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28. Februar 2025Zephyr RTOS und die Entwicklung einer Schrittmotor-API: Herausforderungen und Fortschritte bei der Integration bei ZEISS Spectroscopy
Zephyr als RTOS für Embedded-Devices existiert in seiner aktuellen Form seit 2016. Im gleichen Jahr erschien auch, als eines der ersten, ein Beispiel für die Nutzung von Servomotoren. In den folgenden 8 Jahren gab es bei Zephyr auf dem Feld der Motorsteuerung allerdings wenig Fortschritte, der Fokus lag hingegen auf dem Feld IoT.
Bei Navimatix findet Zephyr seit 2019 Eingang in ihre Projekte.
Zephyr und ZEISS Spectroscopy
Auf Grund der steigenden Bedeutung von Zephyr im Unternehmen und um Einfluss auf die weitere Entwicklung nehmen zu können, trat die ZEISS Gruppe dem Zephyr-Projekt im Oktober 2023 als Platin-Mitglied[1] bei. In einem der Zephyr nutzenden Projekte spielt dabei ein Schrittmotor eine wichtige Rolle, eine Komponente, für die es bei Zephyr keine Unterstützung gab. Dies, obwohl mehrere Hersteller von Schrittmotor-Treibern, wie z.B. Texas Instruments (TI) und Analog Devices (ADI), teilweise schon mehrere Jahre, Zephyr Mitglieder sind. Daher wurde im August 2024 durch Jilay Pandya, Software Engineer bei Zeiss, eine erste Version einer Schrittmotor-API in das Zephyr-Projekt eingebracht und die Maintenance übernommen. Zu ungefähr demselben Zeitpunkt begann Navimatix eine kooperative Produktentwicklung mit der ZEISS Spectroscopy[2] und steuert seither in enger Absprache mit Jilay Pandya API Erweiterungen und Verbesserungen sowie neue Low-Level-Treiber bei.
Herausforderungen bei der Entwicklung einer Schrittmotor-API
Die Entwicklung an und mit einer so jungen API brachte einige unausweichliche Herausforderungen mit sich. So ist es nicht überraschend, dass sich die API noch stark verändert. Zum einen werden neue Erfordernisse bekannt, zum anderen werden aber auch Defizite in der Intention der jungen API durch die nachträgliche Integration von Testfällen erkannt.
Die mangelnde Testabdeckung der API führte daher zu schwerwiegende Fehler in existierenden Treibern.
Eine zentrale Komponente bei der Steuerung von Schrittmotoren ist die zeitakkurate Generierung des Schrittsignals. War die Nutzung der Pulsweitenmodulation (PWM) der erste Ansatz, so hat sie sich schnell als unpassend herausgestellt, da sie für die Energiemodulation gedacht ist, und somit nicht die benötigten Fähigkeiten bereitstellt. Somit fiel die Wahl auf Hardwarecounter um das Signal zu generieren, da sie alle benötigten Fähigkeiten bereitstellen – zumindest in der Theorie, denn trotz gleicher API unterscheiden sich die Fähigkeiten der einzelnen Counter signifikant. Dies zu klarifizieren stellt einen Ansatzpunkt für die Verbesserung der Counter API dar. Neue Verhaltenskonzepte, wie Rampen für sanfte Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile, bedurften ebenfalls tiefer liegende Änderungen an der aktuell wachsenden Schrittmotor API, was nun durch die Existenz einer ersten Testumgebung in einen guten Integrationspfad überführen ließ, ohne die bisherigen Funktionalitäten zu verändern.
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