基于STM32手把手教你做FreeRTOS平衡小车

基于STM32手把手教你做FreeRTOS平衡小车

此平衡小车基于STM32F401CCU6制作，在FreeRTOS下运行，能够完成直立，在手机蓝牙调试APP控制下能够前后运动以及转动。

基于STM32手把手教你做FreeRTOS平衡小车

一、平衡小车基本构想

1.平衡小车连接示意图

2.需要用到的STM32外设及相关模块

• USART的DMA方式，用于通过HC05接收和发送数据
• I2C的DMA方式，用于与MPU6050/OLED进行数据传输
• 定时器的PWM功能，用于驱动电机，电机驱动为TB6612FNG
• 定时器的ENCODE功能，用于计算电机速度
• GPIO的EXIT中断功能，用于接收MPU6050数据准备好信号

3.任务分解

• 1.HC05通过串口2建立通信
• 2.MPU6050通过INT方式输出DMP数据
• 3.定时器PWM驱动轮子转动
• 4.定时器ENCODE模式采集轮子转速
• 5.OLED显示内容

二、CubeMX设置

0201CubeMX的SYS设置

0202CubeMX的RCC设置

0203CubeMX的I2C1设置

DMA要记得开启

0204CubeMX的USART1设置

波特率115200

0205CubeMX的USART2设置

波特率115200，开启DMA用来与HC05通信

0206CubeMX的TIM2ENCODE设置

Counter Period保持65535即可

0207CubeMX的TIM3ENCODE设置

Counter Period保持65535即可

0208CubeMX的GPIO设置

0209CubeMX的GPIONVIC设置

0210CubeMX的FreeRTOS_Task设置

0211CubeMX的FreeRTOS_Semaphore设置

0212CubeMX的PinOut

三、所需库文件

1.myUsart.c

• 对printf进行重定向，只有这样才能调用printf函数
• 涉及数据：无

#ifdef __GNUC__
	#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
	#else
		#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif 
PUTCHAR_PROTOTYPE
{	
	HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
	return ch;
}

2.bluetooth_hc05.c

• 串口接收数据后，要对数据进行校验，校验无误后逐字节读取数据，存放到结构体中
• 涉及数据：HC05_PID_DATA

struct HC05_PID_DATA//定义结构体
{
    uint8_t LedStatus;
    int8_t BalanceKP;
    int8_t BalanceKD;
    int8_t SpeedKP;
    int8_t SpeedKI;
    int8_t TurnKP;
    int8_t TurnKD;
    int8_t Speed_Set;
    int8_t Turn_Set;
};
char VerifyData(uint8_t *data, uint8_t dataBIT);//数据校验
void GetPIDFromHC05(uint8_t *data);//逐字节读取数据

3.car_task.c

• 最核心的PID程序存放在此
• 涉及数据：无

void Car_Init(void);//小车初始化，开启时序尽量不要变
/*开启串口接收
* 开启Encode
* OLED初始化
* MPU6050初始化
* 开启MPU6050中断
* 开启PWM
* 使能TB6612FNG*/
void Car_Task_PID_Control_20ms(void);
void Car_Task_OledShow_50ms(void);
void Car_Task_DataScope_50ms(void);//回传数据给手机
void Car_Task_LedBlink_500ms(void);//测试FreeRTOS，看程序是否运行正常

4.datarecive.c

• 各模块给STM32的数据全部在此接收
• 涉及数据：
  

//接收MPU6050数据
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_Pin == Mpu6050_Int_Pin)
    {
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(Mpu6050_Int_Pin);
        mpu_dmp_get_data(&pitchAngle, &gyroY, &gyroZ_turn);
    }
}
//接收编码器数据
void GetEncode(void)
{
    encode_right = (short)TIM2->CNT;
    TIM2->CNT = 0;
    encode_left = -((short)TIM3->CNT);
    TIM3->CNT = 0;
}
//接收串口数据
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, buf, 12);
    if(VerifyData(buf, 12) == 1)
    {
        GetPIDFromHC05(buf);
        osSemaphoreRelease(HC05_BinarySemHandle); 
    }
}

5.car_sys_head.h

放到main.h中

#include "myUsart.h"
#include "oled.h"
#include "oledfont.h"
#include "mpu6050.h"
#include "car_task.h"
#include "bluetooth_hc05.h"
#include "datarecive.h"

6.其他库文件

不需要去动，提供的是底层的支持，只要添加到工程中即可

四、KEIL工程设置

CubeMX导出工程后，需要完成库文件的添加，相关函数要写入main.c和FreeRTOS.c中

1.添加库文件，记住勾选“Use MicroLIB”，以便使用printf()

2.main.c

3.mian.h

4.freertos.c

需要添加的内容较多
①必须添加的

//此处必须要添加，能够让小车直立
void StartTask_PID_20ms(void *argument)
{
    for(;;)
    {
        Car_Task_PID_Control_20ms();
        osDelay(20);
    }
}

②不影响直立的其他功能，可不添加

//让OLED显示数据，让手机能够控制小车
void StartTask_OLED_50ms(void *argument)
{
    for(;;)
    {
        Car_Task_DataScope_50ms();
        osDelay(50);
    }
}
//看程序运行是否正常
void StartTask_LED_500ms(void *argument)
{
    for(;;)
    {
        Car_Task_LedBlink_500ms();
        osDelay(500);
    }
}

五、直立程序探究

仅列出用得到的函数，至于mpu_dmp_get_data如何获取MPU6050的DMP数据，在下文中还会有所展开，这里仅仅让大家明白程序的运行逻辑。

在查看直立环、速度环、转向环具体实现代码前，需要明确个数据

• Balance_Kp_Base等代表烧写在STM32中的PID参数，不需要手机就能使小车平衡
• PIDFromHC05.BalanceKP等代表手机发送过来微调的PID参数，调参用
• PIDFromHC05.Speed_Set等代表手机遥控数据，前进速度、转动速度

1.直立环

int Balance_Pwm_Cal(float Angle, float Mechanical_balance, float Gyro)
{
    float Bias;
    int balance;
    Bias = Angle - Mechanical_balance;//角度差
    balance = (Balance_Kp_Base + PIDFromHC05.BalanceKP) * Bias + (Balance_Kd_Base + PIDFromHC05.BalanceKD) * (Gyro / 10);
    return balance;
}

2.速度环

int Velocity_Pwm_Cal(int encoder_left, int encoder_right)
{
    static float Velocity, Encoder_Least, Encoder;
    static float Encoder_Integral;
    Encoder_Least = (encoder_left + encoder_right) - 0;               //===获取最新速度偏差==测量速度（左右编码器之和）-目标速度（此处为零）
    Encoder *= 0.8;		                                                //===一阶低通滤波器
    Encoder += Encoder_Least * 0.2;	                                  //===一阶低通滤波器
    Encoder_Integral += Encoder;                                      //===积分出位移 积分时间：10ms
    Encoder_Integral = Encoder_Integral - PIDFromHC05.Speed_Set * 2;                 //===接收遥控器数据，控制前进后退
    if(Encoder_Integral > 10000)  	Encoder_Integral = 10000;         //===积分限幅
    if(Encoder_Integral < -10000)		Encoder_Integral = -10000;        //===积分限幅
    Velocity = Encoder * (Speed_Kp_Base + PIDFromHC05.SpeedKP) + (Encoder_Integral / 100) * (Speed_Ki_Base + PIDFromHC05.SpeedKI); //===速度控制
    if(pitchAngle < -40 || pitchAngle > 40) 			Encoder_Integral = 0;     						//===电机关闭后清除积分
    return Velocity;
}

3.转向环

int Turn_Pwm_Cal(int encoder_left, int encoder_right, float gyro) //转向控制
{
    static float Turn, Turn_Convert = 0.9, Turn_Count, Encoder_temp, Turn_Target;
    float Turn_Amplitude = 44, Kd;
    if(PIDFromHC05.Speed_Set != 0)              //这一部分主要是根据旋转前的速度调整速度的起始速度，增加小车的适应性
    {
        if(++Turn_Count == 1)
            Encoder_temp = myabs(encoder_left + encoder_right);
        Turn_Convert = 55 / Encoder_temp;
        if(Turn_Convert < 0.6)Turn_Convert = 0.6;
        if(Turn_Convert > 3)Turn_Convert = 3;
    }
    else
    {
        Turn_Convert = 0.9;
        Turn_Count = 0;
        Encoder_temp = 0;
    }
    if(PIDFromHC05.Turn_Set != 0)
    {
        Turn_Target -= (PIDFromHC05.Turn_Set / 8) * Turn_Convert;
    }
    else
    {
        Turn_Target = 0;
    }
    if(Turn_Target > Turn_Amplitude)  Turn_Target = Turn_Amplitude; //===转向	速度限幅
    if(Turn_Target < -Turn_Amplitude) Turn_Target = -Turn_Amplitude;
    if(PIDFromHC05.Speed_Set != 0)  Kd = (Turn_Kd_Base+PIDFromHC05.TurnKD )/ 10.0;
    else Kd = 0; //转向的时候取消陀螺仪的纠正 有点模糊PID的思想

    Turn = -Turn_Target * (Turn_Kp_Base+PIDFromHC05.TurnKP) + (gyro / 100) * Kd;   //===结合Z轴陀螺仪进行PD控制
    return Turn;
}

六、HC05收发数据

HC05在我们用户眼中是透明的，我们不需要关注HC05是怎么手法数据的，我们只要将HC05波特率设置为与串口一致即可，剩下的工作全部是串口操作。

1.实现功能

• 功能1:手机数据——>HC05——>USART2——>STM32解析收到的数据——>USART1——>电脑串口软件显示4个SHORT
• 功能2：STM32将角度、角速度、ENCODE、PWM数据打包——>USART2——>HC05——>手机进行显示

①数据格式

手机数据为12字节,包头为0xA5、包尾为0x5A、倒数第二位为校验位（为纯数据低八位的和）

②手机端APP，蓝牙调试器

③电脑串口软件显示4个SHORT

2.串口接收基础

• 阻塞式
  占用资源，我们没采用

    while (1)
    {
        /* USER CODE END WHILE */

        /* USER CODE BEGIN 3 */
        if(HAL_OK == HAL_UART_Receive(&huart2, (uint8_t *)recv_buff, 12, 0xFFFF))
        {
            //可以自由对recv_buff进行操作
        }
    }

• 中断式，我们没采用
  全部放到mian.c中

main()
{
    HAL_UART_Receive_IT(&huart2, (uint8_t *)recv_buff, 12);//开启串口2中断
    while (1)
    {
        //可以进行其他操作
    }
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    HAL_UART_Receive_IT(&huart2, (uint8_t *)recv_buff, 12);//开启串口2中断
    if(VerifyData(recv_buff, 12))
    {
        GetPIDFromHC05(recv_buff);
        printf("%d,%d,%d,%d\r\n", PIDFromHC05.BalanceKP, PIDFromHC05.BalanceKD, PIDFromHC05.SpeedKP, PIDFromHC05.SpeedKI);
    }
}

• DMA式，这是我们的方案
  将中断式中_IT换成_DMA即可，不要忘了在CubeMX中开启串口2的DMA即可

3.串口发送基础

串口只能一个字节一个字节发送数据，即只能发送uint8_t 类型数据，不能直接发送short/int/float等数据，必须先转换为uint8_t才可以

• 数据格式
  在KEIL中

数据类型	uint8	short	int	float
占用字节	1	2	4	4

• 数据转换
  以short为例
  ①先定义串口发送缓存数组uint8_t sendbuf[SendDataLen];
  ②进行转换，将short所占的2个字节的内容分别提取到sendbuf数组中

//target为需要转换的数据，buf是串口发送缓存数组，beg存放在数组中的位置
void Short2Byte(short *target,unsigned char *buf,unsigned char beg)
{
    unsigned char *point;
    point = (unsigned char*)target;	  //得到short的地址
    buf[beg]   = point[0];
    buf[beg+1] = point[1];
}

具体用法为见下小节

• 数据打包

void DataScopeGenerate(short gyro, short pwm, int encode, float angle)
{
    uint8_t sumdata = 0;//放到校验位的数据，必须初始化为0，否则生成数据手机端无法解析
    sendbuf[0] = 0xA5;//包头
    Short2Byte(&gyro, sendbuf, 1);
    Short2Byte(&pwm, sendbuf, 1 + lenshort);//lenshort=2
    Int2Byte(&encode, sendbuf, 1 + lenshort + lenshort);
    Float2Byte(&angle, sendbuf, 1 + lenshort + lenshort + lenint);//lenint=4
	/*生成校验位数据，方法为发送缓存数组（待发送数据）之和的低8位置*/
    for(uint8_t datak = 1; datak < SendDataLen - 2; datak++)
    {
        sumdata = sumdata + sendbuf[datak];
    }
    sendbuf[SendDataLen - 2] = sumdata;//校验位置
    sendbuf[SendDataLen - 1] = 0x5A;//包尾
}

• 数据发送

HAL_UART_Transmit_DMA(&huart2,sendbuf,SendDataLen);

4.串口接收数据处理

手机端发送

• 校验
  只有校验完成，才能认为接受到的数据是我想要的，而不是干扰

/***********************************************************
*@fuction	:VerifyData
*@brief		:对数据进行校验
*@param		:data为数据，dataBIT为位数
*@return	:返回1验证通过
*@author	:--
*@date		:2023-07-19
***********************************************************/

char VerifyData(uint8_t *data, uint8_t dataBIT)
{
    uint8_t sumdata = 0;
    int datak;
    if(data[0] == 0xa5 && data[dataBIT - 1] == 0x5a)//首先确保包头、包尾是对的
    {
        for(datak = 1; datak < 10; datak++)
        {
            sumdata = sumdata + data[datak];
        }
        if(sumdata == data[datak])//校验和也是对的
        {
            return 1;
        }
        return 0;
    }
    return 0;
}

• 取数据
  定义结构体

struct HC05_PID_DATA
{
	uint8_t LedStatus;
	short BalanceKP;
	short BalanceKD;
	short SpeedKP;
	short SpeedKI;	
};
struct HC05_PID_DATA PIDFromHC05;

利用结构体取数据

void GetPIDFromHC05(uint8_t *data)
{
    PIDFromHC05.LedStatus = data[1];
    PIDFromHC05.BalanceKP = data[3] << 8 | data[2];
    PIDFromHC05.BalanceKD = data[5] << 8 | data[4];
    PIDFromHC05.SpeedKP = data[7] << 8 | data[6];
    PIDFromHC05.SpeedKI = data[9] << 8 | data[8];
}

5.FreeRTOS二值信号量

• 在CubeMX中设置，直接在keil中生成
  

如要在freertos.c以外用二值信号量,需要添加以下内容

#include "cmsis_os.h"
extern osSemaphoreId_t myBinarySem_rxokHandle;

• 释放二值信号量

osSemaphoreRelease(myBinarySem_rxokHandle); //释放二值信号量 

这个要放在中断中

• 等待二值信号量

osSemaphoreAcquire(myBinarySem_rxokHandle,osWaitForever);//等待二值信号量，只有等到了才会往下运行

我对二值信号量的理解：我认为就是一个信号FLAG，中断来了就发个信号，这个信号相当于一个全局变量

七、OLED显示

1.0.96’ OLED显示原理

OLED显示屏宽128像素,高64像素,即128x64,共8192个像素
为了清晰这里以32x16进行展示

显示过程:
c3将0x01写入红色方框1,按照低位在前的顺序,如图进行显示,而后一次是2/3/4/5

一个十六进制字节0x01可以确定8个像素的状态,由此可知屏幕 $所需字节=128\ast 64/8$即1024字节.

2.生成字模

使用Pctolcd软件生成,主要是取模方式为逐行列

/*对应显示原理中的32x16图片*/
const uint8_t bmp[]  PROGMEM= {/*PROGMEM 可以不写,将数据放到程序存储空间
0xFE,0xFD,0xFC,0xFB,0xFA,0xF9,0xF8,0xF7,0xF6,0xF5,0xF4,0xF3,0xF2,0xF1,0xF0,0xEF,
0xEE,0xED,0xEC,0xEB,0xEA,0xE9,0xE8,0xE7,0xE6,0xE5,0xE4,0xE3,0xE2,0xE1,0xE0,0xDF,
0xDE,0xDD,0xDC,0xDB,0xDA,0xD9,0xD8,0xD7,0xD6,0xD5,0xD4,0xD3,0xD2,0xD1,0xD0,0xCF,
0xCE,0xCD,0xCC,0xCB,0xCA,0xC9,0xC8,0xC7,0xC6,0xC5,0xC4,0xC3,0xC2,0xC1,0xC0,0xBF,
};

3.屏幕显示

    OLED_Clear();//将显存数组清空
    //写需要显示的内容，如OLED_ShowNum_Signal、OLED_ShowFLOAT
    OLED_Refreash();//将显存数组数据发送至OLED

八、中断读取MPU6050的DMP数据

目前只能实现100HZ读取，没有实现网上广为流传的200HZ，只要调到200HZ就会死机。
MPU6050的INT脚不要忘接了！

1.修改官方驱动库

我是直接在Embedded_MotionDriver_5.1库上进行修改的，官方示例是基于MSP430，要将msp430_i2c_write、msp430_i2c_read以及延时修改为STM32F401，其他不需要修改

#define i2c_write   msp430_i2c_write
#define i2c_read    msp430_i2c_read
#define delay_ms    HAL_Delay
//已经修改为HAL_I2C_Mem_Write了
int msp430_i2c_write(uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t Size, uint8_t *pData)
{
    if(HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, DevAddress, MemAddress, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pData, Size, 1000) == HAL_OK)
        return 0;
    else
        return 1;
}
//已经修改为HAL_I2C_Mem_Read
int msp430_i2c_read(uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t Size, unsigned char *data)
{
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, DevAddress, MemAddress, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, Size, 1000);
    return 0;
}

2.写MPU6050.C接口程序

只需要写以下函数即可，参考官方Embedded_MotionDriver_5.1库写

#define DEFAULT_MPU_HZ  (100)//采样频率

int mpu_dmp_init(void);//初始化
int run_self_test(void);
int mpu_dmp_get_data(float *pitch,short *gyroy,short *gyroz);
void mpu6050_init(void);

九、电机PWM驱动

1.开启PWM

在car_task.c/Car_Init函数中

HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_4);//开启PWM

2.TB6612FNG

引脚	STBY	PWMA	AIN1	AIN2	AO1	AO2
功能	使能引脚，高电平有效	PWMA	与AIN2电平相反	与AIN1电平相反	输出1	输出2

3.根据PWM计算结果驱动电机

以驱动左轮为例子

    if(moto1 < 0)
    {
        moto1 = -moto1-Dead_Left_Motor_PWM;
        HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO_Port, AIN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO_Port, AIN1_Pin, GPIO_PIN_SET);
    }
    else
    {
        moto1 = moto1+Dead_Left_Motor_PWM;
		HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO_Port, AIN2_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO_Port, AIN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    }
    htim1.Instance->CCR4 = moto1;

十、编码器获取速度

这是STM32定时器自带的功能
short是数据格式强制转换，如果是正转CNT从0开始加、反转CNT从65535开始减，强制转换为short后，如果是正转CNT从0开始加、反转CNT从0开始减，方向直接在符号上体现了，不需要再去读取方向寄存器。

//左右轮编码器数据
void GetEncode(void)
{
    encode_right = (short)TIM2->CNT;
    TIM2->CNT = 0;
    encode_left = -((short)TIM3->CNT);
    TIM3->CNT = 0;
}

十一、硬件电路图

1.原理图

2.实物图

红色胶带底下是MPU6050,防止小车抖动导致模块松动后，DMP不准

完整电路图、程序下载：
链接：https://pan.baidu.com/s/1FCOt4zJ2VVpz19rcQ-R1Vg
提取码：6666

至此，我们的平衡小车已经全部完成，祝大家学习进步！