UAV021(六):系统架构优化、SBUS协议、遥控器控制电机转动
目录
- 序
- 一、系统架构优化
- 1.1 从全局变量到API函数
- 1.2 函数传值
- 二、SBUS协议读取及解析
- 2.1 协议格式
- 2.2 协议解析
- 2.3 程序设计
- 2.3.1 头文件一览
- 2.3.2 串口配置与捕获解析Sbus帧
- 2.2.3 数据解析细节
- 2.3.4 遥控器校准与测试
- 2.4 测试效果
- 2.4.1 协议采集与解析
- 2.4.2 遥控器控制电机
序
系统架构优化部分主要实现设计API代替直接引用全局变量。
Sbus协议是遥控器常用协议,此文将实现读取并解析协议内容。
作为测试,使用遥控器油门控制PWM,调节电机转速。
一、系统架构优化
1.1 从全局变量到API函数
之前实现的程序里定义了几个全局变量,例如全局的时间计时 tim,姿态角结构体 atti 等。全局变量会增强文件之间的关联性,定义、声明、赋值、应用可能在不同的文件,使得变量难以管理。对此,改用API接口的形式,一个简单的例子如下:
在 timer.c 里实现一个每 0.1ms 加1的变量 tim。之前的做法是把此变量作为全局变量使用,也即在 timer.c 里定义并赋值,在 timer.h 里使用 extern 关键词说明,其他文件只要包含 timer.h 即可使用此变量。下面分别是 timer.h, timer.c 和 attitude.c 里面定义和使用 tim 的情况:
// timer.h extern uint32_t tim; // timer.c uint32_t tim; void TIM6_DAC_IRQHandler(void) {if(__HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&TIM6_Handler, TIM_IT_UPDATE) !=RESET){__HAL_TIM_CLEAR_IT(&TIM6_Handler, TIM_IT_UPDATE); // 清除中断标志位}tim ++; // 又是0.1ms,全局时间计数加1 } // attitude.c #include "timer.h"Ts = (float)(tim - last_t) / 10.0 / 1000.0; // 0.1ms加1 = 1/10/1000s加1last_t = tim; // 更新时间这种方式有一定缺点,一是只读到 attitude.c 突然给 last_t 赋值 tim 容易让人迷惑,可能需要跳转到定义后才发现原来这是一个全局变量。对于其他一些变量,我们还想追踪在哪里赋值的,这将让问题更加复杂。二是在 attitude.c 里,我们仍然可以修改 tim 的值,这会让变量变得不安全。还有要避免命名重复,不然会让人脑阔疼的。
使用API函数后,可以有效解决上面的问题。
我们再在 timer.c 里定义一个函数 GetTimeApi(),当然,在头文件里声明:
// timer.h uint32_t GetTimeApi(void); // timer.cuint32 tim_;// 定时器6中断服务函数 void TIM6_DAC_IRQHandler(void) {if(__HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&TIM6_Handler, TIM_IT_UPDATE) !=RESET){__HAL_TIM_CLEAR_IT(&TIM6_Handler, TIM_IT_UPDATE); // 清除中断标志位}tim_ ++; // 又是0.1ms,全局时间计数加1 }/* 获取全局时间接口 */ uint32_t GetTimeApi(void) {return tim_; } // attitude.c #include "timer.h"Ts = (float)(GetTimeApi() - last_t) / 10.0 / 1000.0; // 0.1ms加1 = 1/10/1000s加1last_t = GetTimeApi(); // 更新时间做两个小小的约定,提供全局变量的函数以 Api 结束,全局变量以 下划线结束。
此时,使用函数的方式代替变量,程序可读性、安全性和独立性都增强,是一个不错的选择。
1.2 函数传值
注意函数的定义问题,以姿态结构体的传递为例,比较以下两个函数:
struct ATTI_t atti_; /* 获取姿态接口 */ void GetAttiApi(struct ATTI_t *atti) {atti->theta = atti_.theta;atti->phi = atti_.phi;atti->psi = atti_.psi; } struct ATTI_t atti_; /* 获取姿态接口 */ void GetAttiApi(struct ATTI_t atti) {atti.theta = atti_.theta;atti.phi = atti_.phi;atti.psi = atti_.psi; }我们希望的是传入GetAttiApi() 函数的结构体变量 atti 能够获取真实姿态 atti_ 的数据。第一种定义,使用指针的方式是有效的;第二种定义无效,atti 作为形参,函数调用结束后即被释放,不能达到预期效果。
因此,一般我们都采用指针来传值。数组和指针有一样的效果,因为数组名就是指向该数组第一个数值得指针,以下两段程序是等价的:
/* 获取三轴加速度接口 */ void GetAccelDataApi(float acc[3]) {acc[0] = acc_[0];acc[1] = acc_[1];acc[2] = acc_[2]; } /* 获取三轴加速度接口 */ void GetAccelDataApi(float *acc) {acc[0] = acc_[0];acc[1] = acc_[1];acc[2] = acc_[2]; }二、SBUS协议读取及解析
2.1 协议格式
协议帧很简洁,一帧包括25字节数据:
首部(1字节)+ 数据(22字节)+ 标志位(1字节)+ 结束符(1字节)
这里容易有一个思维定势,就是里面的22个数据是从头到尾每11位作为一个通道的。认真看协议解析容易发现刚好是相反的(吐槽ing),是从尾到头每11位放一块。请看这张经典图片(全网几乎只此一张):
并不是第一个字节与第二个字节的高三位组合在一起,而是与低三位。其实,反过来看就对劲了:
第三个字节的12被拿走了,于是有345678,不够从第二个字节拿,又拿了12345;
第二个字节被拿走了黄色的,只剩 678了,没有了继续从第一个字节拿,拿到了12345678。
2.2 协议解析
整个协议可用串口进行解析:
8位数据 2位停止位 1位校验位 波特率100kHz这个100kHz是非标准的,一般的串口助手不支持,只能解析出来之后再使用串口打印(吐槽ing)。
Sbus协议里,使用TTL电平,高电平(3.3V)代表逻辑 ‘0’,低电平代表逻辑 ‘1’,逻辑反了无所谓,取个反不就可以吗?还真不可以。虽然网上都说要硬件取反,还是抱着侥幸心理试一试,果然不行。非要硬件取反一下,一般的接收机也不带这功能,简直是个设计bug(吐槽ing)。
硬件取反电路如下,实际上就是一个很简单的三极管电路。Sbus的信号从基极输入,从集电极输出。基极输入 ‘0’,集电极上拉输出 ‘1’;基极输入 ‘1’,三极管导通,输出被拉低为 ‘0’,实现了反向。
不过为什么软件直接取反不行呢?还是没有想清楚,目前个人理解是接收机输出的驱动不足,或者和单片机引脚电阻不匹配?只能通过通过三极管放大来驱动引脚?暂不猜测,继续往下。总之吐槽了三次,觉得这个协议没有多少人性化的地方,它的成功或许是靠着强大的商业资本吧。
知道了规则,便可以使用串口进行解析了,请看程序。
2.3 程序设计
2.3.1 头文件一览
先看头文件,可见此文件主要功能:
包括两个宏定义、两个结构体,SBUS_t 用于存储一帧数据,MC6C_t 专门针对 MC6C遥控器,仅六通道数据。
后面还有 SBUS硬件初始化,也即配置串口2的函数;Sbus协议解析任务;遥控器校准函数,也即将遥控数据映射到想要区间;测试遥控器控制电机任务。
最后是两个API函数,向外提供遥控器数据。
2.3.2 串口配置与捕获解析Sbus帧
之前使用了 USART1,用于调试打印,此处使用 USART2。
串口配置流程如下:
2.2.3 数据解析细节
注意到 SbusParseTask() 里面延时的位置。正常的思维是放在while(1) 的最后一行,也即 if else外,此处就不行了(为此冥思苦想了几个小时,排除各种可能,偶然解决问题后才想通)。
如果把延时放在最后 if else外,逻辑是这样的:解析完此帧后,使能中断,这个函数还在延时100ms的路途中,接收机的数据蜂拥而至,一直发一直发,不出bug就不正常了。
但是把这100ms放在 if else内的开启中断和接收下一帧前,不过这 100ms,打死也进不来中断的,实现了解析完一帧,休息一下,再解析下一帧的目的,这是我们预期的效果。
2.3.4 遥控器校准与测试
上面的内容以及成功获取遥控器指令,存储在 sbus_ 结构体之中。比如油门(第三通道)数据,取值可能在196 ~1289之间。这个数据不能直接使用,现在我们希望将这个数据转化在 400 ~ 800(程序里有解释)之间,用于直接调节电机占空比。因此我们需要做一个线性变化,将油门的数据变化到我们想要的区间。其他通道亦如此,暂且习惯性地叫做“校准”吧。
除此之外,我们设计遥控器控制电机的任务,也即读取遥控器油门数据,转化为PWM波控制电机转速。两个API接口函数也在此,不再赘述。
// sbus.c 遥控器校准与控制电机测试部分 /* CH1 -- 俯仰角, 归中0°, 最大最小 ±30° CH2 -- 滚转角, 归中0°, 最大最小 ±30° CH3 -- 油门, 归中0°, 最大设置占空比 80%, 最小设置占空比 40%, 电调驱动频率为400Hz=2.5ms, 40%=1ms, 80%=2ms CH4 -- 偏航角角速度, 归中0°/s, 最大最小 ±36°/s CH5 -- 档位, 上中下分别为 1, 2, 3三档 CH6 -- 档位, 上下分别为 1, 2两档 */void CaliMc6cData(struct MC6C_t *mc6c) {static const float mc6c_min[6] = {64, 174, 196, 129, 193, 200}; // 转动摇杆,各通道最小值,本为 uint16_t,为方便计算直接为 floatstatic const float mc6c_max[6] = {1812, 1800, 1289, 1833, 1973, 1544}; // 转动摇杆,各通道最大值static const float mc6c_mid[6] = {1030, 1001, 489, 948, 996, 200}; // CH6 只有两通道float k;float b;// CH1 映射, [64, 894] --> [-30, 0]; [894, 1812] --> [0 30]if (mc6c->ail < mc6c_mid[0]){k = (0 - (-30)) / (mc6c_mid[0] - mc6c_min[0]);b = 0 - k * mc6c_mid[0];mc6c->ail = k * mc6c->ail + b;}else{k = (30 - 0) / (mc6c_max[0] - mc6c_mid[0]);b = 0 - k * mc6c_mid[0];mc6c->ail = k * mc6c->ail + b;}// CH2 映射, [174, 1001] --> [-30, 0]; [1001, 1800] --> [0 30]if (mc6c->ele < mc6c_mid[1]){k = (0 - (-30)) / (mc6c_mid[1] - mc6c_min[1]);b = 0 - k * mc6c_mid[1];mc6c->ele = k * mc6c->ele + b; }else{k = (30 - 0) / (mc6c_max[1] - mc6c_mid[1]);b = 0 - k * mc6c_mid[1];mc6c->ele = k * mc6c->ele + b;} // CH3 映射, [196, 1289] --> [400, 800]if (mc6c->thr < mc6c_min[2])mc6c->thr = mc6c_min[2];else if (mc6c->thr > mc6c_max[2])mc6c->thr = mc6c_max[2];else{k = (800 - 400) / (mc6c_max[2] - mc6c_min[2]);b = 400 - k * mc6c_min[2];mc6c->thr = k * mc6c->thr + b;}// CH4 映射,[129, 948] --> [-36, 0]; [948, 1833] --> [0, 36]if (mc6c->rud < mc6c_mid[3]){k = (0 - (-36)) / (mc6c_mid[3] - mc6c_min[3]);b = 0 - k * mc6c_mid[3];mc6c->rud = k * mc6c->rud + b;}else{k = (36 - 0) / (mc6c_max[3] - mc6c_mid[3]);b = 0 - k * mc6c_mid[3];mc6c->rud = k * mc6c->rud + b;}// CH5 映射,得到三档分别赋值 1,2,3if (mc6c->ch5 < (mc6c_min[4] + mc6c_mid[4]) / 2)mc6c->ch5 = 1;else if (mc6c->ch5 < (mc6c_mid[4] + mc6c_max[4]) / 2)mc6c->ch5 = 2;elsemc6c->ch5 = 3;// CH6 映射,得到两档分别赋值 1,2if (mc6c->ch6 < (mc6c_min[5] + mc6c_max[5]) / 2)mc6c->ch6 = 1;elsemc6c->ch6 = 2; }/* MC6C遥控器数据接口 */ /* 依赖SbusParseTask()任务 */void GetMc6cDataApi(struct MC6C_t *mc6c) {mc6c->ail = (float)sbus_.ch[0];mc6c->ele = (float)sbus_.ch[1];mc6c->thr = (float)sbus_.ch[2];mc6c->rud = (float)sbus_.ch[3];mc6c->ch5 = sbus_.ch[4];mc6c->ch6 = sbus_.ch[5];CaliMc6cData(mc6c); }/* 获取遥控器数据接口 */ /* 目前未使用此函数 */ void GetSbusDataApi(struct SBUS_t *sbus) {sbus->head = sbus_.head;sbus->flag = sbus_.flag;sbus->end = sbus_.end ;sbus->ch[0] = sbus_.ch[0]; sbus->ch[1] = sbus_.ch[1]; sbus->ch[2] = sbus_.ch[2]; sbus->ch[3] = sbus_.ch[3]; sbus->ch[4] = sbus_.ch[4]; sbus->ch[5] = sbus_.ch[5]; sbus->ch[6] = sbus_.ch[6]; sbus->ch[7] = sbus_.ch[7]; sbus->ch[8] = sbus_.ch[8];sbus->ch[9] = sbus_.ch[9]; sbus->ch[10] = sbus_.ch[10];sbus->ch[11] = sbus_.ch[11];sbus->ch[12] = sbus_.ch[12];sbus->ch[13] = sbus_.ch[13];sbus->ch[14] = sbus_.ch[14];sbus->ch[15] = sbus_.ch[15]; }/* 遥控器控制电机测试 */ /* 遥控器油门将调节电机占空比 */ void TestCtrlMotorTask(void *arg) {struct MC6C_t mc6c;while (1){GetMc6cDataApi(&mc6c);SetMotorDutyApi(MOTOR1, (uint16_t)mc6c.thr); // MOTOR1, 引脚为TIM3 CH1, PB4SetMotorDutyApi(MOTOR2, (uint16_t)mc6c.thr); // MOTOR2, 引脚为TIM3 CH2, PB5SetMotorDutyApi(MOTOR3, (uint16_t)mc6c.thr); // MOTOR3, 引脚为TIM3 CH3, PB0SetMotorDutyApi(MOTOR4, (uint16_t)mc6c.thr); // MOTOR4, 引脚为TIM3 CH4, PB1delay_ms(200);} }2.4 测试效果
2.4.1 协议采集与解析
运行结果如下,正常时,head为0x0F,flag为0x00,end为0x00。
2.4.2 遥控器控制电机
现在已经开启四路电机输出PWM波,随便测一路即可,输入捕获也开启,遥控器也接上,引脚如下:
PWM1 -- PB4 PWM2 -- PB5 PWM3 -- PB0 PWM4 -- PB1 CAP -- PA0 SBUS_TX -- PA3注意:
有一个问题,依旧没有解决,遥控器油门通道总是有跳变,其他通道正常,一直没找到bug,如果遇到相同问题或解决办法,讨论区见。
此时接收Sbus协议帧没有使用DMA,后期将优化。
完整工程源程序下载需积分:https://download.csdn.net/download/weixin_41869763/13054663
— 完 —
总结
以上是生活随笔为你收集整理的UAV021(六):系统架构优化、SBUS协议、遥控器控制电机转动的全部内容,希望文章能够帮你解决所遇到的问题。
- 上一篇: cesium 页面截图_Cesium开发
- 下一篇: 人工智能-动物识别专家系统Python实