BeagleBone Black (BBB) - Quadcopter Dev

BeagleBone Black é uma plataforma de desenvolvimento de baixo custo (entenda-se cerca R$330).
Capaz de dar boot em 10 segundos e pronta para desenvolver em 5 minutos através de conexão USB e API semelhamente ao Arduino.
O processador é um ARM Cortex-A8 de 1GHz com 512MB de DDR3 e 2GB de flash.

Caixa da Beaglebone Black

Tudo que vem na caixa: encarte, a placa e o cabo USB.

Face inferior

Face superior
2 conectores fêmeas de 46 pinos cada.
1 conector macho de 6 pinos (UART para debug)
4 Leds

A instalação é fácil.
Plugue o cabo USB e instale os drivers (somente para Windows, no Linux é automático):

Windows 7/8/8.1 32 bits
http://beagleboard.org/static/Drivers/Windows/BONE_DRV.exe
Windows 7/8/8.1 64 bits
http://beagleboard.org/static/Drivers/Windows/BONE_D64.exe

Para entrada no ambiente de desenvolvimento estilo Arduino, basta acessar a placa pela rede USB em:
http://192.168.7.2:3000/

O processador possui 8 saídas PWM, 6 delas podem ser multiplexadas para sair em pinos diferentes do padrão. Usando a tabela fica mais fácil de escolher os pinos, pois além da multiplexação existem conflitos em potencial, ou seja, somente 6 pinos estão completamente livres para fazer PWM, se não for a UART2, caso contrário só restam 4 pinos de PWM livres.

Saída PWM	pino padrão	pino alternativo
ECAPPWM0	P9_42 (provável conflito)
ECAPPWM2	P9_28 (LCD)
EHRPWM0A	P9_31 (LCD)	P9_22 / USART2_RXD
EHRPWM0B	P9_21 / USART2_TXD	P9_29 (LCD)
EHRPWM1A	P9_14	P8_36 (sys_boot / LCD)
EHRPWM1B	P9_16	P8_34 (sys_boot / LCD)
EHRPWM2A	P8_19	P8_45 (sys_boot / LCD)
EHRPWM2B	P8_13	P8_46 (sys_boot / LCD)

Também é importante olhar o esquemático elétrico da placa, pois alguns pinos compartilhados podem causar problemas no futuro.
https://github.com/CircuitCo/BeagleBone-Black/blob/master/BBB_SCH.pdf?raw=true
Os pinos 31 a 46 do P8 configuração o processador na hora do boot.
Portanto para evitar problemas não conecte pull-up/down e nem tente usar como entrada, o jeito mais seguro é usar esses 16 pinos como saídas e se possível adiciona proteção contra entrada (por exemplo usando diodos de sinal 1n4148).
Os pinos 27,28,29,30 do P8 também estão em uso pelo LCD / HDMI.

Pinout da beaglebone black com todos conflitos comentados

A situação do P8 é bem confortável após remover os conflitos.

	HEADER	GPIO (3.3V)	TIMER	PWM
1	P8_7	GPIO2_2	TIMER4
2	P8_8	GPIO2_3	TIMER7
3	P8_9	GPIO2_5	TIMER5
4	P8_10	GPIO2_4	TIMER6
5	P8_11	GPIO1_13
6	P8_12	GPIO1_12
7	P8_13	GPIO0_23		EHRPWM2B
8	P8_14	GPIO0_26
9	P8_15	GPIO1_15
10	P8_16	GPIO1_14
11	P8_17	GPIO0_27
12	P8_18	GPIO2_1
13	P8_19	GPIO0_22		EHRPWM2A
14	P8_26	GPIO1_29

A situação do P9 é mais complicada, após remover os conflitos a multiplexação de funcionalidades nos pinos não permite usar todas as funcionalidades ao mesmo tempo.
Ativar a interface SPI0 implica em perder a UART2 e 2 PWMs e remanejar o I2C1 e I2C2.
Ativar a interface DCAN1 implica em perder a UART1.
Ativar a interface DCAN0 implica em remanejar o I2C2.
Ativar a interface UART1 implica em perder o DCAN1 e remanejar o I2C1.
Ativar a interface UART2 implica em perder o SPI0 e 2 PWMs e remanejar o I2C2.

	HEADER	GPIO (3.3V)	TIMER	PWM	I2C	UART	SPI	CAN
1	P9_11	GPIO0_30				UART4_RXD
2	P9_12	GPIO1_28
3	P9_13	GPIO0_31				UART4_TXD
4	P9_14	GPIO1_18		EHRPWM1A
5	P9_16	GPIO1_19		EHRPWM1B
6	P9_17	GPIO0_5			I2C1_SCL		SPI0_CS0
7	P9_18	GPIO0_4			I2C1_SDA		SPI0_D1
8	P9_19	GPIO0_13	TIMER5		I2C2_SCL		SPI1_CS1	DCAN0_RX
9	P9_20	GPIO0_12	TIMER6		I2C2_SDA		SPI1_CS0	DCAN0_TX
10	P9_21	GPIO0_3		EHRPWM0B	I2C2_SCL	UART2_TXD	SPI0_D0
11	P9_22	GPIO0_2		EHRPWM0A	I2C2_SDA	UART2_RXD	SPI0_SCLK
12	P9_23	GPIO1_17
13	P9_24	GPIO0_15			I2C1_SCL	UART1_TXD		DCAN1_RX
14	P9_26	GPIO0_14			I2C1_SDA	UART1_RXD		DCAN1_TX
15	P9_27	GPIO3_19
16	P9_30	GPIO3_16

A parte analógica do P9 não tem conflitos, mas só aceita tensão até 1,8V.

	HEADER	ANALOG (1.8V)
1	P9_33	A4
2	P9_35	A6
3	P9_36	A5
4	P9_37	A2
5	P9_38	A3
6	P9_39	A0
7	P9_40	A1

Os ESC dos motores aceita frequências de 50Hz a 490Hz.
A rotação mínima é obtida com pulsos de 1ms.
A rotação máxima é obtida com pulsos de 2ms.

Calcular o 'duty cycle' para os motores
http://www.optical-calculation.com/calculations/duty_cycle_of_a_pulsed_laser.php

Para 50Hz um pulso de 1ms é equivalente a 5% => 0.05 no formato da analogWrite

Para 50Hz um pulso de 2ms é equivalente a 10% => 0.1 no formato da analogWrite

Para 490Hz um pulso de 1ms é equivalente a 49% => 0.49 no formato da analogWrite

Para 490Hz um pulso de 2ms é equivalente a 98% => 0.98 no formato da analogWrite

Os pinos de PWM são:
ECAPPWM0 - P9_42
ECAPPWM2 - P9_28
EHRPWM0A - P9_22 P9_31
EHRPWM0B - P9_21 P9_29
EHRPWM1A - P9_14 P8_36
EHRPWM1B - P9_16 P8_34
EHRPWM2A - P8_19 P8_45
EHRPWM2B - P8_13 P8_46

Por algum motivo ainda em debug, os PWMs não funcionam como esperado.
E os motores continuaram a beepar sem entrar no modo armado.

BeagleBone Black tentando armar os motores do Quadcopter.
Mas somente 2 motores armaram corretamente.

A minha BBB veio com um imagem antiga.
root@beaglebone:/etc# cat /etc/version 
Angstrom v2012.12

Talvez seja necessário atualizar a imagem do Linux instalada na BBB.
http://beagleboard.org/latest-images
Estão disponíveis 4 images de cartão SD para atualizar a BBB.
Duas rodam direto do SD.
http://debian.beagleboard.org/images/bone-debian-7.5-2014-05-14-2gb.img.xz
https://s3.amazonaws.com/angstrom/demo/beaglebone/Angstrom-Cloud9-IDE-GNOME-eglibc-ipk-v2012.12-beaglebone-2013.06.20.img.xz
E duas se copiam para rodar dentro do EMMC.
http://debian.beagleboard.org/images/BBB-eMMC-flasher-debian-7.5-2014-05-14-2gb.img.xz
https://s3.amazonaws.com/angstrom/demo/beaglebone/BBB-eMMC-flasher-2013.09.04.img.xz

Todas as beaglebones novas passaram a usar o Debian como imagem padrão desde de maio de 2014.

Um das novidades do Debian é o "Userspace Arduino libraries", que transforma BBB em Arduino.
http://elinux.org/Userspace_Arduino#new_Debian_images

Depois de instalar o Debian 7.5 no EMMC da BBB, é preciso rotear o acesso da placa pelo USB.
No Linux isso é feito com apenas dois comandos:
root@beaglebone:~# sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
root@beaglebone:~# iptables -t nat -A POSTROUTING -j MASQUERADE
E no lado da BBB, tudo deveria estar ok, mas a rota para padrão e o dns não vem configurados.
root@beaglebone:~# route add default gw 192.168.7.1
root@beaglebone:~# echo nameserver 8.8.8.8 > /etc/resolv.conf

Agora que a internet está funcionando na BBB, é preciso atualizar o Debian.
root@beaglebone:~# aptitude update
root@beaglebone:~# aptitude dist-upgrade

Editar ambiente do uBoot para desativar a interface HDMI e liberar alguns pinos.
root@beaglebone:~# nano /boot/uboot/uEnv.txt
##Disable HDMI
cape_disable=capemgr.disable_partno=BB-BONELT-HDMI,BB-BONELT-HDMIN

Instalar alguma pacotes adicionais
root@beaglebone:~# aptitude install ipython mc python-serial

Instalação do Adafruit BeagleBone IO Python library

https://learn.adafruit.com/setting-up-io-python-library-on-beaglebone-black/installation-on-ubuntu

root@beaglebone:~# apt-get install build-essential python-dev python-setuptools python-pip python-smbus -y
root@beaglebone:~# pip install Adafruit_BBIO --upgrade

Testando o ADC com ipython

Testando com todos os pinos no AGND, depois no VREF_ANALOG, e por fim aberto.
O resultado é um percentual, para descobrir a tensão real é preciso multiplicar por 1.8V

Ligações de todos os pinos do ADC juntos.

Instalar o PirateScope, é preciso de um osciloscópio para testar o PWM.
https://github.com/tgvaughan/PirateScope

PirateScope capturando PWM de 50Hz (20ms) com duty-cycle 50% (10ms)

Buspirate conectado:
GND -> BBB: GND
ADC ->  BBB: P9_14

Testando o PWM pelo ipython
root@beaglebone:~# ipython
Python 2.7.3 (default, Mar 14 2014, 17:55:54) 
Type "copyright", "credits" or "license" for more information.
IPython 0.13.1 -- An enhanced Interactive Python.
?         -> Introduction and overview of IPython's features.
%quickref -> Quick reference.
help      -> Python's own help system.
object?   -> Details about 'object', use 'object??' for extra details.
In [1]: import Ada
Adafruit_BBIO  Adafruit_I2C   
In [1]: import Adafruit_BBIO.
Adafruit_BBIO.ADC   Adafruit_BBIO.PWM   Adafruit_BBIO.UART
Adafruit_BBIO.GPIO  Adafruit_BBIO.SPI   
In [1]: import Adafruit_BBIO.PWM as PWM
In [2]: PWM.start("P9_14",50,50)
In [3]: 


P8_13
P8_19
P8_34
P8_36
P8_45
P8_46

P9_14
P9_16
P9_21
P9_22
P9_28
P9_29
P9_31
P9_42