UAV021(六):系统架构优化、SBUS协议、遥控器控制电机转动
目錄
- 序
- 一、系統架構優化
- 1.1 從全局變量到API函數
- 1.2 函數傳值
- 二、SBUS協議讀取及解析
- 2.1 協議格式
- 2.2 協議解析
- 2.3 程序設計
- 2.3.1 頭文件一覽
- 2.3.2 串口配置與捕獲解析Sbus幀
- 2.2.3 數據解析細節
- 2.3.4 遙控器校準與測試
- 2.4 測試效果
- 2.4.1 協議采集與解析
- 2.4.2 遙控器控制電機
序
系統架構優化部分主要實現設計API代替直接引用全局變量。
Sbus協議是遙控器常用協議,此文將實現讀取并解析協議內容。
作為測試,使用遙控器油門控制PWM,調節電機轉速。
一、系統架構優化
1.1 從全局變量到API函數
之前實現的程序里定義了幾個全局變量,例如全局的時間計時 tim,姿態角結構體 atti 等。全局變量會增強文件之間的關聯性,定義、聲明、賦值、應用可能在不同的文件,使得變量難以管理。對此,改用API接口的形式,一個簡單的例子如下:
在 timer.c 里實現一個每 0.1ms 加1的變量 tim。之前的做法是把此變量作為全局變量使用,也即在 timer.c 里定義并賦值,在 timer.h 里使用 extern 關鍵詞說明,其他文件只要包含 timer.h 即可使用此變量。下面分別是 timer.h, timer.c 和 attitude.c 里面定義和使用 tim 的情況:
// 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); // 清除中斷標志位}tim ++; // 又是0.1ms,全局時間計數加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; // 更新時間這種方式有一定缺點,一是只讀到 attitude.c 突然給 last_t 賦值 tim 容易讓人迷惑,可能需要跳轉到定義后才發現原來這是一個全局變量。對于其他一些變量,我們還想追蹤在哪里賦值的,這將讓問題更加復雜。二是在 attitude.c 里,我們仍然可以修改 tim 的值,這會讓變量變得不安全。還有要避免命名重復,不然會讓人腦闊疼的。
使用API函數后,可以有效解決上面的問題。
我們再在 timer.c 里定義一個函數 GetTimeApi(),當然,在頭文件里聲明:
// timer.h uint32_t GetTimeApi(void); // timer.cuint32 tim_;// 定時器6中斷服務函數 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); // 清除中斷標志位}tim_ ++; // 又是0.1ms,全局時間計數加1 }/* 獲取全局時間接口 */ 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(); // 更新時間做兩個小小的約定,提供全局變量的函數以 Api 結束,全局變量以 下劃線結束。
此時,使用函數的方式代替變量,程序可讀性、安全性和獨立性都增強,是一個不錯的選擇。
1.2 函數傳值
注意函數的定義問題,以姿態結構體的傳遞為例,比較以下兩個函數:
struct ATTI_t atti_; /* 獲取姿態接口 */ void GetAttiApi(struct ATTI_t *atti) {atti->theta = atti_.theta;atti->phi = atti_.phi;atti->psi = atti_.psi; } struct ATTI_t atti_; /* 獲取姿態接口 */ void GetAttiApi(struct ATTI_t atti) {atti.theta = atti_.theta;atti.phi = atti_.phi;atti.psi = atti_.psi; }我們希望的是傳入GetAttiApi() 函數的結構體變量 atti 能夠獲取真實姿態 atti_ 的數據。第一種定義,使用指針的方式是有效的;第二種定義無效,atti 作為形參,函數調用結束后即被釋放,不能達到預期效果。
因此,一般我們都采用指針來傳值。數組和指針有一樣的效果,因為數組名就是指向該數組第一個數值得指針,以下兩段程序是等價的:
/* 獲取三軸加速度接口 */ void GetAccelDataApi(float acc[3]) {acc[0] = acc_[0];acc[1] = acc_[1];acc[2] = acc_[2]; } /* 獲取三軸加速度接口 */ void GetAccelDataApi(float *acc) {acc[0] = acc_[0];acc[1] = acc_[1];acc[2] = acc_[2]; }二、SBUS協議讀取及解析
2.1 協議格式
協議幀很簡潔,一幀包括25字節數據:
首部(1字節)+ 數據(22字節)+ 標志位(1字節)+ 結束符(1字節)
這里容易有一個思維定勢,就是里面的22個數據是從頭到尾每11位作為一個通道的。認真看協議解析容易發現剛好是相反的(吐槽ing),是從尾到頭每11位放一塊。請看這張經典圖片(全網幾乎只此一張):
并不是第一個字節與第二個字節的高三位組合在一起,而是與低三位。其實,反過來看就對勁了:
第三個字節的12被拿走了,于是有345678,不夠從第二個字節拿,又拿了12345;
第二個字節被拿走了黃色的,只剩 678了,沒有了繼續從第一個字節拿,拿到了12345678。
2.2 協議解析
整個協議可用串口進行解析:
8位數據 2位停止位 1位校驗位 波特率100kHz這個100kHz是非標準的,一般的串口助手不支持,只能解析出來之后再使用串口打印(吐槽ing)。
Sbus協議里,使用TTL電平,高電平(3.3V)代表邏輯 ‘0’,低電平代表邏輯 ‘1’,邏輯反了無所謂,取個反不就可以嗎?還真不可以。雖然網上都說要硬件取反,還是抱著僥幸心理試一試,果然不行。非要硬件取反一下,一般的接收機也不帶這功能,簡直是個設計bug(吐槽ing)。
硬件取反電路如下,實際上就是一個很簡單的三極管電路。Sbus的信號從基極輸入,從集電極輸出。基極輸入 ‘0’,集電極上拉輸出 ‘1’;基極輸入 ‘1’,三極管導通,輸出被拉低為 ‘0’,實現了反向。
不過為什么軟件直接取反不行呢?還是沒有想清楚,目前個人理解是接收機輸出的驅動不足,或者和單片機引腳電阻不匹配?只能通過通過三極管放大來驅動引腳?暫不猜測,繼續往下。總之吐槽了三次,覺得這個協議沒有多少人性化的地方,它的成功或許是靠著強大的商業資本吧。
知道了規則,便可以使用串口進行解析了,請看程序。
2.3 程序設計
2.3.1 頭文件一覽
先看頭文件,可見此文件主要功能:
包括兩個宏定義、兩個結構體,SBUS_t 用于存儲一幀數據,MC6C_t 專門針對 MC6C遙控器,僅六通道數據。
后面還有 SBUS硬件初始化,也即配置串口2的函數;Sbus協議解析任務;遙控器校準函數,也即將遙控數據映射到想要區間;測試遙控器控制電機任務。
最后是兩個API函數,向外提供遙控器數據。
2.3.2 串口配置與捕獲解析Sbus幀
之前使用了 USART1,用于調試打印,此處使用 USART2。
串口配置流程如下:
2.2.3 數據解析細節
注意到 SbusParseTask() 里面延時的位置。正常的思維是放在while(1) 的最后一行,也即 if else外,此處就不行了(為此冥思苦想了幾個小時,排除各種可能,偶然解決問題后才想通)。
如果把延時放在最后 if else外,邏輯是這樣的:解析完此幀后,使能中斷,這個函數還在延時100ms的路途中,接收機的數據蜂擁而至,一直發一直發,不出bug就不正常了。
但是把這100ms放在 if else內的開啟中斷和接收下一幀前,不過這 100ms,打死也進不來中斷的,實現了解析完一幀,休息一下,再解析下一幀的目的,這是我們預期的效果。
2.3.4 遙控器校準與測試
上面的內容以及成功獲取遙控器指令,存儲在 sbus_ 結構體之中。比如油門(第三通道)數據,取值可能在196 ~1289之間。這個數據不能直接使用,現在我們希望將這個數據轉化在 400 ~ 800(程序里有解釋)之間,用于直接調節電機占空比。因此我們需要做一個線性變化,將油門的數據變化到我們想要的區間。其他通道亦如此,暫且習慣性地叫做“校準”吧。
除此之外,我們設計遙控器控制電機的任務,也即讀取遙控器油門數據,轉化為PWM波控制電機轉速。兩個API接口函數也在此,不再贅述。
// sbus.c 遙控器校準與控制電機測試部分 /* CH1 -- 俯仰角, 歸中0°, 最大最小 ±30° CH2 -- 滾轉角, 歸中0°, 最大最小 ±30° CH3 -- 油門, 歸中0°, 最大設置占空比 80%, 最小設置占空比 40%, 電調驅動頻率為400Hz=2.5ms, 40%=1ms, 80%=2ms CH4 -- 偏航角角速度, 歸中0°/s, 最大最小 ±36°/s CH5 -- 檔位, 上中下分別為 1, 2, 3三檔 CH6 -- 檔位, 上下分別為 1, 2兩檔 */void CaliMc6cData(struct MC6C_t *mc6c) {static const float mc6c_min[6] = {64, 174, 196, 129, 193, 200}; // 轉動搖桿,各通道最小值,本為 uint16_t,為方便計算直接為 floatstatic const float mc6c_max[6] = {1812, 1800, 1289, 1833, 1973, 1544}; // 轉動搖桿,各通道最大值static const float mc6c_mid[6] = {1030, 1001, 489, 948, 996, 200}; // CH6 只有兩通道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,得到三檔分別賦值 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,得到兩檔分別賦值 1,2if (mc6c->ch6 < (mc6c_min[5] + mc6c_max[5]) / 2)mc6c->ch6 = 1;elsemc6c->ch6 = 2; }/* MC6C遙控器數據接口 */ /* 依賴SbusParseTask()任務 */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); }/* 獲取遙控器數據接口 */ /* 目前未使用此函數 */ 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]; }/* 遙控器控制電機測試 */ /* 遙控器油門將調節電機占空比 */ void TestCtrlMotorTask(void *arg) {struct MC6C_t mc6c;while (1){GetMc6cDataApi(&mc6c);SetMotorDutyApi(MOTOR1, (uint16_t)mc6c.thr); // MOTOR1, 引腳為TIM3 CH1, PB4SetMotorDutyApi(MOTOR2, (uint16_t)mc6c.thr); // MOTOR2, 引腳為TIM3 CH2, PB5SetMotorDutyApi(MOTOR3, (uint16_t)mc6c.thr); // MOTOR3, 引腳為TIM3 CH3, PB0SetMotorDutyApi(MOTOR4, (uint16_t)mc6c.thr); // MOTOR4, 引腳為TIM3 CH4, PB1delay_ms(200);} }2.4 測試效果
2.4.1 協議采集與解析
運行結果如下,正常時,head為0x0F,flag為0x00,end為0x00。
2.4.2 遙控器控制電機
現在已經開啟四路電機輸出PWM波,隨便測一路即可,輸入捕獲也開啟,遙控器也接上,引腳如下:
PWM1 -- PB4 PWM2 -- PB5 PWM3 -- PB0 PWM4 -- PB1 CAP -- PA0 SBUS_TX -- PA3注意:
有一個問題,依舊沒有解決,遙控器油門通道總是有跳變,其他通道正常,一直沒找到bug,如果遇到相同問題或解決辦法,討論區見。
此時接收Sbus協議幀沒有使用DMA,后期將優化。
完整工程源程序下載需積分:https://download.csdn.net/download/weixin_41869763/13054663
— 完 —
總結
以上是生活随笔為你收集整理的UAV021(六):系统架构优化、SBUS协议、遥控器控制电机转动的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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