掌上单片机实验室 - 实现运动功能（10）

一、背景

        前面已完成了硬件激活、编程环境选择、软件框架构建，并且基于软件框架尝试了基于 RTOS 编程，为在此软硬件环境下学习单片机编程做了充分的准备。

        从本篇开始，开始以其为载体，一步步完善其功能、性能，并基于其具备的能力去完成一些有趣的任务，在这个过程中，逐步掌握用单片机解决实际问题的技能。

        掌上单片机实验室实质是一个小车，小车可以衍生出丰富的学习素材。

        首先，让其按照需要运动就涉及到很多内容，如：直流电机驱动、运动反馈、PID调速、堵转保护等，以及两轮差分驱动方式下的直线行走，需要用到很多单片机知识。

        在这些完成后，还可以基于其可动性，去设计、完成一些有趣的任务，如按特定轨迹行走、避障、“搬运”物体等，这些又将蕴含很多学习素材，可以外延到更多的知识范畴。

        可以说，小车是一道有丰富发挥空间的单片机学习应用题。

        既然是小车，第一步就要使其按需运动，本篇就着手实现此功能。

二、需求

        因小车是作为学习平台，考虑到学习成本，使用的是最便宜的130直流电机，性能较低，用 PWM 调功方式很难得到期望的转速，阻力稍有变化将会改变转速。为使小车能按需要行走，控制车轮转速是必须的。

        而控制转速首先需要测速！同样由于成本原因，小车码盘是在轮毂上直接做的，只有60齿，分辨率太低，尤其是用于PID调速时，计算周期如果设计为20ms，最快时才几个脉冲，无法满足计算需求，因此需要通过算法提高测速分辨率。

        综合而言，驱动小车运动的需求如下：

        1、可以方便的驱动电机

        2、可实现满足调速要求的测速

        3、可控制车轮转速

        4、可控制车轮行走距离

三、设计

3.1 驱动任务构思

        前面虽然实现了电机的驱动，能让小车动起来，但那个只是为了硬件测试，功能设计比较简单。

        此处要实现的驱动是为了满足后续小车的行为可控，能根据需要完成相应的轨迹运动，速度、距离可控，能完善、可靠的执行相应的操作命令，且易于和其它任务交互，协同实现期望的功能。

        按面向对象的思路，拟将两个车轮的驱动作为对象，将小车运动的相关功能均纳入，以其为基础构建一个任务：驱动任务。

        驱动任务应包含：

        1）电机驱动

        2）测速

        3）调速

        4）距离控制

        5）左、右轮配合实现运动轨迹控制

        6）电机驱动保护

        7）当前电机工作状态反馈

        上述功能的罗列顺序是基于相互依存关系的，按上述顺序实现各个功能，驱动任务应能满足需求。

        因为要驱动两个电机，功能一样，故考虑使用类方式实现电机驱动相关功能，以简化编程。

3.2 电机驱动

        电机驱动在前面做测试任务时已经完成，此处从实际使用角度再优化一下即可。

        电机驱动电路支持电机的4个工作状态：前进、后退、惰行、刹车。

        前进、后退不难理解，惰行和刹车需要说明一下：

        惰行 —— 是指在停止 PWM 信号后，电机驱动H桥使电机线圈处于开路状态，电机转子会由于惯性，继续转动到机械阻力使其停止。

        刹车 —— 是指在停止 PWM 信号后，电机驱动H桥使电机线圈处于短路状态，电机转子由于惯性转动产生的感应电势形成电流，产生阻力，和机械阻力共同作用使其停止。

        在精确控制行走距离时，应运用刹车功能，降低惯性产生的误差。

        平时待命状态，可以使其处于惰行状态，可以轻松的用手转动轮子。

        测试任务中设计的电机驱动函数，使用PWM百分比作为驱动信号，范围为 -100 ~ 100，负数对应后退，正对应前进，0 对应停止。

        补充定义：

        127 ——  对应刹车

        0 —— 对应惰行

        此外，增加对PWM频率的初始化，因为STM32Duino支持改变PWM频率，不过是哪些IO有效，有待测试确定。

        同时，STM32Duino的 PWM 输出在内部要和 PWM 引脚对应的硬件定时器关联，所以在选择两个电机的 PWM 引脚时，需要考虑用哪个定时器，最好使用一个定时器的两个通道，这样可以少占用硬件定时器。

        根据STM32F103C8 资料，目前电机驱动用引脚需要调整为：

        左侧 CT1、2、3 使用 PB6、PB5、PB4；右侧不变。

        这样PWM驱动使用 PB6、PB7， 对应 TIM4 的CH1、CH2。原来的驱动函数略作修改即可。

3.3 测速

        测速是调速的基础，通常使用合适分辨率的编码器即可方便实现。但此小车在设计时，主要考虑到降低成本，以减轻学生负担，故只是在轮毂上设计了遮光齿，用光电检测实现简易的转动反馈。

        目前的一圈是 60 齿，如果测速周期为10 ~ 20ms，对应最高转速（电机空载转速9800转/分，减速比1:48）3.4转/秒，每个测速周期才计数 2 ~ 4 个脉冲；如果用计数方式测速，明显速度分辨率太低。而周期方式测速由于周期随速度变化，不方便作为调速信息，故一般不采用。

        因此，如果要使用此信号作为调速的反馈信号，实现PID转速控制，必须采用倍频技术，将脉冲分辨率至少提高100倍。

        基于正常转动的特征：相邻两个脉冲的周期不会突变（排除干扰造成的脉冲丢失、抖动等异常状况）。

        拟用计数和测周期两种方式组合，实现倍频，以提高分辨率。具体处理方式为：

        在测速周期内，一方面对脉冲计数，得到完整脉冲的计数值。同时测量每个脉冲的周期，保存上一个脉冲的周期值（也可以保留前几个脉冲的平均值，以提高可靠性），为计算非完整脉冲做准备。

        当测速周期到时，读取当前脉冲周期测量“已计量的时间“，除保存的“前一脉冲周期值”，即可得到非完整脉冲值 0. XX ，从而提高分辨率。

        图示如下：

        注意：下一测速周期开始后的第一个脉冲计数不应该加1，而是加（1- 0. XX）。

        用此方法理论上可以提高到很高分辨率，但由于转动部分的阻力不均匀，导致脉冲周期会有波动，所以过高倍频没有实际意义，尤其是在速度变化过程中。在速度稳定时可以适当提高倍数，以提高控制的精度。

        在编程处理中，要避免非完整脉冲计算时产生大于 1 的结果。

        为减少浮点运算，简化算法，将脉冲计数单位扩大，每个完整脉冲计数值为256，相当于256倍频，这样用左移一个字节即可实现完整脉冲数的变换。

        在目前程序框架中，转动脉冲计数仍用中断完成，脉冲周期测量尝试直接在中断中读取当前系统计时值计算得到，利用Arduino 的 micros（）函数实现，取代通常读取硬件计时器，尝试一下，看看是否可行，这样可以弱化程序对硬件的依赖。

        测速周期通过设计为 5ms 的倍数，故非完整脉冲的测量在 Tick 中断中实现，同样利用 micros（）函数。使用中注意 micro（）返回值溢出处理，按 4 字节应该约 71 分钟溢出。

        注意：因为Tick从 1ms 修改为 5ms，Arduino 的系统时间均因此而改变，micros()、millis() 函数单位因此扩大了 5 倍，变为 5us、5ms，delay() 函数也一样。

3.4 调速

        调速通常使用 PID 算法， Arduino 资源中有很多分享的库，此处尝试 PID_V2，这是在原来Arduino推荐的 PID 库基础上完善的库。

3.5 距离控制

        这个比较简单，基于轮毂上的码盘即可，但由于码盘精度较低，故距离控制精度也不高，大约是3.5mm（轮子直径65mm，一圈脉冲60个）。

        运动轨迹等功能后一步再实施，这一步先完成这些。

        为了能操作上述功能，必须有相应的控制协议，才能通过串口命令操作。

3.6 控制命令定义

        取消原来的测试命令，改为：

        1) 命令3：读工作状态命令（Key = 3，Len = 0）

                0x03 0x00 0x00

        应答内容：

        0x03 0x0E 0x00 左侧电机工作参数（2字节） 右侧电机工作参数（2字节）左侧剩余运行参数（2字节）右侧剩余运行参数（2字节） 左侧供电电压（1字节）右侧供电电压（1字节）左侧供电电流（2字节）右侧供电电流（2字节）

        2）命令4：PWM方式定时运行（Key = 4，Len = 8，Val：2字节左侧 PWM，2字节右侧 PWM，2字节左侧时间，2字节右侧时间）  

                0x04 0x08 0x00  左侧电机PWM（2字节） 右侧电机PWM（2字节）2字节左侧时间 2字节右侧时间

        PWM 为 2 字节有符号数，-100 ~ 100，正数前进，负数倒退，0 - 惰行，127 - 刹车，-128 - 无效PWM，不操作

        时间单位：秒

        应答内容：

        0x04 0x0E 0x00 左侧电机PWM（2字节） 右侧电机PWM（2字节）左侧剩余运行时间（2字节）右侧剩余运行时间（2字节） 左侧供电电压（1字节）右侧供电电压（1字节）左侧供电电流（2字节）右侧供电电流（2字节）

        3）命令5：PWM方式定距离运行（Key = 5，Len = 8，Val：2字节左侧 PWM，2字节右侧 PWM，2字节左侧距离，2字节右侧距离）  

                0x05 0x08 0x00 左侧电机PWM（2字节） 右侧电机PWM（2字节）2字节左侧距离 2字节右侧距离

        PWM 为 2 字节有符号数，-100 ~ 100，正数前进，负数倒退，0 - 惰行，127 - 刹车，-128 - 无效PWM，不操作

        距离单位：mm

        应答内容：

         0x05 0x0E 0x00  左侧电机PWM（2字节） 右侧电机PWM（2字节）左侧剩余运行时间（2字节）右侧剩余运行时间（2字节） 左侧供电电压（1字节）右侧供电电压（1字节）左侧供电电流（2字节）右侧供电电流（2字节）

        4）命令6：速度方式定时运行（Key = 6，Len = 8，Val：2字节左侧速度，2字节右侧速度，2字节左侧时间，2字节右侧时间）  

                0x06 0x08 0x00  左侧电机速度（2字节） 右侧电机速度（2字节）2字节左侧时间 2字节右侧时间

        速度为 2 字节有符号数，单位：mm/s，正数前进，负数倒退，0 - 惰行，32767 - 刹车，-32768 - 无效速度，不操作

        时间单位：秒

        应答内容：

        0x06 0x0E 0x00  左侧电机速度（2字节） 右侧电机速度（2字节）左侧剩余运行时间（2字节）右侧剩余运行时间（2字节） 左侧供电电压（1字节）右侧供电电压（1字节）左侧供电电流（2字节）右侧供电电流（2字节）

        5）命令7：速度方式定距离运行（Key = 7，Len = 8，Val：2字节左侧速度，2字节右侧速度，2字节左侧距离，2字节右侧时间距离）  

                0x07 0x08 0x00  左侧电机速度（2字节） 右侧电机速度（2字节）2字节左侧距离 2字节右侧距离

        速度为 2 字节有符号数，单位：mm/s，正数前进，负数倒退，0 - 惰行，32767 - 刹车，-32768 - 无效速度，不操作

        距离单位：mm

        应答内容：

        0x07 0x0E 0x00 左侧电机速度（2字节） 右侧电机速度（2字节）左侧剩余运行距离（2字节）右侧剩余运行距离（2字节） 左侧供电电压（1字节）右侧供电电压（1字节）左侧供电电流（2字节）右侧供电电流（2字节）

四、实施

        两侧电机的驱动是一样的，利用 Arduino 支持 C++ 的特性，定义一个电机驱动类，将电机驱动相关的操作封装在一起。

        因 PID 调速使用的是库，它也是定义为类，故未纳入到自己定义的电机驱动类中。

        驱动类定义如下：

        使用时实例化为左右两个电机驱动即可：

        驱动类需要完成：

        1）驱动电机：输入带符号的PWM，转换为电机驱动的信号。

 

        2）测速，包含两个部分，脉冲计数和转速计算：

        脉冲中断服务中调用脉冲计数函数，一是完成测速周期中的脉冲计数，二是测得脉冲周期：

 

        中断函数暂时放置在任务中，因为还有一些任务级的操作，如距离控制。

        转速计算是基于测速周期中的脉冲计数，以及脉冲周期，通过上述倍频算法得到转速值，此处是256倍频，是为了简化计算，用左移8位代替了乘法：

 

 3）为了实现堵转保护，先实现电机供电电压和电流的检测：

        用类的方式编写，感觉比函数逻辑更清晰。

        做上述修改后，任务间的信息交互重新定义：

        上述基础工作完成后，编写驱动任务。

        驱动任务框架和原来的测试任务类似，主要有三部分：

        1）接收主任务发来的消息，并根据操作命令启动相应的操作

        2）每个Tick 唤醒后执行相应的处理，在此包含：速度计算、电机电压电流采集、当前操作命令的执行（如定时运转的计时处理，以及PID调速处理）

        3）定时将驱动任务的工作状态发送给主任务。

        PID 调速使用第三方分享的库，实际上只是在定速运行状态下，每次将当前速度送给PID计算函数处理，得到后续电机驱动的 PWM 值。其余和正常运行没有区别，其核心是用于计算的三个系数。

        这一步只是将PID调速功能加入的到电机驱动过程中，但还未实现真正的调速，因为三个参数需要根据小车的实际特性调整，这个过程有相当的技巧。目前随意设置了几个数值，所以在定速运行时，转速呈震荡状态，下一步实现参数的整定（确定PID参数的过程称之为“整定”）。

        同前，单片机端程序修改后，配套的PC端辅助程序也需要相应修改。程序逻辑不变，只是根据修改后的协议，调整相应的参数处理及数据显示即可，修改后的PC程序界面如下：

        至此，以实用为目标的电机驱动任务基本完成，还差PID调速的完善以及堵转保护。

        PID 参数整定以往我是做了一个速度输出，并且 PC 端对应做了谱图功能，根据图形手工计算确定相应的参数。

        这次我想尝试一下“自整定”，Arduino 提供了相应的库，看看效果如何。下一步的练习就是它了。

五、结语

        因为这是学习编程，其核心是如何将现实世界的需求转化为程序代码；而构建代码的完整过程很难描述，最佳方式就是一步步地呈现代码的变化，通过前后比较，逐步悟出代码是如何从无到有的。

        基于程序框架编写使得这个变化过程更清晰。

        这一步重新编写测试任务，将其变为驱动任务；主任务只做了很少的改变，其余任务未变。

        对于学习者而言，这样就很容易比较程序前后的变化。

        这既是一个分享的过程，也是自身提高的过程；因为我是非科班出身，编程技巧是在工作中不断学习、摸索的，是随着技术的进步而提升的。在后续过程中，我会不断尝试新的方式，不一定都正确、合理，但可以供大家参考；一种方法是否好，至少要有人去尝试，就算是抛砖引玉吧。

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文中程序下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/1Mkh3xlxebdqSBJkT3ilzBA

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