AS5047P磁编码器ESP32驱动程序、硬件电路设计、SPI通信时序、逻辑波形分析、注意事项

1、AS5047P硬件设计

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1.1 简介、性能参数

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AS5047P 是一种款高分辨率旋转位置传感器，用于在整个 360 度范围内进行高速（高达 28krpm）角度测量。这种新型位置传感器配备了革命性的集成 动态角度误差补偿 (DAEC™)，延迟几乎为零，并提供强大的设计，可抑制外部杂散磁场的影响。

AS5047P 非常适合具有挑战性的 BLDC 电机换向及工业应用，例如工厂自动化、楼宇自动化、机器人、PMSM（永磁同步电机）和步进电机闭环调节，以及对光学编码器的替换。

• 14 位绝对角度位置传感器。

• 适用于最高 28K RPM 转速的测量，动态角度误差最大值约为 ±0.2°。

• 通信支持 标准 4线SPI 串行接口。

• 拥有 SPI、ABI、PWM、UVW 等多种位置角度输出方式。

• ABI 接口可配置输出为 4096/4000/2048/2000/1600/1200/1024/800/400/200/100 步每转。（有默认值，如需调整需OTP编程，只可更改一次）(注意：ABI 接口最大只支持 12位输出。)

• 支持外部 3.3/5V 供电。封装为 TSSOP-16。

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1.2 硬件设计 - 供电

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AS5047P 支持两种供电方式：

• 1、外部5V供电，使用内部LDO稳压；
• 2、外部3.3V供电；

但要注意两种方式的通信电平不同。

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1.2.1 外部5V供电，使用内部LDO稳压

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使用外部5V供电，需要启用AS5047P自带的3.3V LDO。

5V由VDD输入，VDD3V3对GND接1uF电容。

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1.2.2 外部3.3V供电

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使用外部3.3V供电时，需要将VDD和VDD3V3短接。

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1.3 硬件设计 - 注意事项

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如使用外部5V的供电方式，启用AS5047P内部的3.3V LDO，则外部的供电电压必须保持在 4.5~5.5V 这个范围。

另外，还需考虑通信电平的兼容。
根据使用的 MCU 是 3.3V/5V，来匹配 AS5047P的供电电路。

建议使用 外部3.3V-LDO 供电，CLK、MOSI、MISO、CS 串电阻以兼容5V电平。
（实测串联100R电阻，SPI以18MHz的速率也能正常通信，远高于手册推荐的10MHz。）

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参考硬件，测试板

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  为了方便测试 AS5047P-SPI绝对值编码器，也便于扩展不同的电机，就有了下面这块万能转接板，支持 2208、2212、3508、5008、6010、6374、42步进、57步进 等不同电机的定位安装。

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  店铺详情内有安装孔位、原理图、教程、资料，手机端可能因没做适配看不到，建议用电脑打开。

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2、AS5047P - SPI通信时序

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从手册的第11页开始翻译

SPI 接口（从）
主机微控制器（主）使用 SPI 接口来读取或写入易失性存储器以及对非易失性 OTP 寄存器进行编程。 AS5047P 的 SPI 仅支持从模式。 它可以以高达 10 MHz 的时钟速率进行通信。

AS5047P SPI 使用模式=1（CPOL=0，CPHA=1）来交换数据。 如图 11 所示，数据传输从 CSn 的下降沿开始（SCL 为低电平）。 AS5047P 在 SCL 的下降沿采样 MOSI 数据。 SPI 命令在帧结束时执行（CSn 的上升沿）。 位顺序是 MSB 在前。 数据受奇偶校验保护。

（注意：与AS5047P进行SPI通信的MCU，需要配置SPI为 SPI mode 1.(CPOL=0, CPHA=1)，之前大多数情况用mode0，注意更改硬件配置。）

SPI时序
AS5047P SPI 时序如图 11 所示。

SPI事务
SPI 事务由一个 16 位的命令帧 和一个 16 位的数据帧 组成（也就是各两个字节）。 图 13 显示了命令帧的结构。
SPI命令帧

为了提高 SPI 通信的可靠性，必须生成和发送偶校验位 PARC。 奇偶校验位的错误设置会导致奇偶校验位错误，错误标志寄存器中的 PARERR 位显示了该错误。 奇偶校验位是从命令帧的低 15 位计算的。 16 位的命令帧由 寄存器地址 和 读/写标志位 组成，该位来指示SPI事务是读还是写，以及奇偶校验位。

图 14 展示了读取的数据帧格式。

奇偶校验位 PARD 由 AS5047D数据帧的低 15 位计算。 如果前一个 SPI 命令帧中发生错误，则 EF 位被置1。 SPI 读取在 CSn 的上升沿进行采样，数据通过下一个读取命令在 MISO 上传输，如图 15 所示。
SPI读数据帧

表15很有参考意义的，图中包含了多个 SPI读 的消息帧。
CMD 和 DATA各16位，DATA会在下一次的CMD传输中被读出。很标准的SPI读过程。
AS5047的一个完整 SPI读 消息帧 = 表 13-命令帧（MOSI） + 表 14-读数据帧（MISO）

发送CMD的同时，可一同读出上次CMD指定的寄存器数据。这种读的方式，特别适合AS5047这样，需要以高刷新率读取电机转子位置的场合。

SPI写数据帧

奇偶校验位 PARD 必须根据 16 位数据计算。在 SPI 写事务中，写命令帧之后是 MOSI 的写数据帧。 写数据帧由地址在命令帧中的寄存器的新内容组成。

在通过写数据帧在 MOSI 上传输新内容期间，在 MISO 上发送旧内容。 在 MOSI 上的下一个命令中，寄存器的实际内容在 MISO 上传输，如图 17 所示。

区别于表15-SPI读。
AS5047的一个完整 SPI写 消息帧 = 表 13-命令帧（MOSI） + 表 16-写数据帧（MOSI）
特别注意：SPI写 消息帧时，MISO上的数据可以不读取，除非有需要此寄存器先前内容的需求。千万别让这个搞混了。正常按SPI写操作就行，不必关注MISO输出的数据。另外SPI写几乎用不到，除非有OTP编程的需求。

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3、寄存器结构

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3.1 易失性寄存器

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易失性寄存器如图 18 所示。每个寄存器都有一个 14 位地址。

读取 NOP 寄存器相当于 AS5047P 的 nop（无操作）指令。

Figure 19~24 详细的说明了 易失性寄存器 的 位功能。内容太多，请自己阅读数据手册。

简要汇总：
NOP：读取 NOP 寄存器相当于 AS5047P 的 nop（无操作）指令。
ERRFL：错误标志寄存器。包括：奇偶校验错误、无效命令错误、帧错误。
PROG：用于对 OTP 存储器进行编程，二次开发基本用不到，不看了。
DIAAGC：磁场强度标志，CORDIC 溢出，及AGC控制，也用不到。
MAG：CORDIC 幅度信息，用不到。
ANGLEUNC：没有动态角度误差补偿的角度信息。
ANGLECOM：具有动态角度误差补偿的角度信息。（获取转子角度，不需要配置其他任何寄存器，在保证时序无误的前提下，只读这一个寄存器的值就够了。读取后要对 PARD进行偶校验，无误后将其转换为实际的转子角度）

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3.2 非易失性寄存器 (OTP)

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OTP（一次性可编程）存储器用于将传感器的绝对零位和客户设置永久存储在传感器 IC 中。

对于所有非易失性寄存器（软写入），可以多次进行 SPI 写/读访问。 硬件复位后软写入的寄存器内容将丢失。

自编程只可完成一次。 因此，非易失性寄存器的内容永久存储在传感器中。 硬件复位后寄存器内容仍然存在，不能被覆盖。

对于传感器的正确功能，不需要 OTP 编程。 如果未进行配置或编程，非易失性寄存器处于默认状态 0x0000h。
（注意：注意上面的一行话，仅使用传感器的正常功能，是不需要OTP编程的。而且OTP只能固化一次，不可二次编程）

非易失性寄存器表

Figure 26~34 详细的说明了 非易失性寄存器 的 位功能。内容太多，请自己阅读数据手册。

自己看了下 非易失性寄存器表 的功能，进行以下总结：

• ZPOSM 和 ZPOSL 为 绝对零位 的校准值。
• SETTINGS1 和 SETTINGS2 存储着用户自定义配置。这些配置包括：定义 PWM 的输出功能、禁用动态角度的误差补偿、ABI 脉冲的 十进制或二进制选择、启用 PWM输出、UVW 的极对数设置、滞后设置、ABI的分辨率（4096/4000/2048/2000/1600/1200/1024/800/400/200/100 步每转）。
• 芯片出厂后，默认的OTP配置是怎样？

手册对ABI接口的概述：
AS5047P 可以通过增量接口将角度位置发送到主微控制器。 此接口可与其他接口同时使用。

默认情况下，增量接口设置为以每转 4096 步或每转 1024 脉冲 (ppr) 的最高分辨率工作。 可以分别使用位 ABIBIN 在每转十进制和二进制脉冲之间进行选择，并使用位 ABIRES 选择每转脉冲，如图 30 所示。
（不过我买的几块芯片，实测ABI默认是每转 4000 步，感觉和手册说的有点出入…关于ABI的说法暂不确定）

OTP编程的流程框图在手册中有介绍，不过自己没有用到，就不再继续介绍OTP。

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4、SPI读AS5047P旋转角度

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SPI读AS5047P旋转角度的流程

SPI读角度流程：

• 1、AS5047P和MCU上电。
• 2、上电后至少延时等待tpon=10ms。才可以发送有效数据。
• 3、循环读 ANGLECOM寄存器(0x3FFF)，得到 uint16 的数据。PARD位校验无误后，将其转换为转子的实际角度。

获取转子角度的过程较为简单，不需要配置其他任何寄存器，在保证时序无误的前提下，只读 ANGLECOM寄存器(0x3FFF) 这一个寄存器的值就可以了。读取后要对 PARD进行偶校验，无误后将其转换为实际的转子角度。

读的过程，需要计算 PARC 与 PARD，他俩均为偶校验。

偶校验：确保整个被传输的数据中“1”的个数是偶数个。

故 如果载荷数据中“1”的个数是奇数个时，PARC 或 PARD校验位填“1”，否则填“0”。

PARC是发送的（MOSI），PARD是接收的（MISO）。

所以我们在读寄存器的一帧数据内，要先对CMD进行偶检验，生成PARC。并添加到CMD的Bit15中，用MOSI发送出去，共16Bit。

MISO接收之后的16Bit数据，剥离出Bit15的PARD，对余下的数据进行偶检验，判断与PARD是否一致。

如一致，表示SPI数据传输无误，可继续进行转子实际角度计算；如不一致，则重读或者抛出异常提醒。

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5、驱动程序、SPI测试波形

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测试的 MCU 使用 ESP32，以 100KHz-SPI 的速率通信。

（实测信号线串联100R电阻，SPI以18MHz的速率也能正常通信，远高于手册推荐的10MHz。）

源码：easyio-lib-for-esp32 中的 Demo - 29_SPI_AS5047P。

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5.1 SPI读DIAAGC

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上面已经说过了 AS5047P-SPI读角度流程。不过为了方便测试，这里换个寄存器。

注意：DIAAGC 寄存器地址为 0x3FFC，默认值为 0x0180。但它的值会根据磁场状态动态变化，并不是固定的。只有当磁极转子的运动状态不变，DIAAGC的值才是静止的。

连续读 DIAAGC 寄存器 波形：
使用软CS，成功。

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5.2 SPI读DIAAGC（硬CS，通信失败）

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先前一直用的ESP32的 硬CS 引脚，读失败。

注意读取错误时，MISO上的波形。Bit14 EF-错误标志位 会一直置1，使读取的 uint16 的值 >= 16384，可用此判断SPI通信的正常与否。

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5.3 SPI读ANGLECOM（转子角度，软CS，通信成功）

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读 ANGLECOM，转子角度。读一次。

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5.4 SPI读ANGLECOM（转子角度，软CS，通信成功）

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读 ANGLECOM，转子角度。连续读。

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6、SPI测试波形

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数据静态误差测试：
磁极转子静止时的数据输出。波动不大，很稳定，波动基本在 ±3内，与手册描述的 ±0.1° 基本一致。

输出的角度为旋转角度的绝对值，0~360°。用于运动控制的场合，不用像ABI每次上电都要归零点，使用很方便。

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7、AS5047P调试时注意事项

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• SPI通信速率最大为 10MHz，时序为 SPI mode 1.(CPOL=0, CPHA=1)
• SPI线路不宜过长，高速时会导致时序错乱。
• 需要判断 PARC 和 PARD 偶校验位，以尽量减少通信链路中产生的错误。
• 将AS5047上的磁极旋转一周，返回的值会从0~16383变化。（14Bit）
• 硬CS引脚由于速率过快，很大概率会导致与AS5047P通信失败。建议使用 软件控制的CS。
• 转子上的磁铁需要使用 径向冲磁 的强磁，磁铁与芯片的推荐距离为 0.5~3mm。

AS5047P这类磁编码器对编程的最大好处在于，可以随时获得磁极相对于芯片的旋转角度，即为转子角度。而不用像ABI编码器那样，每次上电都需要归位找零点。并且通信使用SPI总线，不必担心最大转速旋转时，ABI因线长或干扰等因素，导致线路传输丢步的意外情况。

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ESP32开发板开源计划

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  现已开源一款ESP32物联网开发板，支持WIFI、蓝牙、以太网、RS485、CAN通信。板载6轴IMU、温湿度传感器、38K红外遥控收/发、独立RTC、TF卡座。USB和18650双电源供电，有2.0寸单点电容屏可用，配套各外设驱动和LVGL源码。Github、立创EDA、CSDN全云端同步更新。

  详情可见：

• ESP32-IOT-KIT 开发板介绍：
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• PCB硬件：
  立创EDA：ESP32开发板 IOT-KIT原理图、PCB、BOM

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