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DShot und die Output-Treiber

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Was der Coprozessor auf einen Ausgangspin legt und was zurückkommt. Vier Treiber: Servo-PWM (Pulse-Width Modulation), PPM (Pulse-Position Modulation), DShot und bidirektionales DShot.

Die Regeln, denen jeder Output folgt — Weg, Rolle, Ruhelage, Slew, Begrenzung, Arming und das Silence-Timeout — stehen in shared/outputs/ und gelten für alle vier gleich. Diese Seite handelt vom Signal auf der Leitung.

Welche Platine

Es wird mehr als einen Koprozessor geben. Der, auf dem das Bring-up läuft, ist ein Modul im Pico-Formfaktor, von Hand verkabelt; eine spätere Platine trägt ihre Outputs auf Pins, die gelötet und nicht gewählt sind. Sie haben nicht dieselben Pins, und ein Pin-Index auf der einen bedeutet auf der anderen einen anderen Pin — oder keinen.

Der Koprozessor sagt deshalb im Hardware-Register der Identity-Page, welche Platine er ist, und das Panel bietet die Pins dieser Platine an und keine anderen. Ein Platinenwechsel verwirft jede Auswahl, denn ein Pin-Index auf der einen Platine bedeutet auf der anderen einen anderen Pin.

Eine Platine, für die das Panel einen Katalog hat, benutzt diesen Katalog. Ihn hat jemand gelesen, er benennt das genaue Signal, das jeden reservierten Pin hält, und er ändert sich nicht unter einem laufenden Prüfstand.

Eine Platine, von der das Panel noch nie gehört hat, beschreibt ihre eigenen Pins auf der Catalogue-Page: welche GPIOs sie herausführt, die daneben aufgedruckte Pad-Nummer und was die hält, die ein Output nicht haben darf. Ein Koprozessor, der neuer ist als das Panel, ist so benutzbar statt leer.

Eine Platine, die auch die Shape-Page bedient, sagt, wo ihre Pads liegen — der Umriss, das Raster und die Ecke, an der Pad 1 sitzt —, sodass das Panel sie zeichnen und nicht nur auflisten kann. Nur ein Bild braucht das: eine Platine, die nicht antwortet, wird aus ihrem Katalog benutzt und einfach nicht gezeichnet. Ein aus einer geratenen Form gezeichnetes Bild zeigte mit derselben Überzeugung auf den falschen wie auf den richtigen Pad — auf einem Bildschirm, dessen Aufgabe „finde diesen Pad auf der Platine vor dir“ ist, ist das der Fehler, den es zu vermeiden gilt.

Was eine Platine nicht kann, ist einen ihrer Pins sicher machen. Der Koprozessor reserviert seinen eigenen Satz an seinem eigenen Ende, was die Catalogue-Page auch sagt — ein falscher Katalog kostet also einen Pin und nicht die Safety-Leitung. Eine Platine, die sich weder beschreibt noch bekannt ist, bietet gar nichts an: eine Pin-Belegung zu raten ist der Weg, auf dem ein Output auf der Safety-Leitung landet.

Eine Platine mit gelöteten Outputs wird gezeigt, nicht angeboten. Der Koprozessor konfiguriert sich selbst, und das Panel zeigt, was es zurückliest, ohne es bearbeiten zu lassen: ein Bildschirm, der Pins neu bindet, die an keinem Stecker liegen, böte eine Wahl an, die die Platine nicht einlösen kann.

Welcher Pin

Auf einer von Hand verkabelten Platine ist kein Ausgangspin in der Firmware festgelegt. Ein Slot auf der OUTPUTS-Page trägt seine Pinnummer, der Pin ist also eine Einstellung und kein Build.

Der Coprozessor verweigert einen Pin, den er nicht treiben darf: GP3 (die Safety-Heartbeat-Leitung), GP8 bis GP12 (SPI (Serial Peripheral Interface) und Interrupt des CAN-Controllers (Controller Area Network)) und jede Nummer über dem letzten GPIO (General-Purpose Input/Output), den das Bauteil hat — 29 beim RP2350A des Bring-up-Moduls, 47 beim RP2350B, den die endgültige Platine braucht. Ein verweigerter Slot bleibt ungebunden. Die Page liest weiterhin zurück, was gefordert wurde, und kein Register auf ihr sagt, ob ein Slot gebunden ist: ein ungebundener Slot liest sich genau wie ein treibender. Beim Bediener kommt eine Leitung an, die sich nicht bewegt.

Ein PIO-Block (Programmable Input/Output) adressiert 32 Pins ab Basis 0 oder 16, festgelegt, solange der Block ein Programm hält. Welcher Block einen bestimmten Pin erreicht, steht daher erst fest, wenn der Pin eintrifft, und der Block wird beim Binden des Slots gewählt. Ein Pin, den kein freier Block erreicht, wird wie jeder andere verweigert.

Servo-PWM

Hardware-PWM, kein PIO: das Bauteil hat 12 Slices und 24 Kanäle, und ein Servopuls ist genau das, was ein Slice erzeugt. Der Zähler läuft mit 1 MHz, ein Puls ist also eine Anzahl Mikrosekunden und die Frame-Dauer 1.000.000 geteilt durch die Rate.

Frame Rate	40 bis 400 Hz
Puls	500 bis 2500 µs, außerhalb verweigert
Auflösung	1 µs

Ein Slice sind zwei Kanäle an einem Zähler, zwei Pins auf demselben Slice laufen also mit derselben Frame Rate. Eine zweite Bindung, die auf einem belegten Slice eine andere Rate verlangt, wird verweigert statt umgestellt: Umstellen würde einen Output verschieben, den niemand angefasst hat.

GPIO-Nummern falten sich auf die 12 Slices. GP0 bis GP31 nehmen Slice (Pin / 2) modulo 8, GP32 bis GP47 nehmen Slice 8 + (Pin / 2) modulo 4, und der Kanal ist in beiden Bereichen das unterste Bit der Pinnummer. Zwei Pins mit Abstand 16 unterhalb von GP32 sind damit derselbe Kanal desselben Slice, oberhalb von GP32 ist der Abstand 8. Ein Kanal ist ein Compare-Register und ein Compare-Register ist eine Pulsweite, der zweite Pin eines solchen Paars wird also verweigert statt gebunden: Ihn zu binden würde ihn auf die Pulsweite des ersten Pins legen, und eine Leitung folgte der anderen, ohne dass ein Bildschirm es sagt.

Sechs dieser Paare sind auf dem Header, den der Koprozessor anbietet, beide frei: GP0 und GP16, GP1 und GP17, GP2 und GP18, GP4 und GP20, GP5 und GP21, GP6 und GP22. Jeder Pin eines Paars ist benutzbar, beide zusammen nicht.

PPM

Ein Pin, bis zu acht Kanäle. Ein Frame ist eine Folge von 300-µs-Marks; die Zeit vom Beginn eines Marks bis zum Beginn des nächsten ist die Pulsweite eines Kanals. Nach dem letzten Kanal folgen ein abschließender Mark und die Sync-Lücke, und diese Lücke sagt einem Empfänger, wo der nächste Frame beginnt.

Kanalzahl und Frame Rate sind nicht unabhängig. Acht Kanäle zu 2000 µs verbrauchen bereits 16 ms eines 22,5-ms-Frames. Der Prüfstand verweigert einen Frame, dessen Sync-Lücke unter 3000 µs fiele — die kürzeste Lücke, die kein Empfänger als Kanal lesen kann, denn die Kanalobergrenze liegt bei 2500 µs.

Der kürzeste Frame, der n Kanäle bei jedem denkbaren Befehl trägt, ist

n × 2500 µs + 300 µs + 3000 µs

also 23,3 ms für acht Kanäle — acht Kanäle bei 50 Hz werden verweigert, acht bei 40 Hz nicht. Die Verweigerung erfolgt beim Konfigurieren des Slots, nicht erst, wenn die Knüppel das Ende ihres Wegs erreichen.

Die Polarität ist eine Pad-Invertierung, kein anderes Programm.

Der Frame wird von einem Paar DMA-Kanälen (Direct Memory Access) abgespielt, die sich gegenseitig neu auslösen; der Prozessor liegt damit nicht im Zeitpfad. Der Frame-Puffer wird während des Abspielens an Ort und Stelle überschrieben: ein mitten im Frame geänderter Kanal wirkt im nächsten Frame, der Rest dieses Frames trägt die vorherigen Werte.

DShot

Sechzehn Bit: elf Wert, eines fordert Telemetrie auf der separaten seriellen Leitung an, vier Prüfsumme. Höchstwertiges Bit zuerst. Es gibt kein Startbit und kein Idle-Muster — die Bitdauer ist die gesamte Synchronisation, beide Seiten einigen sich also per Konfiguration auf die Rate.

Bit	High für
0	37,5 % der Bitdauer
1	75 %

Die State Machine läuft mit dem Achtfachen der Bitrate, weil acht die kleinste Zyklenzahl ist, die beide Anteile ganzzahlig macht. DShot600 sind damit 4,8 MHz.

Der Wert ist nicht über seinen ganzen Bereich ein Gasbefehl:

Wert	Bedeutung
0	Motor Stop
1 bis 47	Commands: Beeps, Drehrichtung, 3D-Mode, Save Settings, Extended Telemetry
48 bis 2047	Gas

Ein Command muss zehnmal wiederholt werden, bevor ein ESC (Electronic Speed Controller) darauf reagiert; einmal gesendet bewirkt es gar nichts, was genau wie ein nicht funktionierender Treiber aussieht.

Der Prüfstand bildet den Weg so ab, dass ein Befehl von null Motor Stop ist und alles darüber in 48 bis 2047 landet. Ein Treiber, der den Weg direkt auf 0 bis 2047 abbildete, sendete auf dem Weg vom Leerlauf nach oben Beeps und Drehrichtungswechsel.

Frames gehen mit 1 kHz hinaus. Diese Rate steht nicht auf der Leitung: das Ratenfeld der OUTPUTS-Page ist bei DShot eine Bitrate und keine Frame Rate, der Prüfstand wählt sie also. 1 kHz ist das Zwanzigfache der Poll-Rate des Panels und liegt weit innerhalb des Signal-Timeouts jedes ESC.

Während der Prüfstand nicht treibt, wird nichts gesendet. Keine Frames heißt keine Flanken, und ein ESC stoppt nach seinem eigenen Timeout auf Stille. Statt dessen ausdrückliche Nullen zu senden hielte ihn armed und wartend, und so soll ein disarmter Prüfstand von der ESC-Seite aus nicht aussehen.

Bidirektionales DShot

Derselbe Frame mit invertierter Leitung und komplementierter Prüfsumme, sodass ein auf ein Protokoll eingestellter ESC das andere ignoriert, statt darauf zu reagieren. Es ist eine eigene Treibernummer auf der OUTPUTS-Page und kein Flag: die beiden sind verschiedene Leitungen, nicht eine Leitung mit einer Einstellung.

Nach jedem Frame gibt der Coprozessor die Leitung frei, und der ESC antwortet darauf, etwa 30 µs später, mit 21 Bit bei fünf Vierteln der DShot-Rate. Der Turnaround geschieht im PIO-Block — der Transmitter gibt den Pin frei und setzt ein Flag, der Receiver startet auf dieses Flag — denn 30 µs sind keine Frist, die eine Schleife einhalten kann.

Die Antwort ist GCR-codiert (Group-Coded Recording). Jedes Nibble eines 16-Bit- Werts wird zu einem Fünf-Bit-Codewort, gewählt so, dass die Leitung häufig den Pegel wechselt, und die Leitung ist differentiell: jedes Bit ist das vorige exklusiv-oder die Daten. Rückgängig macht das x ^ (x >> 1). Das zuerst gesendete Bit ist eine Null, der Burst beginnt also mit einer fallenden Flanke aus dem Idle-Pegel und ist überhaupt auffindbar.

Die 16 Bit sind zwölf Nutzdaten und vier Prüfsumme, und die Prüfsumme ist das Komplement der eines ausgehenden Frames. Jeder Ein-Bit-Fehler wird gefangen: die Prüfung ist das Exklusiv-Oder der vier Nibbles, und ein gekipptes Bit verändert genau eines davon.

Die Nutzdaten sind eine Periode, keine Drehzahl:

period_us = Mantisse (9 Bit) << Exponent (3 Bit)
elektrische rpm = 60.000.000 / period_us

Nutzdaten von 0x0FFF heißen, dass der Motor sich nicht dreht.

Die Antwort wird abgetastet, nicht gemessen

Der Coprozessor tastet die Leitung mit dem Fünffachen der Bitrate der Antwort ab und decodiert in Software. Die Bitrate des ESC stammt von seinem eigenen Quarz, ein oder zwei Prozent neben der des Prüfstands, und 21 Bit reichen aus, damit das einen festen Abtastpunkt aus einem Bit hinausschiebt — der Decoder setzt seine Phase deshalb bei jeder Flanke zurück, so wie ein UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) auf einem Startbit resynchronisiert, und liest jedes Bit aus der Mitte seines Fensters. test_dshot_telem prüft das gegen eine Antwort mit 4,75 und 5,25 Abtastungen je Bit.

Polzahl

Ein ESC meldet elektrische Perioden und weiß nicht, woran er angeschraubt ist; mechanische rpm (Revolutions per Minute) brauchen also die Magnetzahl des Motors. Das ist die eine Zahl, die die Leitung nicht trägt. Das Panel sendet sie aus der Einstellung Motor poles, sobald ein Coprozessor zu antworten beginnt, erneut bei jeder Änderung der Einstellung und erneut vor dem Schreibvorgang, der scharfschaltet, sofern eine Änderung noch offen ist, auf der CONTROL-Page. Ein Schreibvorgang, den niemand beantwortet, bleibt offen und geht beim nächsten 50-ms-Poll erneut hinaus; einen, den der Coprozessor ablehnt, wiederholt sie nicht, er wartet auf die nächste Änderung oder die nächste Link-up-Flanke.

Bis sie eintrifft, meldet der Coprozessor überhaupt keine Drehzahl. Eine aus einer geratenen Polzahl abgeleitete Drehzahl ist eine plausible Zahl ohne Kennzeichnung, dass sie falsch ist, und das ist schlimmer als ein leeres Feld.

Das gilt nur für null. Jede gerade Zahl zwischen 2 und 42 wird angenommen und setzt das Gültig-Bit der Drehzahl -- eine ungerade wird abgelehnt, denn ein Tippfehler, der bis zum anderen Ende käme, würde eine plausible falsche Drehzahl auf den Bildschirm bringen. Ein Coprozessor mit einer veralteten Zahl meldet also die tatsächliche Drehzahl mal die Polzahl des Motors geteilt durch die gehaltene Zahl. Ein 12-poliger Motor an einem Prüfstand, der noch 14 hält, liest 14,3 % zu wenig; bleibt 12 stehen und der Motor hat 14 Pole, liest er 16,7 % zu viel. Die Richtung folgt der Änderung, und die Enden des Bereichs sind in beide Richtungen ein Faktor 21: ein 42-poliger Motor, der als 2 umgerechnet wird, liest das Einundzwanzigfache seiner Drehzahl, ein 2-poliger als 42 ein Einundzwanzigstel. Zu beachten ist die gewöhnliche Änderung, denn einen Faktor 21 sieht man sofort und 14 % nicht.

Extended Telemetry

Ein ESC, dem Command 13 gesendet wurde, schiebt zwischen die Drehzahl-Frames Frames für Temperatur, Spannung, Strom, Stress und Status, markiert durch das oberste Nibble der Nutzdaten.

Der Prüfstand sendet dieses Command bei jeder Flanke ins Treiben, zehn Frames bei 1.000 Hz, also in den ersten 10 ms eines Scharfschaltens. Quittiert wird es nicht, danach werden Antworten als Extended Telemetry gelesen, ob der ESC zugestimmt hat oder nicht.

Jeder der zehn Frames trägt das Telemetry-Bit gesetzt. Bei einem Wert von 1 bis 47 markiert dieses Bit den Frame für die BLHeli_S-Familie (Bluejay) als Command: sie verwirft ein Command mit gelöschtem Telemetry-Bit und setzt dabei ihren Wiederholungszähler zurück, sodass zehn Frames ohne das Bit nie die sechs Wiederholungen erreichen, die ihr Command-Handler zählt. AM32 hat diese Sperre nicht und nimmt beide Frames an. An einem bidirektionalen Pin lautet der Frame mit dem Bit 0x01B5 und ohne es 0x01A4 -- andere Nutzdaten und ein anderes Prüfsummen-Nibble. test_dshot_frame hält dieses Wort fest. Die zweite Bedeutung des Bits ist eine Anforderung auf der separaten seriellen Telemetry-Leitung, die auf diesem Prüfstand niemand liest.

Aus den Bits allein sind die beiden nicht zu unterscheiden: das Nibble, das einen Extended-Frame markiert, ist in einem Drehzahl-Frame ein gewöhnlicher Exponent mit Mantisse, und nur ein ESC mit eingeschalteter Extended Telemetry garantiert die Normalisierung, die sie trennt. Der Decoder nimmt den Modus deshalb als Argument entgegen, statt ihn zu erschließen. Ein ESC, der Command 13 ignoriert und nicht normalisiert, bekommt deshalb einzelne Drehzahl-Frames als Temperatur oder Spannung gelesen -- ungemessen, und der Grund, die ersten Anzeigen an einem neuen ESC zu prüfen.

Was auf der Leitung nicht bestätigt ist

Die Implementierung ist aus der veröffentlichten Beschreibung des Protokolls geschrieben. Alles Folgende wird von der Host-Suite gegen Frames geprüft, die derselbe Code baut; das belegt die Arithmetik und nicht die Leitung.

Eines steht nicht auf dieser Liste. Einfaches DShot hat auf dem Aufbau-Prüfstand einen Motor vom Panel aus laufen lassen, damit liegt sein Bit-Timing innerhalb der Toleranz dieses einen ESC -- gegen einen ESC, ohne Messgerät am Pin, also ein Indiz und keine Messung. Nichts hiervon war an einem Oszilloskop, und jeder bidirektionale Punkt unten ist in jeder Hinsicht unbestätigt:

• die Antwortrate von fünf Vierteln der DShot-Rate;
• die Konvention für das führende Bit des Group Code;
• die Turnaround-Verzögerung, und ob 30 µs das ist, was ein ESC tatsächlich wartet;
• die Frame-Typen der Extended Telemetry und ihre Einheiten;
• ob der Hinweis "mindestens 35 ms warten" in der Spezifikation zu Command 13 oder zu Command 12 (Save Settings) gehört. Die Tabelle lässt beide Lesarten zu, und der Prüfstand wartet in keinem Fall: das Throttle folgt der zehnten Wiederholung beim nächsten 1-ms-Takt. Das klärt der Text der Spezifikation und keine Platine;
• jedes Bit-Timing, gegen die Toleranz eines echten ESC statt gegen die Spezifikation.

Wo der Code liegt

Frames, Group Code, Prüfsumme, Drehzahl, Sampler	shared/dshot/
PPM-Frame-Layout	shared/ppm/
Weg, Rolle, Ruhelage, Slew, Arming, Timeout	shared/outputs/
Welchen PWM-Slice und -Kanal ein GPIO erreicht	shared/outputs/out_pwm_map.c
PIO-Programme	firmware/iomcu/src/ppm.pio, dshot.pio
Backends für Hardware-PWM, PPM und DShot	firmware/iomcu/src/out_*.c
Bindung der Bank an die Pins	firmware/iomcu/src/outputs_hw.c