【瑞萨RA2L1评测】步进电机的串口控制与LabVIEW 数据采集

本文介绍了 RA2L1 开发板结合 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

RA2L1 开发板结合 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。

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。

详见：TMC2209 Stepper Motor Driver module .

LabVIEW

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。

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：LabVIEW概述 - NI .

硬件连接

• 使用 Type-C 数据线连接开发板和电脑；
• TMC2209 驱动板、RA2L1 开发板的接线方式如下

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。

• TMC2209 与 42 步进电机的接线方式如下

• J-Link 调试器与 RA2L1 开发板的接线方式如下

实物图

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 ；
• 下载并安装 串口调试助手 软件；
• 下载 并安装 LabVIEW 软件.

详见：【瑞萨RA2L1评测】42步进电机驱动 .

工程创建

• 打开 e^2^ studio 软件；
• 依次点击 文件 - 新建 - 瑞萨 C/C++ 项目 - Renesas RA ；
• 依次进行工程命名，路径设置，FSP版本，目标开发板选择，Device 选择 R7FA2L1AB2DFL ，工具链选择 GNU ARM Embedded ，调试器选择 J-Link ，完成工程创建 ；

GPIO 配置

• 进入 FSP 配置界面，打开 Pins 标签页，选中 P201 引脚，模式配置为初始低电平的输出模式；
• 同理，将 P206、P208 管脚也配置为初始低电平的输出模式；

串口配置

• 设置目标串口对应的 GPIO 引脚

  • 依次选择 Pins - Peripherals - Connectivity:SCI - SCI9 对应 P109 (TXD9) 和 P110 (RXD9) 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，包括

  • 属性设置： 属性 - Module g_uart9 UART (r_sci_uart) - General 、Baud、Interrupts 设置回调函数

• 点击右上角 Generate Project Content 按钮，生成工程代码。

流程图

工程代码

打开 ./src/hal_entry.c 文件，添加如下代码

#include <stdio.h>
#include "stepmotor.h"

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool uart_send_complete_flag = false;
volatile bool uart_rx_ready = false;
uint8_t uart_rx_buf[256] = {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[uart_rx_len++] = 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_uart9_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;
}

// 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;
    int target_angle = 0;
    uint32_t target_speed = 2; // ms

    err = R_SCI_UART_Open(&g_uart9_ctrl, &g_uart9_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);

            // 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：【瑞萨RA2L1评测】42步进电机驱动 .

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）。

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": 98, "speed": 2} ，步进电机以 2ms 延时速度顺时针旋转 98 度；

  

• 串口发送 JSON 指令 {"angle": -48, "speed": 2} ，步进电机以 2ms 延时速度逆时针旋转 48 度；

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。

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。

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；

• 前面板显示采集数据的实时演化曲线；

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；

总结

本文介绍了 RA2L1 开发板结合 TMC2209 模块，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。