみた(PCBGOGO編)

プリント基板の発注を個人でやってみた(PCBGOGO編)

PCBGOGOでプリント基板を個人発注をしてみました。 PCBGOGOは初めてで、新規のためクーポンが使えて格安で作れました。発注から入金、基板到着までの流れを紹介します。プリント基板の発注を個人でやってみた(PCBGOGO編) PCB...

回路図の基板データ・実装部品に関しては、下記リポジストリに詳細を残しています。

GitHub - iotengineer22/PCB-KV260-PMOD-TEST: PCB-KV260(KR260)-PMOD-INOUT

PCB-KV260(KR260)-PMOD-INOUT. Contribute to iotengineer22/PCB-KV260-PMOD-TEST development by creating an account on GitHu...

自作のモータドライバ基板

テストしたモータドライバ基板に関しては、PCBGOGOで基板作成したものです。

その際のブログ記事は下記です。

モータドライバの回路を自作してみる(DCモータ編)

モータドライバの回路を自作してみる(DCモータ編)

モータドライバの回路を自作して、基板作成しました。 ICはDRV8833です。2chのDCモータを正転・反転制御する基板です。回路図からアートワークまで作成した旨を紹介します。モータドライバの回路を自作してみる(DCモータ編) モータド...

回路図の基板データ・実装部品に関しては、下記リポジストリに詳細を残しています。

GitHub - iotengineer22/PCB-DRV8833-TEST: DRV8833-PCB-KiCad-DATA

DRV8833-PCB-KiCad-DATA. Contribute to iotengineer22/PCB-DRV8833-TEST development by creating an account on GitHub.

ICのDRV8833としては、2つのDCモータ・1つのステッピングモータを制御できます。

今回はDCモータでPWM制御を試してみました。

今回はDCモータで突入電流も大きく、USBの5V供給ではテスト動作が出来ませんでした。

そのため、外部バッテリの5Vをモータドライバの電源としています。

DCモータ+クランクボックス

DCモータとクランクボックス含めたアーム機構は下記TAMIYAのキットを使っています

タミヤ(TAMIYA) 楽しい工作シリーズ No.162 リモコンロボット製作セットタイヤタイプ (70162)

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下記コンテストで改造使用したものです。

AMD(Xilinx)のFPGAコンテストに参加した感想

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AMD(Xilinx)とHackster(Avnet)が合同主催する、海外のコンテストに参加していました。 AMD Pervasive AI Developer Contest の「Robotics AI」部門です。 KR260というFPG...

オシロスコープ

オシロスコープは下記で紹介しているRIGOLの趣味向けの4ch品を使用しています。

オシロスコープの使い方！初めての人向けに多くの測定事例を紹介

オシロスコープの使い方！初めての人向けに多くの測定事例を紹介

オシロスコープの使い方を一から紹介します。電源の入れ方からトリガーのかけ方までを写真・動画交えて分かりやすく説明します。初心者の方でも簡単にオシロを使った測定方法を学ぶことができます。

PYNQのMMIOモジュールからAXIのレジスタ変更

今回この記事を書いた理由はPYNQのMMIOモジュールをテストしたかったためです。

PYNQのMMIOを使うことで、AXIバスのレジスタを変更できます。

今回FPGAを合成する上でレジスタは把握できています。

今回使うIP(Timer)の公式ドキュメントは下記です。

https://docs.amd.com/v/u/en-US/pg079-axi-timer

下記のような形でプログラムしました。PWMのレジスタを変更しています。

from pynq import Overlay
from pynq import MMIO
from pynq.lib import AxiGPIO

ol = Overlay("/root/jupyter_notebooks/pynq-pwm/dpu.bit")

base_address_0 = 0xA0010000     # axi_timer_0
base_address_1 = 0xA0030000     # axi_timer_1
base_address_2 = 0xA0040000     # axi_timer_2
base_address_3 = 0xA0050000     # axi_timer_3
address_range = 0x10000         # axi_timer_*

mmio_0 = MMIO(base_address_0, address_range)
mmio_1 = MMIO(base_address_1, address_range)
mmio_2 = MMIO(base_address_2, address_range)
mmio_3 = MMIO(base_address_3, address_range)

register_offset_TSCR0 = 0x0     # Timer 0 Control and Status Register
register_offset_TSCR1 = 0x10    # Timer 1 Control and Status Register
register_offset_TLR0 = 0x4      # Timer 0 Load Register
register_offset_TLR1 = 0x14     # Timer 1 Load Register

value_to_write = 0b1010010110   #PWM, TCSR, UDT, Autoreload, timer

mmio_0.write(register_offset_TSCR0, value_to_write)
mmio_0.write(register_offset_TSCR1, value_to_write)

_period_ = 20000  # 50Hz, 20ms
_pulse_ = 30  # 0-100
period = int((_period_ & 0x0ffff) * 100)
pulse = int((_pulse_ & 0x07f) * period / 100)

mmio_0.write(register_offset_TLR0, period)
mmio_0.write(register_offset_TLR1, pulse)

from pynq import Overlay

from pynq import MMIO

from pynq.lib import AxiGPIO

ol = Overlay("/root/jupyter_notebooks/pynq-pwm/dpu.bit")

base_address_0 = 0xA0010000 # axi_timer_0

base_address_1 = 0xA0030000 # axi_timer_1

base_address_2 = 0xA0040000 # axi_timer_2

base_address_3 = 0xA0050000 # axi_timer_3

address_range = 0x10000 # axi_timer_*

mmio_0 = MMIO(base_address_0, address_range)

mmio_1 = MMIO(base_address_1, address_range)

mmio_2 = MMIO(base_address_2, address_range)

mmio_3 = MMIO(base_address_3, address_range)

register_offset_TSCR0 = 0x0 # Timer 0 Control and Status Register

register_offset_TSCR1 = 0x10 # Timer 1 Control and Status Register

register_offset_TLR0 = 0x4 # Timer 0 Load Register

register_offset_TLR1 = 0x14 # Timer 1 Load Register

value_to_write = 0b1010010110 #PWM, TCSR, UDT, Autoreload, timer

mmio_0.write(register_offset_TSCR0, value_to_write)

mmio_0.write(register_offset_TSCR1, value_to_write)

_period_ = 20000 # 50Hz, 20ms

_pulse_ = 30 # 0-100

period = int((_period_ & 0x0ffff) * 100)

pulse = int((_pulse_ & 0x07f) * period / 100)

mmio_0.write(register_offset_TLR0, period)

mmio_0.write(register_offset_TLR1, pulse)

以前にMMIOではなくオーバレイのdictから情報を読み取る方法でも対応しました。

下記コンテストでKR260で実施した内容です。

https://www.hackster.io/iotengineer22/control-pwm-dc-motor-from-pynq-and-kr260-bb0296

どちらが楽か確認してみたかったのも理由があります。

# utility functions for bit manipulation
def set_bit(value, bit):
    return value | (1 << bit)

def clear_bit(value, bit):
    return value & ~(1 << bit)

def get_bit(value, bit):
    return (value >> bit) & 1

motor_B2 = ol.axi_timer_0
motor_B1 = ol.axi_timer_1
motor_A2 = ol.axi_timer_2
motor_A1 = ol.axi_timer_3

# extract register addresses (will be the same for every Axi Timer)
TCSR0 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TCSR0']
TCSR1 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TCSR1']
TCSR0_address = TCSR0['address_offset']
TCSR1_address = TCSR1['address_offset']
TCSR0_register = TCSR0['fields'] # bit_offset for address
TCSR1_register = TCSR1['fields']
TLR0 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TLR0']
TLR1 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TLR1']
TLR0_address = TLR0['address_offset']
TLR1_address = TLR1['address_offset']

# create the configuration values for the control register
temp_val_0 = 0
temp_val_1 = 0

# The PWMA0 bit in TCSR0 and PWMB0 bit in TCSR1 must be set to 1 to enable PWM mode.
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['PWMA0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['PWMA1']['bit_offset'])

# The GenerateOut signals must be enabled in the TCSR (bit GENT set to 1). The PWM0
# signal is generated from the GenerateOut signals of Timer 0 and Timer 1, so these
# signals must be enabled in both timer/counters
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['GENT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['GENT1']['bit_offset'])

# The counter can be set to count up or down. UDT
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['UDT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['UDT1']['bit_offset'])

# set Autoreload (ARHT0 = 1)
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['ARHT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['ARHT1']['bit_offset'])

# enable timer (ENT0 = 1)
temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['ENT0']['bit_offset'])
temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['ENT1']['bit_offset'])

def set_motor_B_pwm(duty_cycle, direction):
    _period_ = 20000  # 50Hz, 20ms
    _pulse_ = duty_cycle  # 0-100
    period = int((_period_ & 0x0ffff) * 100)
    pulse = int((_pulse_ & 0x07f) * period / 100)

    motor_B1.write(TCSR0['address_offset'], temp_val_0)
    motor_B1.write(TCSR1['address_offset'], temp_val_1)
    motor_B1.write(TLR0['address_offset'], period)

    motor_B2.write(TCSR0['address_offset'], temp_val_0)
    motor_B2.write(TCSR1['address_offset'], temp_val_1)
    motor_B2.write(TLR0['address_offset'], period)

    # direction
    if direction == 'forward':
        motor_B1.write(TLR1['address_offset'], pulse)
        motor_B2.write(TLR1['address_offset'], 0)
    elif direction == 'reverse':
        motor_B1.write(TLR1['address_offset'], 0)
        motor_B2.write(TLR1['address_offset'], pulse)
    elif direction == 'coast':
        motor_B1.write(TLR1['address_offset'], 0)
        motor_B2.write(TLR1['address_offset'], 0)
    elif direction == 'break':
        motor_B1.write(TLR1['address_offset'], 100)
        motor_B2.write(TLR1['address_offset'], 100)   
    else:
        print("Invalid direction. Please use 'forward' or 'reverse'or 'coast' or 'break'.")

# utility functions for bit manipulation

def set_bit(value, bit):

return value | (1 << bit)

def clear_bit(value, bit):

return value & ~(1 << bit)

def get_bit(value, bit):

return (value >> bit) & 1

motor_B2 = ol.axi_timer_0

motor_B1 = ol.axi_timer_1

motor_A2 = ol.axi_timer_2

motor_A1 = ol.axi_timer_3

# extract register addresses (will be the same for every Axi Timer)

TCSR0 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TCSR0']

TCSR1 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TCSR1']

TCSR0_address = TCSR0['address_offset']

TCSR1_address = TCSR1['address_offset']

TCSR0_register = TCSR0['fields'] # bit_offset for address

TCSR1_register = TCSR1['fields']

TLR0 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TLR0']

TLR1 = ol.ip_dict['axi_timer_0']['registers']['TLR1']

TLR0_address = TLR0['address_offset']

TLR1_address = TLR1['address_offset']

# create the configuration values for the control register

temp_val_0 = 0

temp_val_1 = 0

# The PWMA0 bit in TCSR0 and PWMB0 bit in TCSR1 must be set to 1 to enable PWM mode.

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['PWMA0']['bit_offset'])

temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['PWMA1']['bit_offset'])

# The GenerateOut signals must be enabled in the TCSR (bit GENT set to 1). The PWM0

# signal is generated from the GenerateOut signals of Timer 0 and Timer 1, so these

# signals must be enabled in both timer/counters

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['GENT0']['bit_offset'])

temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['GENT1']['bit_offset'])

# The counter can be set to count up or down. UDT

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['UDT0']['bit_offset'])

temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['UDT1']['bit_offset'])

# set Autoreload (ARHT0 = 1)

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['ARHT0']['bit_offset'])

temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['ARHT1']['bit_offset'])

# enable timer (ENT0 = 1)

temp_val_0 = set_bit(temp_val_0, TCSR0_register['ENT0']['bit_offset'])

temp_val_1 = set_bit(temp_val_1, TCSR1_register['ENT1']['bit_offset'])

def set_motor_B_pwm(duty_cycle, direction):

_period_ = 20000 # 50Hz, 20ms

_pulse_ = duty_cycle # 0-100

period = int((_period_ & 0x0ffff) * 100)

pulse = int((_pulse_ & 0x07f) * period / 100)

motor_B1.write(TCSR0['address_offset'], temp_val_0)

motor_B1.write(TCSR1['address_offset'], temp_val_1)

motor_B1.write(TLR0['address_offset'], period)

motor_B2.write(TCSR0['address_offset'], temp_val_0)

motor_B2.write(TCSR1['address_offset'], temp_val_1)

motor_B2.write(TLR0['address_offset'], period)

# direction

if direction == 'forward':

motor_B1.write(TLR1['address_offset'], pulse)

motor_B2.write(TLR1['address_offset'], 0)

elif direction == 'reverse':

motor_B1.write(TLR1['address_offset'], 0)

motor_B2.write(TLR1['address_offset'], pulse)

elif direction == 'coast':

motor_B1.write(TLR1['address_offset'], 0)

motor_B2.write(TLR1['address_offset'], 0)

elif direction == 'break':

motor_B1.write(TLR1['address_offset'], 100)

motor_B2.write(TLR1['address_offset'], 100)

else:

print("Invalid direction. Please use 'forward' or 'reverse'or 'coast' or 'break'.")

両方試した感想としては、下記イメージでいます。

しっかりレジスタ把握しているならば前者
雑に把握しているIPから、楽にデータ取得したいなら後者

実際のテストプログラム

実際にKV260で試したプログラムは下記GitHubに置いています。

kv260-ubuntu-test/jupyter_notebooks/pynq-pwm at main · iotengineer22/kv260-ubuntu-test

This repository present solution for my KV260 Ubuntu test - iotengineer22/kv260-ubuntu-test

もしKV260で同様に試したい場合は、下記のようにjupyter_notebooksのフォルダにコピーします。

sudo su
cd $PYNQ_JUPYTER_NOTEBOOKS
cd jupyter_notebooks
cp -rf /home/ubuntu/kv260-ubuntu-test/jupyter_notebooks/pynq-pwm/ ./

sudo su

cd $PYNQ_JUPYTER_NOTEBOOKS

cd jupyter_notebooks

cp -rf /home/ubuntu/kv260-ubuntu-test/jupyter_notebooks/pynq-pwm/ ./

PWMのdutyを変えて、Lチカ+オシロの波形

KV260とオシロスコープを使って、PYNQからPWMのdutyを変える様子を確認します。

テスト動画は下記です。

既にjupyter notebookのプログラムは用意しています。

FPGAの.bitファイルをオーバレイしてプログラムを実行していきます。

MMIOモジュール経由でレジスタ設定をしています。

最初は10%のPWM駆動をしています。LED光量も小さいです。

波形も殆どがLowで、僅かにしかHighになっていないことが分かります。

次にPWMを50%に修正してみます。LED光量も大きくなりました。

波形もLowとHighが50%-50%になっています。

最後にPWMを90%にしてみます。LEDも相当光るようになりました。

波形も殆どがHighとなっています。

PWMのdutyを変えて、DCモータ+アーム動作

KV260とDCモータを使って、PYNQからPWMのdutyを変える様子を確認します。

テスト動画は下記です。

最初に90%のPWMでDCモータ+アーム動作を確認しました。スムーズに動作します。

PWMを50%にしても、アーム動作しますが動きが遅くなります。

PWM10%だとパワーが足りず、モータとアームは回転できませんでした。

PWM30%だと何とか回ったという形になります。

まとめ

PYNQのMMIOを使ってAXIバスのレジスタを変更してみました。

PWMのdutyを変えて、Lチカ・DCモータを制御できています。

よろしければ、皆様もLチカやDCモータをPWMで遊んでみてください。

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