构建XMP-1：低成本XMOS-树莓派移动平台

引言

XMOS startKIT在Farnell（或Newark）售价仅£12（含VAT），提供紧凑信用卡大小平台，与树莓派完美配合。仅需螺丝刀、剪线钳、钳子等少量焊接工具，开发者即可组装功能性机器人原型，利用XMOS多核、低抖动并行处理能力。

本文演示XMP-1（XMOS移动平台）构建过程，展示树莓派与XMOS startKIT通过串行外设接口（SPI）高速双向通信，如何通过XMOS板直接产生PWM控制舵机，以及如何暴露基于Web的用户界面实时驱动机器人。

原文包含视频演示：首个视频展示XMP-1学习路径，第二个捕捉机器人用连续旋转舵机尝试重现路径。视频展示了当前硬件和固件的潜力与局限。

解决方案概览——硬件与软件

图1（未显示）展示完成的XMP-1，经5V稳压器供电，由两个连续旋转舵机驱动。树莓派处理所有网络，运行轻量Web服务器服务index.html并将用户指令解析为电机速度/方向消息。

图2（未显示）展示通信流程。树莓派通过发送SPI数据包向XMOS startKIT产生舵机PWM信号。startKIT作为SPI从机，解码数据包并以适当PWM脉冲驱动舵机。

串行外设接口（SPI）

SPI依赖四线：SS、SCLK、MOSI、MISO。本设置中树莓派为主机，提供时钟并在MOSI发送数据。XMOS板在MOSI接收数据，在MISO返回状态或确认。SS线低有效；树莓派CE1引脚选择startKIT。

示波器示波图（Tektronix MSO2024B捕获）确认SPI传输完整性。三字节数据0x02、0x00、0x10从树莓派传至startKIT，可选零长度响应。

控制舵机电机

舵机将1-2毫秒PWM脉宽转换为0-180°机械旋转，1.5毫秒脉冲使轴居中。连续旋转舵机移除电位器和限位，将脉宽解读为速度指令：1.5ms中立、1ms全反、2ms全正向。

XMP-1每个车轮由一连续旋转舵机驱动。此设置简化接线——无需外部H桥——但相比直流电机限制精确速度控制。

开始开发——连接板卡

固件开发时，树莓派和startKIT通过带IDC连接器的26针排线连接。备用IDC连接器可作调试接口，供万用表或示波器探测信号。

在XMOS startKIT上实现SPI（spi_process）

使用xTIMEcomposer IDE，导入内置SPI从机库，源文件置于spi-test/src目录。以下初始化例程配置时钟源、MOSI/MISO端口、SPI从机接口：

void spi_slave_init(spi_slave_interface &spi_if) {
    int clk_start;
    set_clock_on(spi_if.blk);
    configure_clock_src(spi_if.blk, spi_if.sclk);
    configure_in_port(spi_if.mosi, spi_if.blk);
    configure_out_port(spi_if.miso, spi_if.blk, 0);
    start_clock(spi_if.blk);
    return;
}

spi_slave_interface结构映射SPI引脚到XMOS端口：

typedef struct spi_slave_interface {
    clock blk;
    in port ss;
    in buffered port:8 mosi;
    out buffered port:8 miso;
    in port sclk;
} spi_slave_interface;

使用以下例程将传入SPI数据读入缓冲区，实现简单标签-长度-值（TLV）协议以支持变长消息：

void spi_slave_in_buffer(spi_slave_interface &spi_if, unsigned char buffer[], int num_bytes) {
    unsigned int data;
    unsigned int vlen=0;
    clearbuf(spi_if.miso);
    clearbuf(spi_if.mosi);
    for (int i = 0; i < num_bytes; i++) {
        spi_if.mosi :> data;
        data=data<<24;
        buffer[i]=bitrev(data);
        if (i==2) {
            vlen=((unsigned int)buffer[1])<<8 | (unsigned int)buffer[2];
            if (vlen==0) break;
        }
        if (i >= vlen+2) { break; }
    }
}

数据包首字节为标签（0-255）。后两字节编码载荷长度（最多4096字节）。奇数标签表示树莓派期望响应；偶数标签表示无需响应。

进程间通信

XMOS核心通过基于事务的接口而非简单通道通信。此法允许单次接口调用包含多数据类型和返回值，非常适合协调SPI处理核心、数据处理核心和PWM生成核心。

接口定义示例：

interface program_display {
    void backlight(int state, int color);
    void plot(int x, int y, int color);
}

设计处理SPI内容的IPC架构

spi_process核心捕获传入SPI数据到4099字节缓冲区，通过可移动数组事务转发指针给data_handler核心。处理后，data_handler可填充响应数据到缓冲区并通知spi_process在下次SPI交换中传回。

interface to_rpi { void code(unsigned char c); };
interface from_rpi { unsigned char* movable array_data(unsigned char* movable bufp); };

核心逻辑片段：

void spi_process(interface to_rpi server s, interface from_rpi client c) {
    unsigned char storage[4099];
    unsigned char* movable buf=storage;
    buf=c.array_data(move(buf));
    select {
        case s.code(unsigned char c):
            if (c==SEND) {
                spi_slave_out_buffer(spi_sif, buf, 4099);
            }
            break;
    }
}

void data_handler(interface to_rpi client c, interface from_rpi server s) {
    select {
        case s.array_data(unsigned char* movable vp) -> unsigned char* movable vq:
            vq[0]=0x22; // tag
            vq[1]=0x00; // length
            vq[2]=0x00;
            vq=move(vp);
            tosend=1;
            break;
    }
    if (tosend) { c.code(SEND); }
}

此架构在树莓派和XMOS startKIT间提供通用双向通信通道，可适配广泛机器人或物联网项目。