【树莓派+.NET MF打造视频监控智能车】控制篇(.NET MF)
在上一篇《遥控篇》文章中，我们介绍了Sony PS2手柄信号的采集和编程，通过简单的封装，以事件的方式向我们提供按键信息。本篇文章主要介绍.NET Micro Framework系统接受到按键信息后，如何驱动小车马达和控制机械手的。
无论是驱动小车马达还是控制机械手，都是通过输出PWM来控制的，只是控制PWM输出的方式有些不同而已，我们先介绍一下小车马达的控制。
由于驱动马达需要相对比较大的电流，所以主芯片的IO是无法直接驱动的，中间需要连接一个驱动器。也就是说主芯片输出PWM控制驱动器，由驱动器输出大电流来驱动马达。
一般情况下一个驱动器可以驱动两路马达，而驱动一个马达一般需要两路信号，通过控制两路PWM的输出，来控制马达的转速和方向。我们这款小车选用的是一个带光电隔离，高功率的一个驱动器，一路马达，需要三路IO控制，其中2路是控制方向，一路输出PWM控制小车的转速。
一个驱动器模块，需要4个GPIO（控制方向）2路PWM，加上一路3V3和GND，共8路，我们采用标准.NET Gadgeteer接口进行连接（10个pin：1个3V3,1个5V，1个GND，7个GPIO通道），可以直接插入凌霄开发板上的两个.NET Gadgeteer接口上，接线显的简单直接（上图所示的两个扁平电缆就是）。
机械手控制就更为容易了，一个舵机三根线，电源（5V），地和信号线（PWM），三个舵机，一共需要3路PWM输出控制。注意电源也需要特别提供。PWM由凌霄开发板IO直接输出。
下面介绍一下.NET Micro Framework的PWM接口函数类。
public class PWM : IDisposable { public PWM(Cpu.PWMChannel channel, double frequency_Hz, double dutyCycle, bool invert); public PWM(Cpu.PWMChannel channel, uint period, uint duration, PWM.ScaleFactor scale, bool invert); public uint Duration { get; set; } public double DutyCycle { get; set; } public double Frequency { get; set; } public uint Period { get; set; } public void Start(); public void Stop(); //… 省略一些非主要函数 }
两个构造函数，分别介绍一下。
PWM(Cpu.PWMChannel channel, double frequency_Hz, double dutyCycle, bool invert);
channel – 通道，不同的系统，支持的通道个数不同，比如凌霄系统支持16路，应该算比较多的。
frequency_Hz – 频率，单位是Hz，发出脉冲的频率值。
dutyCycle – 占空比， 一个0~1之间的数，表示一个周期中，高电平持续时间和整个周期的比值。
Invert – 信号翻转，高低电平翻转切换，一般底层都没有处理该参数，所以一般设置为false。
public PWM(Cpu.PWMChannel channel, uint period, uint duration, PWM.ScaleFactor scale, bool invert);
channel – 通道。
period – 周期。单位和scale的选项一致。
duration – 高电平持续时间，单位和周期一致。
scale – 周期的时间单位，可以是毫秒、微秒、纳秒，建议选择微秒。
Invert – 信号翻转。
第一个构造函数，一般控制马达用，参数设置显的比较直观。频率可以是1K~250KHz（建议10K左右）,通过设置占空比的大小（0就是停止，1就是全速），来进行调速。
第二个构造函数，适合控制舵机用，舵机典型的控制曲线如下：
F就是所谓的周期了，如果我们设置scale为微秒，则可以直接设置为20000，所谓的脉宽就是duration的值，你可以设置为1000~2000之间（不同舵机，这个区域的值会有不同，请根据实际进行调整）。
有了以上的介绍，我们就可以很容易地完成马达驱动和舵机控制了。
A.驱动马达
马达驱动控制参数定义：
static PWM[] motor_pwm = new PWM[4]; static double[] frequency = new double[] { 10000, 10000, 10000, 10000 }; static double[] dutyCycle = new double[] { 0, 0, 0, 0}; static bool[] states1 = new bool[] { true, false, true, false, true, false, true, false }; static bool[] states2 = new bool[] { false, true, false, true, false, true, false, true }; static OutputPort[] In = new OutputPort[8];
马达驱动初始化：
//初始化马达控制 //方向IO Cpu.Pin[] pins = new Cpu.Pin[] { Mainboard.Gadgeteer.Socket2.Pin4, Mainboard.Gadgeteer.Socket2.Pin5, Mainboard.Gadgeteer.Socket2.Pin6, Mainboard.Gadgeteer.Socket2.Pin7, Mainboard.Gadgeteer.Socket1.Pin4, Mainboard.Gadgeteer.Socket1.Pin5, Mainboard.Gadgeteer.Socket1.Pin6, Mainboard.Gadgeteer.Socket1.Pin7}; for (int i = 0; i < In.Length; i++) { In[i] = new OutputPort(pins[i], false); } //马达速度PWM输出 Cpu.PWMChannel[] motor_chanels = new Cpu.PWMChannel[] { Mainboard.PWM.Channel13, Mainboard.PWM.Channel14, Mainboard.PWM.Channel2, Mainboard.PWM.Channel3 }; for (int i = 0; i < motor_pwm.Length; i++) { motor_pwm[i] = new PWM(motor_chanels[i], frequency[i], dutyCycle[i], false); motor_pwm[i].Start(); }
马达控制：
在Sony PS2的事件代码中，我们填写如下代码：
static void ps2_Click(object sender, PS2.ButtonArgs e) { if(e.key == PS2.Key.RRocker) { PS2 ps2 = (PS2)sender; PS2.ButtonArgs button = ps2.GetButton(PS2.Key.L2); if (button.state == 1) //L2按下 { byte[] buffer = new byte[] { 0xAA, (byte)e.x, (byte)e.y, 0x55 }; piPort.Write(buffer, 0, 4); piPort.Flush(); //左右旋转 steering_pwm[3].Duration = (UInt32)(durations[3] + (128 - e.x) * 5); //上下旋转 steering_pwm[4].Duration = (UInt32)(durations[4] + (128 - e.y) * 5); } Else //L2抬起 { //小车运动 UInt32[] values = new UInt32[4]; UInt32 x = (UInt32)(System.Math.Abs(e.x - 128)); UInt32 y = (UInt32)(System.Math.Abs(e.y - 128)); for (int i = 0; i < values.Length; i++) values[i] = y; if (e.y < 128) { //前进 for (int i = 0; i < In.Length; i++) In[i].Write(states2[i]); //拐弯 if (x > 30) { if (e.x < 128) { values[2] = x; values[3] = x; } else { values[0] = x; values[1] = x; } } } else { //后退 for (int i = 0; i < In.Length; i++) In[i].Write(states1[i]); //拐弯 if (x > 30) { if (e.x < 128) { values[0] = x; values[1] = x; } else { values[2] = x; values[3] = x; } } } //设置占空比 for (int i = 0; i < motor_pwm.Length; i++) motor_pwm[i].DutyCycle = (values[i] / 128.0); } } }
B、驱动舵机
舵机参数定义：
static PWM[] steering_pwm = new PWM[5]; static UInt32[] periods = new UInt32[] { 20000, 20000, 20000, 20000, 20000 };//周期 static UInt32[] durations = new UInt32[] { 1390, 1500, 1390, 1550, 1420 }; //脉宽
舵机初始化：
Cpu.PWMChannel[] steering_chanels = new Cpu.PWMChannel[] { Mainboard.PWM.Channel8, Mainboard.PWM.Channel9, Mainboard.PWM.Channel6, Mainboard.PWM.Channel0, Mainboard.PWM.Channel4 }; for (int i = 0; i < steering_pwm.Length; i++) { steering_pwm[i] = new PWM(steering_chanels[i], periods[i], durations[i], PWM.ScaleFactor.Microseconds, false); steering_pwm[i].Start(); }
舵机控制：
static void ps2_Click(object sender, PS2.ButtonArgs e) { if (e.key == PS2.Key.LRocker) //左摇杆事件 { //控制机械臂左右旋转 steering_pwm[0].Duration = (UInt32)(durations[0] + (128 - e.x) * 5); //控制机械臂上下旋转 steering_pwm[1].Duration = (UInt32)(durations[1] + (128 - e.y) * 5); } else if (e.key == PS2.Key.R2) //按下右R2键 { //打开钳子 value += 10; if (value > 255) value = 255; steering_pwm[2].Duration = (UInt32)(durations[2] + (value - 128) * 5); } else if (e.key == PS2.Key.R1) //按下右R1键 { //闭合钳子 value -= 10;if (value < 0) value = 0; steering_pwm[2].Duration = (UInt32)(durations[2] + (value - 128) * 5); } }
C、视频演示
视频链接：http://v.youku.com/v_show/id_XNjY2MTE1NjQ0.html
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小结：
1、 .NET Micro Framework PWM类的设计，非常符合用户的认知和使用习惯，可以非常方便地实现相应功能。
2、 通过VS2010/VS2012在线调试，可以快速地测试出合适的控制值。
3、 以上代码大概十几分钟就可以完成，充分体现了.NET Micro Framework快速开发的特性。