UAV021（六）：系统架构优化、SBUS协议、遥控器控制电机转动
生活随笔
收集整理的這篇文章主要介紹了
UAV021（六）：系统架构优化、SBUS协议、遥控器控制电机转动
小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.
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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