【EK-RA4C1开发套件】步进电机的串口控制与LabVIEW 数据采集
# 【EK-RA4C1开发套件】步进电机的串口控制与LabVIEW 数据采集本文介绍了 EK-RA4C1 开发套件结合 TMC2209 模块和 LCD 显示屏，实现串口控制，进一步设计 LabVIEW 上位机实现自动化运行和数据采集的项目设计，包括硬件连接、串口指令控制、LabVIEW上位机、数据采集等。
## 项目介绍
EK-RA4C1 开发套件结合 TMC2209 驱动板实现 42 步进电机驱动、LCD 显示旋转角度。
- 准备工作：步进电机参数、环境搭建、硬件连接等；
- 工程测试：工程配置、流程图、关键代码，串口 JSON 指令控制步进电机旋转方向、角度和速度；
- LabVIEW 设计：前面板、程序面板设计，自动发送 JSON 消息，实现步进电机的自动化控制、数据采集与存储。
## LabVIEW
()，即 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ，是一种图形化程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发。LabVIEW 使用图形化编辑语言 G 编写程序，产生的程序是框图的形式。
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/145023cevqqquzqd4llqgg.jpg)
LabVIEW 因其图形化编程、硬件集成优势和强大的工具包，成为多个行业中快速开发测控系统的首选工具。它特别适合需要高可靠性实时控制、复杂数据采集和多仪器集成的场景。LabVIEW 广泛应用于工业自动化、测试与测量、科学研究与教育、生物医学、嵌入式开发、图像与信号处理等领域。
详见：(https://www.ni.com/docs/zh-CN/bundle/labview/page/labview-overview.html) .
## TMC2209
TMC2209 SilentStepStick 是一款两相双极步进电机驱动模块，具备 2.8A 峰值电流和 1/256 步进模式；板载 UART 接口和多项专利技术确保步进电机平稳、安静、高精度运行，适用于3D打印、机器人和自动化等项目。
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/145050z60ft5rppfvvd6wj.jpg)
详见：(https://microcontrollerslab.com/tmc2209-stepper-motor-driver-module/) .
## 硬件连接
- 使用 Type-C 数据线连接开发板和电脑；
- TMC 2209 驱动板、EK-RA4C1 开发板的接线方式如下
| RA4C1 | TMC2209 | Note |
| :---- | :------ | :---------------- |
| P510| Dir | Direction |
| P509| STEP | Steps |
| P511| EN | Enable |
| 5V | VM | Power for stepper |
| 3.3V| VCC | Power for MCU |
| GND | GND | Ground |
> 注意，若步进电机额定电压较高或带负载运行，需使用外部电源连接 TMC2209 驱动板 VM 引脚供电。
由原理图可知， P509、P510、P511 分别对应 Arduino UNO 接口的 D10、D7、D8 引脚。
- TMC2209 与 42 步进电机的接线方式如下
| 42步进电机 | TMC2209 | Note |
| ---------- | ------- | ------- |
| A+ | 1A | A phase |
| A- | 1B | A phase |
| B+ | 2A | B phase |
| B- | 2B | B phase |
### 实物图
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/145005fmm8rocbonfbnmmr.jpg)
## 环境搭建
搭建 FSP 开发环境。
- 下载并安装 [瑞萨FSP (flexible software package) 灵活配置软件包](https://www.renesas.cn/zh/software-tool/flexible-software-package-fsp) ；
- 下载并安装 [串口调试助手](https://apps.microsoft.com/detail/9nblggh43hdm?launch=true&hl=zh-cn&gl=cn) 软件；
- [下载](https://www.ni.com/zh-cn/support/downloads/software-products/download.labview.html) 并安装 LabVIEW 软件.
详见：[【EK-RA4C1开发套件】介绍、环境搭建、工程测试](//m.qjumbo.com/forum/thread-235467-1-1.html) .
## 工程创建
- [下载](https://www.renesas.cn/zh/design-resources/boards-kits/ek-ra4c1) 官方示例工程软件包；
- 打开 e2 studio 软件；
- 从文件目录 `..\ek_ra4c1\slcdc\slcdc_ek_ra4c1_ep\e2studio` 加载LCD 示例工程；
## 工程配置
- 双击左侧目录文件 `configuration.xml` 进入 FSP Configuration 界面；
- 进入 Pins 标签页，将 P509、P510、P511 配置为输出模式，初始为低电平；
- 设置 JLINK 虚拟串口对应的 GPIO 引脚
- 依次选择 `Pins` - `Peripherals` - `Connectivity:SCI` - `SCI4` 对应 P206 (RXD4) 和 P207 (TXD4) 引脚；
- 新建串口通信堆栈
- `New Stack` - `Connectivity` - `UART (r_sci_uart)`
- 选中 uart 堆栈方框，打开属性标签，配置串口参数；
- 属性设置： `属性` - `Module g_uart4 UART (r_sci_uart)` - `General` 、`Baud`、`Interrupts` 设置回调函数；
- 点击 `Generate Code` 按钮，生成工程代码。
详见：[【EK-RA4C1开发套件】步进电机驱动](//m.qjumbo.com/forum/thread-235479-1-1.html) .
## 流程图
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/144940bqly3adwaxqx1u3u.jpg)
## 工程代码
打开 `./src/hal_entry.c` 文件，添加如下代码
```c++
#include "common_utils.h"
#include "slcdc_ep.h"
#include <stdio.h>
#include "stepmotor.h"
static fsp_err_t slcd_init(void);
static fsp_err_t set_segments_digits( uint32_t value );
static void set_err_segments(void);
static void deinit_slcdc(void);
fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool uart_send_complete_flag = false;
volatile bool uart_rx_ready = false;
uint8_t uart_rx_buf = {0};
uint32_t uart_rx_len = 0;
void user_uart4_callback (uart_callback_args_t * p_args)
{
if(p_args->event == UART_EVENT_RX_CHAR)
{
uint8_t ch = (uint8_t)p_args->data;
if(uart_rx_len < sizeof(uart_rx_buf)-1)
{
uart_rx_buf = ch;
}
if(ch == '\n' || ch == '}')
{
uart_rx_ready = true;
}
}
if(p_args->event == UART_EVENT_TX_COMPLETE)
{
uart_send_complete_flag = true;
}
}
// 重定向 printf 到 UART4
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif
PUTCHAR_PROTOTYPE {
fsp_err_t err = R_SCI_UART_Write(&g_uart4_ctrl, (uint8_t *)&ch, 1);
if (FSP_SUCCESS != err) __BKPT();
while (uart_send_complete_flag == false) {}
uart_send_complete_flag = false;
return ch;
}
// 重定向 _write 函数
int _write(int fd, char *pBuffer, int size) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
__io_putchar(*pBuffer++);
}
return size;
}
// 清屏
static void lcd_clear_all(void)
{
for (int i = 0; i < NUMBER_OF_DIGITS_ON_DISPLAY; i++)
{
R_SLCDC_Modify(&g_slcdc_ctrl, digit_start_addresses, 0x00, 0xFF);
R_SLCDC_Modify(&g_slcdc_ctrl, digit_start_addresses, 0x00, 0xFF);
}
}
// 解析JSON {"angle":-90,"speed":2}
static void parse_json_cmd(int *angle, uint32_t *speed)
{
char *p = (char*)uart_rx_buf;
sscanf(p, "{\"angle\":%d,\"speed\":%lu}", angle, speed);
}
void hal_entry(void)
{
fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
fsp_pack_version_t version= {RESET_VALUE};
int target_angle = 0;
uint32_t target_speed = 2; // ms
err = R_SCI_UART_Open(&g_uart4_ctrl, &g_uart4_cfg);
assert(FSP_SUCCESS == err);
step_motor_init(); // initialize stepper
while(1){
if(uart_rx_ready)
{
// 解析指令
parse_json_cmd(&target_angle, &target_speed);
printf("OK: angle=%d, speed=%lu\r\n", target_angle, target_speed);
// 显示角度
lcd_clear_all(); // clear LCD
set_segments_digits(target_angle); // show rotate angle
// 电机使能 + 转动
step_motor_enable();
step_motor_rotate_degrees((float)target_angle, target_speed);
step_motor_stop();
// 转动结束 → 释放扭矩
step_motor_disable();
// 清空接收
memset(uart_rx_buf, 0, sizeof(uart_rx_buf));
uart_rx_len = 0;
uart_rx_ready = false;
}
else
{
// 无数据 → 释放扭矩
step_motor_disable();
}
}
}
```
保存代码。
- 驱动代码文件 `stepmotor.c` 和 `stepmotor.h` 详见：[【EK-RA4C1开发套件】步进电机驱动](//m.qjumbo.com/forum/thread-235479-1-1.html) .
## 编译调试
- 右键工程文件夹，点击构建项目（或点击工具栏小锤子按钮）；
- 右键工程文件夹 - 调试/运行项目 - 上传固件至开发板（或点击工具栏小虫子按钮，进入 Debug 模式并运行）。
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/144909wwsfcfzs40elsisc.jpg)
## 串口测试
- 运行串口调试助手软件，配置波特率 115200 bps 等参数，打开串口；
- 串口发送 JSON 指令 `{"angle": 48, "speed": 2}` ，步进电机以 2ms 延时速度顺时针旋转 48 度；
- 串口发送 JSON 指令 `{"angle": -92, "speed": 2}` ，步进电机以 2ms 延时速度逆时针旋转 92 度；
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/144852yrrlffz20sqq08f2.jpg)
## LabVIEW 上位机
包括前面板和程序面板设计。
### 前面板
前面板设计包括串口配置、单步测试、连续运行测试、实时演化曲线、数据保存、程序控制等模块。
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/144835wn2r8ql269dly8dn.jpg)
### 程序面板
程序面板采用模块化设计，将串口指令函数封装，确保单次发送、连续发送任务均准确执行。
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/144818f7iru1uc1u3urzx4.jpg)
### 数据采集
- 配置目标串口，运行程序；
- 设置步长、目标角度、延时、存储路径等；
- 点击 START 按钮，开始运行步进电机并采集数据；
### 动态演示
- LabVIEW 程序运行后，步进电机按照设定的步长和延时连续旋转；
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/143700ma1iyakwp6ricxix.gif)
- 前面板显示采集数据的实时演化曲线；
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/143635ke1z75r0zvf5vtt5.gif)
### 数据存储
- 数据采集完成后，串口停止发送消息，数据自动存储至目标路径；
- 数据保存格式为第一列旋转角度，第二列模拟采集数值；
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202605/31/143619l632xddaymcttmx3.jpg)
## 总结
本文介绍了 EK-RA4C1 开发套件结合 TMC2209 模块和 LCD 显示屏，实现串口控制，进一步设计 LabVIEW 上位机实现自动化运行和数据采集的项目设计，包括硬件连接、串口指令控制、LabVIEW上位机、数据采集等，为相关产品在工业自动化领域的快速开发和应用设计提供了参考。
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