像 Raspberry Pi 這樣的單板計算機 (SBC) 只需數小時就能輕松構建復雜的機器，而不必使用一顆裸微控制器從頭開始。 為了展示使用現代 SBC 有多簡單，此“Easy Build”課程將引導您完成構建直線平臺并進行編碼所需的步驟。這里的直線平臺是一個能夠以直線方向執行來回運動的，由系統工程師或研究人員用來完成重復性任務的平臺。

除了引導您完成這些步驟外，我們還將附上用于演示隨附視頻中直線平臺的代碼，以及幫助您啟動的項目物料清單。

為什么選擇直線平臺？

我們啟動此項目的初衷是，展示設定 Raspberry Pi 微型計算機來執行稍復雜的任務是如此容易。 盡管我們不會滿足于幾個閃光燈，但我們也不想嘗試并計算軌道力學。 最終我們決定控制步進電機致動的直線平臺。 畢竟，驅動步進電機正好介于閃爍的 LED 與計算三個天體的多體問題之間。

我們將項目分成三個部分：電子硬件、軟件和機械構造。

電子硬件

圖 1：顯示從 Raspberry Pi Model B 到限位開關的所有硬件元素的完整系統布局（左上角）。 （使用 Digi-Key Scheme-it 繪制的原理圖）

目前為止，這些內容還非常簡單、直接。 很顯然，除了 Raspberry Pi 2 (Rpi) 外，我們還需要步進電機、步進電機驅動器以及上述兩個器件的電源。 之后，我們確定了需要的輸入。 最后，我們確定了以下項目：

- 左移按鈕

- 右移按鈕

- 高/低速開關

- 左限位開關

- 右限位開關

我們將電路布置到 B&K Precision GS-830 試驗板上。 顧名思義，它擁有 830 個連接點以及一個總線條。

圖 2：如圖所示，滑動架擠靠在限位開關上，其中藍色盒子就是限位開關，且在絲杠下方還有一個柱塞。 （來源：Digi-Key Electronics）

輸入從左，還是從右，完全隨意。 我們只需對兩個相反方向命名。 請注意，該限位開關使用上拉電阻器接線為“正常高”。 我們這樣做是為了給這些輸入提供一些抗噪能力。 Raspberry Pi 具有驚人的靈敏度，我們發現，緊湊型熒光燈等外部噪聲源和繼電器線圈等電感器有時可以在 Pi 上觸發輸入。

對于步進電機，我們選擇了 NMB Technologies Corporation 的 23KM-K2（圖 3）。 我們使用的步進驅動器是 Geckodrive 的 G210X。 Geckodrive 比市場上許多廉價的非品牌驅動器要昂貴一些，但它們可以提供流暢、無故障的步進控制。 同樣，我們手頭已經有了一個這樣的步進驅動器。 大多數類似 G210x 這樣的廉價步進電機驅動器是通過 DIRECTION 引腳和 STEP 引腳來控制的。 這很適合簡單的項目：我們只需將這些引腳直接連接到 Rpi 上未使用的 GPIO 引腳即可。

圖 3：對于步進電機，我們選擇了 NMB Technologies Corp. 的 23KM-K2 標準混合電機。 （來源：NMB Technologies Corp.）

我們還將 Geckodrive 的 ENABLE 引腳接至 Rpi。 這樣做使得驅動器僅在程序運行時才“開啟”并向電機線圈供電。 否則，即使驅動器未收到執行任何操作的任何指令，驅動器仍會在我們向整個電路供電后立即將功率轉儲至電機。

將功率轉儲至電機線圈造成兩個結果。 首先，它會促使電機產生制動效果。 電機會主動抵制任何旋轉其軸的嘗試。 這在某些情況下是希望達到的效果；比如當您將滑動架移到某個點并且希望將其鎖定到位，使其不會被撞離位置。

第二個結果是我們希望避免的，即電機會在原地不斷升溫。 此電路在我們編輯和測試代碼的過程中一直保持通電狀態。 如果我們不停用驅動器，它會不斷向我們的電機轉儲功率。 步進電機通常都會變熱，但我們最好不要讓其在等待指令的過程中自行加熱。

圖 4：36 VDC XP Power SHP350 系列 36 V 開關式電源用于替換 24 V 電源為系統供電，以增加電機轉速。 （來源：XP Power）

最初，我們為電機連接 24 VDC 電源， 之后我們決定提高轉速，于是找到了 36 VDC 電源，即 XP Power 的 SHP350 單輸出、350 W AC-DC 電源。 這將在 24 V 電源的基礎上顯著提升電機轉速。

Gecko 驅動器會限制通過電機線圈的最大電流。 您可以在端子 11 和 12 之間使用電阻器來設置電流限制，也可以使用驅動器上的 DIP 開關。 順便提一下，同一組 DIP 開關還用于控制驅動器的微步進模式。 我們將在軟件部分對此做進一步討論。

軟件

軟件程序顯示在本頁面的底部。 此時我們決定選擇使用兩個程序：一個程序用于手動控制平臺；另一個程序負責讓直線平臺滑動架在限位開關之間來回穿梭。 所有代碼均使用 IDLE 3.2.1 以 Python 語言編寫。 我們之所以使用 Python，是因為它是 Rpi 的默認語言。 IDLE 是隨 Raspbian 一起提供的 Python 精簡版系統開發環境。

為什么使用 Python？ 不要讓新語言嚇住了您。 Python 與 C 非常相似，即使您不會編寫 Python 代碼，但只要熟悉 C，就幾乎肯定能夠閱讀和理解程序內容。

我們的手動控制程序要執行的操作幾乎一目了然，代碼也未作任何說明。 具體而言，電機加速的問題。 步進電機必須逐漸提高轉速。我知道，許多讀者會說，他們以前見過或控制過步進電機，電機轉速完全取決于向其輸入的脈沖頻率。 也許是這樣，但我敢打賭，這些情況下的電機負載肯定很小，甚至根本沒有任何負載。

而我們的直線平臺中的電機肯定帶有負載。 承載的步進電機必須達到一定的轉速，否則電機將會失速。 將脈沖輸入到其驅動器時，步進電機只會在原地斷續運轉。 這也是我們在軟件中置入加速程度的原因。 加速度需要足夠快，使觀察者不容易觀察到從靜止到最高轉速的過程，但不能太快以至于失速。

加速程序一開始很慢地旋轉電機（步進電機在低速下具有最高的扭矩），以向系統施加最大扭矩，從而克服慣性和“靜摩擦力”。 之后，此程序會快速縮短步進脈沖之間的時間，直至達到最高轉速。 扭矩會隨著轉速的提高而減小，但到此時，如果調節得當，系統中的機械阻力已被克服。

簡單地介紹一下“靜摩擦力”一詞的含義。 此術語的真正解釋遠遠超出了此項目分析的目的。 但我們可以采用類比的方法加深了解。 想象一下握住機器的旋鈕或手輪，并嘗試旋轉。 通常，在旋轉時必須克服一個初始阻力。 一旦克服這個阻力，旋轉旋鈕或手輪就會變得容易多了，現在需要的扭矩也要小得多。 在本文中，該初始阻力便是靜摩擦力。 這種現象在利用滑臺執行操作的機床（例如車床或銑床）中特別明顯。

我們的確注意到，Python 也有一個顯著的局限。 我們對為電機驅動器提供輸出的步進引腳進行切換的速度存在限制。 到某一點后，我們在 5 μs 步進脈沖之間加入的延遲不論多小都無關緊要，因為 Python 代碼中的命令執行之間存在固有的延遲。 我們沒有完全弄清這一問題的緣由，也不知道如何解決此問題。 最好的辦法是采取變通方案，這也是我們將電機驅動器設為 Full_Step 模式的原因。

如果使用任何類型的微步進，我們需要將最大脈沖率（取決于 Python 的具體情況）除以我們將驅動器切換到的微步數。

因此，對于半步進電機，需要將最高轉速除以二。 使用 1/10 微步進時，我們需要將最高轉速除以 10！ 如果您追求更流暢、波動較小的動作，微步進方式是不錯的選擇，但對此項目而言則不必如此。

關于微步進的說明

我們在此項目中所用的雙極步進電機類型幾乎總是設計為每轉 200 步。 也就是說，200 個“全”步將會旋轉電機軸一周。 現在，比方說，我們將電機驅動器設置成 ? 微步進。 我們這樣做會將電機的每個滿步分成 4 個更小的步。 電機驅動器收到的每個 STEP 脈沖會將電機軸旋轉 ? 滿步。 這意味著，我們現在必須發送 800 個脈沖到驅動器才能將軸旋轉一整轉。

1/10 微步呢？ 現在，您需要發送 2000 個脈沖才能完成一整轉。 咋一看，這看起來不錯。 這樣做增加了電機的位置分辨率。 是的，但不完全如此：您可以采取多小的步幅存在物理限制。 而且，微步越多，您所獲得的可用扭矩越小。

手動控制程序分解

首先，我們導入了時間和 GPIO 庫。 然后，我們為每個變量設置引腳以及這些引腳的輸入/輸出。

方向按鈕和速度開關設置為使用內部下拉電阻。 限位開關設置為使用內部上拉電阻。

轉速和加速變量在開始時設置，并可全局更改，以調節運行程序中的電機轉速和加速度。

程序僅運行一個“while”循環作為主循環，掃描“左”和“右”按鈕。

按其中一個按鈕后，rampUp() 子程序就會立即執行電機，沿所按按鈕的方向加速至最高轉速。

只要按下按鈕，程序就會留在 rampUp() 程序中。 松開按鈕后，rampUp() 程序將會跳入 rampDown() 程序，將電機減速至停止。 rampDown() 會持續減速，直至用完減速步數。 然后程序會返回到主循環，以檢查方向按鈕。 轉速開關有兩個設置，高和低。 此開關會將速度變量更改為對應的速度變量。

在按下左或右方向按鈕以及發出步進脈沖時，步進程序還會檢查確認是否已啟用兩個限位開關之一。 當移動平臺觸及限位開關時，電機就會停止，改變方向，并執行與原始行進方向相反的 50 步 (decelPulseCount) 移動。 這會將滑動架移至足夠遠離限位開關的位置，以免再次觸及限位開關。

來回穿梭程序

從 Raspberry Pi 運行該程序后，直線平臺會立即在一個方向上以固定的速度移動，直至觸及其中一個限位開關。 平臺隨即改變方向，逐步提速，并繼續在另一個方向上移動，直至其觸及平臺行程另一側的限位開關，周而復始。 移動速度可通過手動控制程序中所用的相同開關，在預設的高速度或低速度之間切換。

機械構造

圖 5：直線平臺的最終構造使用現貨零件組裝而成，包括 1.5 英寸鋁型材以及一根 8 螺紋/英寸的絲杠（8 頭）。 （來源：Digi-Key Electronics）

直線平臺完全由現貨零件制成：用于框架的 1.5 英寸鋁型材、夾具、軸、電機底座，以及 0.5 英寸直徑的 8 螺紋/英寸的絲杠（8 頭）。 八頭表示螺紋具有 8 條平行螺紋，類似于橙汁容器蓋。 最終，絲杠每轉動一整轉，機械系統就會移動 1 英寸。 我們這樣做是為了讓直線平臺操作視頻更生動一些。 我們有 10 螺紋/英寸、單螺紋絲杠，但這會導致移動速度非常慢。 步進電機的局限在于其最大轉速實際上很慢。

滑動架架在一對 20 mm 直線軸及配對的軸承上。 針對所用的 NEMA 23 雙極步進電機，我們選擇了一個通用的 NEMA 23 安裝支架。 問問圖片和視頻您可以看到，我們使用齒輪和正時皮帶將機械動力從電機傳遞到軸末端，以便在出現振動或機械靜摩擦時能夠調節齒輪比。 一些實驗表明，電機和軸之間的比率為 1:1 效果很好。

對于位于絲杠從動端的軸臺，我們必須做一些設計工作和加工（圖 6）。 軸臺是支撐軸的一個機械元件，在本例中僅傳輸旋轉運動并阻止直線運動（至少在理論上如此）。 我們能否在沒有軸臺的情況下完成項目？ 存在這種可能。 我們本可以將絲杠直接連接到步進電機的輸出軸，但如果我們選擇這種做法，我們的系統將很不穩定。 因此，我們在直線平臺上設計并制造了一個直接連接到 20 mm 直線軸的軸臺。

圖 6：為延長設計壽命，使用軸臺支撐軸并且僅傳輸旋轉運動，同時阻止直線運動（至少在理論上如此）。 （來源：Digi-Key Electronics）

步進電機內的軸承通常僅設置為處理側向力，而非軸向力。 隨著時間的推移，在滑動架來回穿梭的過程中，這些電機軸承將受到不應有的應力。 最終會損壞電機。 我們不清楚多久會發生這種情況。 但我們不希望電機在項目中途出現磨損，因此我們制造軸臺時使用一些推力軸承、一個滾針軸承和一根 1/4 英寸的軸。 滾針軸承（紅色）在軸臺右側中間位置固定 1/4 英寸軸，止推軸承（藍色）負責處理從絲杠傳輸的任何軸向力。

最后，我們對限位開關進行定位，讓滑動架在撞上其機械行程極限之前便能觸發該開關。 此時，滑動架的撞擊不會導致物理損毀，但肯定會開始磨損正時皮帶和齒輪，因此我們會盡力避免這種情況。

以下就是運行中的完整項目：

結論

Raspberry Pi Model B 等 SBC 可以讓工程師和研究人員更輕松地設計并實現可行且實用的系統。 此 Easy Build 分步指南通過一個實用的實例，詳細指導讀者完成直線平臺的設計全過程，同時針對過程中的組件選擇和設計決策，提供了深入淺出的分析。 除物料清單和相關代碼外，您在實現下一個創意時也可借鑒該實例。

物料清單：

1. Seeed Raspberry Pi 2 Model B

2. XP Power：36 V 電源

3. NMB Technologies Corporation：步進電機（零件即將缺貨。）

4. B&K Precision：試驗板

5. 項目電線

   1. Bud Industries

   2. MikroElektronika

6. Honeywell：限位開關

   1. DTE6-2RQ9

   2. NGCMB10AX01R

7. Judco Manufacturing：表面貼裝開關

8. C&K Components：JS 系列滑動開關

其它零件：

Gecko 210X 步進電機控制器

? 英寸 8 頭絲杠

Bass 絲杠螺母

軸臺軸承

聯軸器

滑輪

電機驅動正時皮帶

鋁型材

直線軸承

精密連桿

兩個定制底座、滑動架和軸臺

代碼：

代碼、按鈕控制

發送順時針 (CW) 和逆時針 (CCW) 脈沖至步進驅動器；對限位開關做出反應；按初始行程方向相反的方向轉動電機以“退避”限位開關。

"""

"""

導入模塊和/或模塊分段

"""

import RPi.GPIO as GPIO

import time

"""

設置 I/O 引腳掩碼

"""

step = 18 # step signal to driver

directionPin = 23 # direction signal to driver

enable = 24 # enable signal to driver

button1 = 13 # direction pin

button2 = 5

output1 = 19

output2 = 12

output3 = 21

speedHiLo = 6

limitLeft = 12

limitRight = 16

"""

設置通用 IO

"""

GPIO.setmode(GPIO.BCM) #configure pin layout

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setup(step, GPIO.OUT)

GPIO.output(step, GPIO.LOW)

GPIO.setup(directionPin, GPIO.OUT)

GPIO.output(directionPin, GPIO.LOW)

GPIO.setup(enable, GPIO.OUT)

GPIO.output(enable, GPIO.HIGH)

GPIO.setup(button1, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

GPIO.setup(button2, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

GPIO.setup(speedHiLo, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

GPIO.setup(limitLeft, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.setup(limitRight, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

"""

一般配置及聲明

"""

global lospeed, hispeed, startTime, endTime, limitFlag, timeVar, accelTime, decelTime,decelPulseCoun, flag1, highPulse, direction, limitPulseCount

flag1 = 0 # variable for loop control

timeVar = 0 # variable for loop control

direction = 0 # variable for storing direction pin value

endTime = 0 # variable for storing wait time between pulses whilst slowing to a stop

limitFlag = 0 # signals that limit has been reached and flow must return to main loop

highPulse = 0.0001 # time for pulses to go high to trigger driver

startTime = 0.001 # time between pulses at start of movement

hispeed = 0.0001 # time between pulses at full speed

lospeed = 0.001 # time between pulses

accelTime = 0.000003 # amount of time to decrement between acceleration pulses

decelTime = 0.00005 # amount of time to increment between deceleration pulses

decelPulseCount = 50 # number of pulses sent during deceleration, 1/4 rev for current setup

limitPulseCount = 200 # number of pulses sent to the driver when a limit is tripped, 1/2 rev for current setup

"""

功能定義

"""

def rampUp():

GPIO.output(enable, 1) # enable driver for movement

timeVar = startTime #initialize time variable with starting time between pulses

global flag1

global limitFlag

global direction

flag1 = 1 # set flag HI

if(GPIO.input(button1)):

direction = 1

GPIO.output(directionPin, direction)

# light an LED

if(GPIO.input(button2)):

direction = 0

GPIO.output(directionPin, direction)

# light an LED

while((GPIO.input(button1) or GPIO.input(button2) == 1)):

if(GPIO.input(limitLeft)== 0): # if a limit input goes LOW, call the limit function

limit()

if(GPIO.input(limitRight)== 0): #if a limit input goes LOW, call the limit function

limit()

if(limitFlag == 1):

limitFlag = 0

break

GPIO.output(step, 1)

time.sleep(highPulse)

GPIO.output(step, 0)

time.sleep(abs(timeVar))

if(timeVar > endTime):

timeVar = timeVar - accelTime #decrease time between pulses until they reach endTime

def rampDown():

global flag1

flag1 = 0

global timeVar

timeVar = endTime #initialize time variable with ending time bewteen pulses

x = decelPulseCount

while(x > 0):

x = x - 1

GPIO.output(step, 1)

time.sleep(highPulse)

GPIO.output(step, 0)

time.sleep(abs(timeVar))

if(timeVar < startTime):

timeVar = timeVar + decelTime

def limit(): # this routine is like the ramp down routine

print("Limit Hit")

time.sleep(0.015) #wait for a bit

if(GPIO.input(limitLeft) and GPIO.input(limitRight) == 1): # debounce

return

GPIO.output(enable, 1) # enable driver for movement

global direction

global timeVar

global limitFlag

global flag1

flag1 = 0 # disable the flag so u dont call rampDown upon exiting limit()

timeVar = endTime #initialize time variable with ending time bewteen pulses

direction = not direction

GPIO.output(directionPin, direction)

limitFlag = 1 # set this flag so that the rampUp routine 'breaks' and jumps back to Main()

x = limitPulseCount

while(x > 0):

x = x - 1

GPIO.output(step, 1)

time.sleep(highPulse)

GPIO.output(step, 0)

time.sleep(abs(timeVar))

if(timeVar < startTime):

timeVar = timeVar + decelTime

"""

主循環

"""

while(1): #loop forever, check for button presses, speed changes and limit trips

#disable driver to keep from overheatings

if(GPIO.input(button1) or GPIO.input(button2) == 1): # button pressed, call rampUp function

rampUp()

if(flag1 == 1):

rampDown()

# movement over, deactivate direction LEDs

if(GPIO.input(speedHiLo) == 0):

endTime = lospeed #if lo-speed selected, initialize endTIme with lo-speed wait time

else:

endTime = hispeed #if hi-speed selected, initialize endTIme with hi-speed wait time

# light up red LED to indicate hi-speed mode

if(GPIO.input(limitLeft)== 0): # if a limit input goes LOW, call the limit function

limit()

if(GPIO.input(limitRight)== 0): #if a limit input goes LOW, call the limit function

limit()

代碼，來回穿梭

import RPi.GPIO as GPIO

import time

"""

設置 I/O 引腳掩碼

"""

step = 18 # step signal to driver

directionPin = 23 # direction signal to driver

enable = 24 # enable signal to driver

button1 = 13 # direction pin

button2 = 5

output1 = 19

output2 = 12

output3 = 21

speedHiLo = 6

limitLeft = 12

limitRight = 16

"""

設置通用 IO

"""

GPIO.setmode(GPIO.BCM) #configure pin layout

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setup(step, GPIO.OUT)

GPIO.output(step, GPIO.LOW)

GPIO.setup(directionPin, GPIO.OUT)

GPIO.output(directionPin, GPIO.LOW)

GPIO.setup(enable, GPIO.OUT)

GPIO.output(enable, GPIO.HIGH)

GPIO.setup(button1, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

GPIO.setup(button2, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

GPIO.setup(speedHiLo, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

GPIO.setup(limitLeft, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.setup(limitRight, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

"""

一般配置及聲明

"""

global lospeed, hispeed, startTime, endTime, limitFlag, timeVar, accelTime, decelTime,decelPulseCoun, flag1, highPulse, direction, limitPulseCount

flag1 = 0 # variable for loop control

timeVar = 0 # variable for loop control

direction = 0 # variable for storing direction pin value

endTime = 0 # variable for storing wait time between pulses whilst slowing to a stop

limitFlag = 0 # signals that limit has been reached and flow must retuen to main loop

highPulse = 0.000005 # time for pulses to go high to trigger driver

startTime = 0.001 # time between pulses at start of movement

hispeed = 0.0005 # time bewtween pulses at full speed

lospeed = 0.0009 # time between pulses

accelTime = 0.000003 # amount of time to decrement between accleration pulses

decelTime = 0.00005 # amount of time to increment between deceleration pulses

decelPulseCount = 50 # number of pulses sent during deceleration, 1/4 rev for current setup

limitPulseCount = 5 # number of pulses sent to the driver when a limit is tripped, 1/2 rev for current setup

timeVar = startTime

def limit(): # this routine is like the ramp down routine

GPIO.output(enable, 0)

print("Limit Hit")

time.sleep(0.015) #wait for a bit

if(GPIO.input(limitLeft) and GPIO.input(limitRight) == 1): # debounce

return

GPIO.output(enable, 1) # enable driver for movement

global direction

global timeVar

global limitFlag

global flag1

flag1 = 0 # disable the flag so u dont call rampDown upon exiting limit()

timeVar = endTime #initialize time variable with ending time bewteen pulses

direction = not direction

GPIO.output(directionPin, direction)

limitFlag = 1 # set this flag so that the rampUp routine 'breaks' and jumps back to Main()

x = limitPulseCount

while(x > 0):

x = x - 1

GPIO.output(step, 1)

time.sleep(highPulse)

GPIO.output(step, 0)

time.sleep(abs(timeVar))

if(timeVar < startTime):

timeVar = timeVar + decelTime

"""

global direction

print("Limit Hit")

time.sleep(0.015)

if(GPIO.input(limitLeft) and GPIO.input(limitRight) == 1): # debounce

return

timeVar = startTime

flag1 = 0

direction = not direction

"""

"""

主循環

"""

while(1):

GPIO.output(enable, 1)

if(GPIO.input(limitLeft)== 0): # if a limit input goes LOW, call the limit function

GPIO.output(enable, 0)

limit()

if(GPIO.input(limitRight)== 0): #if a limit input goes LOW, call the limit function

GPIO.output(enable, 0)

limit()

if(limitFlag == 1):

limitFlag = 0

GPIO.output(directionPin, direction)

GPIO.output(step, 1)

time.sleep(highPulse)

GPIO.output(step, 0)

time.sleep(abs(timeVar))

if(timeVar > endTime):

timeVar = timeVar - accelTime

if(GPIO.input(speedHiLo) == 0):

endTime = lospeed #if lo-speed selected, initialize endTIme with lo-speed wait time

else:

endTime = hispeed