Effizienter Arduino PWM-Reader & RC-Empfänger-Decoder mit Fail-Safe

Komponenten und Zubehör

Arduino UNO	×	1
SG90 Mikro-Servomotor	×	2

Über dieses Projekt

Generischer, effizienter Code zum Auslesen eines RC-Empfängers (oder beliebiger PWM-Signale) an jedem Arduino-Eingangspin – mit Fail-Safe bei Signalverlust.

Video zeigt Arduino Uno als Servo-Mixer mit dem Code PWMread_RCfailsafe.ino (unten). Funktionen kümmern sich um Interrupt-Register, leicht zwischen Projekten/Pins portierbar.

Im Video-Beispiel:

• Fail-Safe bei Empfänger-Signalverlust: Höhenruder voll hoch, Querruder neutral
• Richtung des blauen Servos durch Gasstellung
• Auslenkung (Rates) des blauen Servos per Slider am Sender
• Mischen ein/aus per Gears-Schalter

Inhalt

• Wie Servos per PWM gesteuert werden
• Beispielanwendungen: Arduino in RC-Modellen/Robotern
• Code-Übersicht: PWM-Decodierung mit Fail-Safe
• Anwendung von PWMread_RCfailsafe.ino
• Empfänger-Framerate & Frequenz anzeigen
• Servo-Mixing-Beispiel
• Begründung des Ansatzes
• Limitierungen

Wie werden Servos/Regler per PWM gesteuert?

Verständnis der PWM-Signale (1000–2000 µs Impulsbreite, ~50 Hz) wird vorausgesetzt. Gutes Erklärvideo. Erforderlich: Arduino-IDE, Variablentypen, If/For-Schleifen, Arrays, Servo-Library.

Beispielanwendungen

• Servo-Mixing, Lichtschaltung, Pumpen/Ventile, benutzerdefinierte Sequenzen
• Controller: Flugstabilisierung, Autopilot, Kurshalten, Höhen-/Tiefenhalten, Auto-Level, Hindernisvermeidung, Return-to-Home
• Reaktion auf Signalverlust oder niedrigen Akku
• Derselbe Sender für mehrere Modelle ohne Neukonfiguration

Code-Übersicht: PWM von RC-Empfänger decodieren mit Fail-Safe

Messung per Pin-Change-Interrupts. Funktionen automatisieren Interrupt-Setup und Datenextraktion an jedem digitalen/analogen Pin (außer A6, A7) auf Uno, Nano, Pro Mini. Einfach für Einsteiger.

Ziel: Generisches RC-Empfänger-Modul mit Fail-Safe, schnell zwischen Projekten verschiebbar. Beispielcode im „How-to“-Abschnitt als Mittel zum Zweck.

Hinweis: Funktioniert nicht mit SoftwareSerial oder anderen Libraries, die Pin-Change-Interrupts nutzen.

Funktionsweise:

• Eingangspins in Array pwmPIN[] (beliebige Länge)
• Setup-Funktion aktiviert Pin-Change-Interrupts durch Register-Setzung für jeden Pin
• Spannungswechsel an gewähltem Pin triggert einen von drei ISR (PCINT0_vect→Port B, PCINT1_vect→Port C, PCINT2_vect→Port D)
• In ISR: FOR-Schleife + IF ermittelt geänderten Pin & Kanal, Zeit via micros() merken, zurück zu loop()
• Zeitintervalle → Pulsbreite & Wiederholungsperiode
• Flags in ISR kennzeichnen neue Pulse
• Flags werden von Funktionen genutzt, um ISR-Daten zu verarbeiten

YouTube-Video von Joop Brokking (erste 8 Min) erklärt Pin-Change-Interrupts für RC-Empfänger ähnlich. Alles wird von PWMread_RCfailsafe.ino erledigt (Download unten). Port-Manipulation: tronixstuff.com.

Zusätzlich: RC_decode() wandelt Pulsbreite (1000–2000 µs) in ±100 % Steuersignal um. Fail-Safe prüft Signaltoleranzen (10–330 Hz, 500–2500 µs). Bei Signalverlust → voreingestellter Fail-Safe-Wert. Kalibrierungswerte & Fail-Safe-Positionen pro Kanal in PWMread_RCfailsafe.ino einstellbar.

Anwendung von PWMread_RCfailsafe.ino

Schritt 1: Beispiel-Hardware-Setup mit Arduino Uno

• Empfänger an 5V/GND
• Signalleitungen an Pins 2–7 (2-Kanal: nur 2 & 3)
• Servo-Mixer: Servo-Signalleitungen an Pin 9 & 10

Schritt 2: PWMread_RCfailsafe.ino in Sketch-Ordner kopieren

Beispielsketch RC_Read_Example unten zum Download. Als Hauptsketch nutzen. Datei in Sketch-Ordner kopieren → zweiter Tab in IDE.

Schritt 3: Eingangspins festlegen

Tab PWMread_RCfailsafe öffnen, zu „USER DEFINED VARIABLES“ scrollen, Pins in pwmPIN[] eintragen. Beliebige Anzahl/Reihenfolge. A6/A7 nicht nutzbar. Mega nicht unterstützt (leicht erweiterbar). Erstes Array-Element = Kanal 1 usw. Empfänger-Kanäle idealerweise passend zuordnen.

Schritt 4: Verfügbare Funktionen prüfen

Schritt 5: Roh-Pulsbreiten zum Serial Monitor ausgeben

RC_Read_Example hochladen, Sender an, rohe Pulsbreiten via print_RCpwm() ausgeben (wenn RC_avail() neue Daten auf allen Kanälen meldet).

Schritt 6: Sender kalibrieren

Ausgegebenen Pulsbreiten nutzen, um Arrays RC_min[], RC_mid[], RC_max[] manuell anzupassen (Vollausschlag für beste Auflösung).

Schritt 7: Kalibrierte Kanäle ausgeben

print_RCpwm() auskommentieren. RC_decode(Kanal) wandelt in ±1 um. Mit decimal2percentage() + Serial.println() ausgeben.

Schritt 8: Fail-Safe setzen

RC_failsafe[] pro Kanal auf ±1 einstellen. Sender aus/ein → Fail-Safe testen. RC-Eingang nun im Sketch nutzbar.

Hinweis: Evtl. Fail-Safe im Empfänger deaktivieren, sonst reagiert Arduino nicht auf Signalverlust.

Empfänger-Framerate & Frequenz anzeigen

Pulswiederholungsperiode & Frequenz per Serial ausgeben. PWM_read(Kanal) prüft neue Daten, dann PWM_period(), PWM_freq(). Beispiel in RC_FrameRate.ino. Ersten Kanal nutzen (erster Puls pro Frame). PWM_read() vor RC_decode() aufrufen (gleiche Flags).

Periode nützlich: Zeit bis nächster Datensatz. Wenn RC_avail() nach z. B. 21 ms keine neuen Daten → RC_decode() aufrufen (Fail-Safe triggern / PID-Controller stabil weitertakten). In RC_Read_Example.ino:

now = millis();
if(RC_avail() || now - rc_update > 21) {
  rc_update = now;
  // RC_decode() nutzen
  // PID regeln
  // Servo-Mixing
  // Servos positionieren
}

Servo-Mixing-Beispiel

RC_ServoMixer_Example.ino zeigt Mischen von 2 Empfänger-Kanälen (Kanal 2 & 3: Höhe & Quer) auf 2 Servos (Servo-Library an Pin 9 & 10). Richtung, Rate, Sub-Trim einstellbar.

Mischung: mix1 = Ch2 - Ch3, mix2 = Ch2 + Ch3, Ausgabe auf ±1 begrenzen. Vor Servo-Ansteuerung: ±100 % → µs-Pulsbreite. Funktion calc_uS() unten im Sketch.

Standard: 1500 µs Neutral, ±500 µs → 1000 µs (−100 %) bis 2000 µs (+100 %). Mit Rate, Richtung, Sub-Trim:

Puls [µs] = 1500 + (Servo_Position_% × Rate × Richtung + SubTrim) × 500

Richtung, Rate, Sub-Trim können statisch oder dynamisch (per weiterem Empfängerkanal) geändert werden.

Begründung des Ansatzes

pulseIn(PIN, HIGH) blockiert loop() bis Pulsende – verschwendete CPU-Zeit, bei mehreren Eingängen Datenverlust. Pin-Change-Interrupts + direkte Port-Manipulation = minimale Verzögerung in loop(), aber aufwendiger. Lösung: Generischer Code (.ino-Datei) kopieren, Pins angeben, Funktionen nutzen – Vorteile beider Welten.

Limitierungen

micros()-Funktion

4 µs Schritte → 4 µs Genauigkeit bei 1000–2000 µs Puls. Praktisch ausreichend. 0,5 µs via Timer-Interrupts möglich (Instructables-Link).

Effizienz von PWMread_RCfailsafe.ino

Bei 6/9-Kanal-Empfänger: 1,4–2,0 % CPU-Zeit in ISR – akzeptabel. ISR-Laufzeit pro Kanalanzahl:

• 1 Kanal < 8 µs
• 2 Kanäle < 12 µs
• 3 Kanäle < 16 µs
• 4 Kanäle < 20 µs
• 5 Kanäle < 20 µs
• 6 Kanäle < 24 µs

Mehr Kanäle → längere ISR (FOR-Schleife prüft alle Kanäle bei jedem Interrupt). Bei niedriger Frequenz (50 Hz) vernachlässigbar.

+ ~4 µs ISR-Overhead (Ein-/Austritt). Pro Puls 2× ISR (Anstieg + Abfall).

Bei 6 Eingängen: 2 × (4 + 24) = 56 µs pro Puls (min. messbare Pulsbreite). Alle 6 Kanäle: 336 µs. Bei 20 ms Periode → 1,68 % ISR-Last (deutlich besser als pulseIn(), das bis 20 ms blockiert). Bei 2 Kanälen nur 0,16 %.

Maximale praktische Frequenz

Für andere Zwecke: max. ~2,5 kHz (100 Schritte Auflösung via micros()). Bei 1 Eingang & 2,5 kHz: 3 % ISR-Last → min. Duty 0,03 → min. Puls 12 µs. Höhere Frequenzen: ISR anpassen.